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牽引變電所中用于負(fù)荷平衡的非變壓式補(bǔ)償器摘 要迄今牽引變電站的大多數(shù)基于變頻器的功率調(diào)節(jié)方案中都包含一對既昂貴又笨重的升壓變壓器。在本文中提出的用于平衡牽引供電臂負(fù)荷的是一種非變壓式補(bǔ)償器。這種新的補(bǔ)償器采用基于三級(jí)多個(gè)三極轉(zhuǎn)換器IGBT相組成的中性點(diǎn)連接方式。IGBT的動(dòng)態(tài)電壓平衡是通過由一個(gè)斜率調(diào)節(jié)和峰值逼近方式來進(jìn)行的。并且專門為這種轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)虛擬三相控制策略使得該補(bǔ)償器能夠提供雙向有功功率，以及為每個(gè)供應(yīng)臂提供無功功率同時(shí)保持直流母線電壓的恒定。動(dòng)態(tài)電壓平衡和功率調(diào)節(jié)的仿真波形實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了這種新型的非變壓式補(bǔ)償方式。關(guān)鍵字：鐵路系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)裝置；中性點(diǎn)連接轉(zhuǎn)換器；串聯(lián)IGBT；動(dòng)態(tài)電壓平衡I.引言在電氣化鐵路系統(tǒng)中，電力機(jī)車被視為單相牽引變壓器供電的單相負(fù)荷。同時(shí)電氣化列車被視為一種沖擊負(fù)荷，所以在不同的時(shí)間段、不同的速度、列車的不同負(fù)載條件下兩個(gè)供電臂承擔(dān)的負(fù)荷不平衡。因此，流入電網(wǎng)的負(fù)序列電流將鄰近風(fēng)力渦輪機(jī)、發(fā)電機(jī)和繼電保護(hù)裝置產(chǎn)生意想不到的影響。傳統(tǒng)的補(bǔ)償器不能解決這類問題，因?yàn)樗鼈儾荒芴峁┯泄β什⑶也荒軌蛘{(diào)整其過度補(bǔ)償?shù)臒o功功率而使之平滑、靈活。在 1 4 中提及到的一些鐵路系統(tǒng)有功功率調(diào)節(jié)器（RPC）是用來平衡一臺(tái)牽引變壓器的兩個(gè)饋線的負(fù)載。所有這些RPC包含兩個(gè)背靠背式的單相轉(zhuǎn)換器。為了連接到牽引變壓器的饋線側(cè)，他們需要一副全容量單相升壓變壓器。這使得它們體積龐大，成本高昂，并降低了它們的性價(jià)比。實(shí)際上，隨著高壓轉(zhuǎn)換器的發(fā)展，通過直接將轉(zhuǎn)換器連接到牽引變壓器是一個(gè)合理的想法，本文提出了一種用于牽引變電所中的非變壓式補(bǔ)償器。它采用一種基于串聯(lián)IGBT高壓中性點(diǎn)NPC三級(jí)變換器。為了適應(yīng)這新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，還需要采用一種虛擬的三相控制策略。這樣我們就能看到，這個(gè)新型的補(bǔ)償器可以實(shí)現(xiàn)RPC的所有功能，如負(fù)載平衡和功率因數(shù)校正等。圖1 用于牽引變電所中的非變壓式補(bǔ)償器原理圖II.非變壓式補(bǔ)償變換器A.基于串聯(lián)IGBT的NPC轉(zhuǎn)換器圖1所示是在具有兩個(gè)供電臂和，以及負(fù)載電流通過軌道返回的牽引變電所中的一個(gè)非變壓式補(bǔ)償器原理圖。這個(gè)補(bǔ)償器是一個(gè)三橋臂的具有接口電抗器的NPC轉(zhuǎn)換器。在NPC轉(zhuǎn)換器中的每個(gè)開關(guān)器件是一個(gè)IGBT的一個(gè)延展而不是一個(gè)單一的設(shè)備。從而，以使這種新型補(bǔ)償器的經(jīng)濟(jì)性分析是非常有必要的。如果牽引變壓器二次側(cè)電壓的是等于U,那么在兩相之間的電壓為2U。并且如果和相的補(bǔ)償電流等于I，那么通過N相的電流將不超過2IC。從三相中性點(diǎn)來看，該轉(zhuǎn)換器的等效容量為2（1 +2）UI /3。換句話說，新型補(bǔ)償器是由一定數(shù)量的功率半導(dǎo)體器件組成的。眾所周知，一個(gè)RPC變流器容量相當(dāng)于4UI /3。這樣就導(dǎo)致一個(gè)新型補(bǔ)償器比一個(gè)RPC變換器所需要的IGBT20.7% 。然而，這些附加功率半導(dǎo)體的成本和體積在一定意義上低于兩個(gè)100%容量的升壓變壓器的。