PWM整流技術在城市軌道交通車載儲能裝置充電應用中的問題分析

曾國強

文中介紹了PWM整流技術結構及應用，在城市軌道交通PWM整流技術應用比較及問題分析，有軌電車整流技術應用建議

PWM整流;充電裝置;二極管整流;12/24脈波

?The paper introduces the structure and application of PWM rectification technology， Application Comparison and Problem Analysis of PWM Rectification Technology in Urban Rail Transit， and Application of Rectification Technology in Tram Engineering

?PWM rectification;Charging device;Diode rectification; 12/24 pulse wave

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隨著儲能型裝置在國內城市軌道交通、現代有軌電車、新能源電動汽車等領域廣泛應用，其配套的充電技術及充電裝置的優劣對儲能裝置的性能及電網的電能質量方面有著關鍵性的影響。

目前，城市軌道車輛車載儲能裝置的充電技術主要有以下四種基本技術方案：

（1）12/24脈波二極管整流+Buck DC/DC變換

（2）APFC整流+LLC串聯諧振軟開關DC/DC變換

（3）IGBT PWM整流+Buck DC/DC變換

（4）IGBT PWM整流調壓

上述四種技術方案均能夠滿足充電系統要求，各個模塊在技術上均比較成熟，但是，針對軌道車輛儲能裝置的充電特性要求，充電裝置均有待逐步完善。由于PWM整流具有在諧波、功率因數、可快速調節等技術性能方面優點，以下重點對PWM整流技術在儲能型有軌電車的充電應用情況進行分析說明。

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PWM整流電路是采用PWM控制方式和全控型器件組成的整流電路，典型的三相PWM整流電路在充電裝置應用結構圖如下圖示：

PWM整流器技術是中等容量單位功率因數采用的主要技術，主開關器件需要使用自關斷器件（如IGBT等）。PWM整流器實質上是一個電壓源型逆變器（VSR），通過整流控制，在網側逆變出一個與電網電壓同頻率不同電壓幅值及相位的電壓，該電壓與電網電壓的差通過與電網的連接電感（或變壓器的漏感）轉換為電流。假定PWM整流器逆變電壓為V，電網電壓為E，PWM交流側電流為I，則PWM整流器的相位關系圖見下圖所示。

從圖2中可以看出，（b）、（d）的電流方向與電網電壓E同相或反相，是有功電流，傳送有功功率，（b）是吸收有功，為整流狀態，（d）是發出有功，是逆變狀態。

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按照PWM整流器功率大小分類，其主要應用于以下領域：

（1）中小功率（10～20kW以下）——電源類、電動汽車直流充電模塊等

（2）中大功率（百kW以下）——電氣傳動、UPS

（3）大功率（數百kW）—-光伏變流、風機變流器

（4）超大功率（兆瓦以上）—-直流輸電等

而城市軌道交通領域直流牽引系統容量達兆瓦級，屬于超大容量應用范疇。

三相電壓型PWM整流器具有以下優越的性能：

（1）交流側諧波分量小

（2）輸入功率因數接近1

（3）能量可以實現雙向流動

（4）輸出直流電壓脈動較小

（5）輸出直流電壓可快速調節

隨著三相電壓型PWM整流器有其優越的性能，在城市軌道交通直流牽引供電中的應用也得到廣泛關注和研究。但是到目前為止，城市軌道交通直流供電方式尚無采用PWM整流的實際應用，主要有以下幾方面原因：

PWM整流方式雖然具有諧波小，功率因數高的特點，但常規24脈動整流輔助諧波消除（地鐵廣泛采用有源電力濾波器）及功率因數校正裝置已經可以滿足電網對電能質量的要求。

PWM整流由于大量采用IGBT器件，對過電壓、過電流的耐受能力遠低于二極管。雖然采取各種措施限制過電壓、過電流水平，通過優化IGBT選型提高耐受能力，但在超大容量應用中，可靠性仍然較二極管整流低。下圖為英飛凌450A IGBT參數表，由表中參數可見，IGBT過電流倍數為2倍，且持續時間不超過1ms。

下圖3為ABB 5SDA 27F2002 二極管的過電流曲線，額定電流為2700A，由曲線可見在2ms過流時過流倍數達到20倍，10ms過流時過流倍數達到11.5倍。

PWM從主回路到控制回路的元器件數量是二極管整流器元件數量的10倍到100倍，從可靠性理論分析計算，PWM的器件級理論可靠性比二極管整流至少低一個數量級。

同時PWM需要有信號量反饋、自動控制計算等復雜環節，由于信號檢測的干擾等問題造成整流故障的概率也大大增加。

PWM整流的損耗包括IGBT的通態損耗及開關損耗，對于處于高頻工作狀態下的PWM整流，兩種損耗的比例一般約為1：1。IGBT通態壓降高于二極管，通態損耗約高出80～100%。而二極管整機幾乎沒有開關損耗，故此PWM損耗約比二極管整流大4倍。損耗的增加必然導致發熱量增加及對冷卻的要求增加，一般需要更大風速的強迫風冷，冷卻風機的噪聲及對輔助電源或不間斷電源容量的要求也大大增加。

目前，國內城市軌道交通包括有軌電車直流牽引供電方式廣泛采用相控或二極管整流方式。6脈動整流和12脈動整流由于功率因數低，交流側諧波較大，地鐵直流供電采用24脈動整流方式;但從降低供電投資角度出發，有軌電車直流供電一般較多采用12脈沖整流方式。

同時，三相電壓型PWM整流技術也在城市軌道交通直流牽引供電應用中得到廣泛關注和研究。以下從技術性能、波形質量控制、可靠性、能量轉換效率和經濟性等角度對兩種整流在城市軌道交通直流牽引供電及充值裝置中的應用優劣性進行分析比較。

通過以上比較可知，PWM整流由于大量使用IGBT，提高了成本，可靠性相對較低等原因，其在國內軌道交通領域應用需要進行進一步研究和改進。

通過以上PWM整流技術性能優點及應用中問題比較，地鐵直流供電具有供電容量大、電流電壓波動較大及頻繁，其核心IGBT器件性能相對較低等，PWM整流技術在地鐵應用中尚待改進研究。而，在目前已運行的儲能型現代有軌電車線路充電系統設計看，主要分為集中式直流供電和分散式直流供電兩種。

分散直流供電方式，其整流裝置與充電裝置變流器合二為一，共同構成站臺充電裝置，單座直流供電容量約為1MW～1.5MW，容量較小，而且在小功率PWM整流技術在風電領域具有使用案例，可以滿足輸出功率的要求，但從有軌電車運行安全性考慮，由于缺少設備安全運行裕度，應按照軌道交通直流供電系統技術標準，完善其過載能力等型式試驗認證。

集中式直流供電方式，其整流裝置與充電裝置獨立設置，一套整流裝置帶多個充電裝置，兩者間采用DC1500V/DC750V連接。集中式直流系統容量過大，如按一帶三個充電裝置考慮，其直流供電容量約為5MW，國內目前尚沒有如此大容量的成熟PWM整流產品應用。故集中式直流供電方式不建議采用PWM整流技術。

[1]周慧楠.PWM整流器在充電裝置中的應用研究[D].哈爾濱工程大學，2014.

[2]楊春華.基于Buck型PWM整流的充電器控制策略的研究[D].西南交通大學，2017.