這對于補(bǔ)償器設(shè)計(jì)師和客戶絕對是具有相當(dāng)大的吸引力。B.IGBT拓展元件的動(dòng)態(tài)電壓平衡由于這種轉(zhuǎn)換器采用IGBT拓展元件，所以我們就必須考慮到動(dòng)態(tài)電壓平衡的相關(guān)問題問題。我們在這一領(lǐng)域中也做了大量的研究，并提出了一種實(shí)用的方法斜率調(diào)節(jié)及峰值逼近方式，通過這種方法可以使IGBT拓展元件中的每個(gè)子元件的電壓相等。圖2 動(dòng)態(tài)電壓平衡電路示意圖在圖2所示的電路原理圖中，T是IGBT拓展元件中的一個(gè)子元件，電阻R1和電容器C1作為斜率調(diào)節(jié)元件，電阻R3和二極管Z1= Zn組成一個(gè)集成元件。當(dāng)集電極-發(fā)射極之間存在一個(gè)超調(diào)電壓T，即刻就有一個(gè)反饋電流IFB將由集電極通過兩條支路而進(jìn)入其門j極，從而引起柵極電壓迅速的上升，在此同時(shí)抑制集電極-發(fā)射極電壓的增加。有了這種方法，串聯(lián)連接的設(shè)備數(shù)量也就沒有了限制。因此，就如圖1中所描述的，可以通過線路連接不超過四十個(gè)1.7kv IGBT 的方法來構(gòu)造一個(gè)27.52kV的三級(jí)電平變換器并將它作為一個(gè)切換閥。圖3 IGBT拓展元件的高壓試驗(yàn)裝置(a)(b)圖4 兩個(gè)IGBT的調(diào)節(jié)開關(guān)波形如圖3所示，為了驗(yàn)證動(dòng)態(tài)電壓平衡方法，除此之外，我們開發(fā)了的電路板并高壓試驗(yàn)裝置進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。我們已經(jīng)完成了由二十八個(gè)1.7kv/800a設(shè)備串聯(lián)而成的IGBT拓展元件動(dòng)態(tài)電壓平衡試驗(yàn)。圖4（a）和（b）表示了在有無動(dòng)態(tài)電壓控制情況下對某個(gè)特定的IGBT拓展元件的電壓波形。在圖4（a），有兩條曲線，vce1和vce2，兩極分開。而在圖4（b）中，它們所證明的幾乎與動(dòng)態(tài)電壓平衡方法的有效性相同。III.控制策略A.數(shù)學(xué)模型由于牽引供電系統(tǒng)是一種單相系統(tǒng)，一種普遍的的理解就是，采用一個(gè)三極轉(zhuǎn)換器作為補(bǔ)償裝置是不方便的。不過,本文針對處理這種情況提出了一種特殊的方法-運(yùn)用一種虛擬三相系統(tǒng)來模擬牽引動(dòng)力系統(tǒng)及其補(bǔ)償器。假如和牽引變壓器的兩個(gè)供電臂，將N或鋼軌作為其共用線，這樣就可以認(rèn)定,和N三相，并且系統(tǒng)有一個(gè)假想的中性點(diǎn)O，系統(tǒng)和補(bǔ)償器的三個(gè)虛擬相電壓可以分別定義為(UsO, UsO, UsNo) and (UmO, UmO, UmNo)。因此，補(bǔ)償電流 (Im, Im, ImN)為三橋臂電流虛擬三相系統(tǒng)即遵循以下方程：在UsO, UsO, UsNO是根據(jù)正弦和理想的狀態(tài)。(1)與電壓的關(guān)系，為下一以下的電壓方程式是成立的：這就和在三相系統(tǒng)中相電壓和線電壓之間的關(guān)系相類似。此外，(Uso, Uso, UsNo)，(Umo, Umo, UmNo)和(Im, Im, ImN)就可以復(fù)合成三維空間矢量Us，Um和Im，如果忽略功率損耗并且定義接口電抗器為L，該補(bǔ)償器的數(shù)學(xué)模型就可以簡單的寫為：B.控制策略就式(3)中的矢量來看，他們的旋轉(zhuǎn)軌跡是不恒定的圓形并且角速度不是常熟。除此之外，傳統(tǒng)的空間矢量調(diào)制算法仍然是適用于Um。因此，對于由(1)-(3)描述的虛擬的三相系統(tǒng)，這樣達(dá)到運(yùn)行與控制的目標(biāo)就顯得比較容易。圖5 直流控制圖 通常情況下，如果要用一個(gè)補(bǔ)償器保持直流母線電壓為定值，使得兩個(gè)供電臂的有功負(fù)載平衡并且能夠獨(dú)立的為每邊補(bǔ)償無功功率。類似于在 1 - 4 中提到的背靠背式的RPC，我們可以設(shè)計(jì)出如圖5中所描述的直流控制策略，圖5中所示的UDC和UDC *直流母線的電壓及其參考值，IP*是要平衡的負(fù)載電流，IQ*和 IQ*是每個(gè)供電臂所要求的無功電流，（IM* +IM*）是N-橋臂的電流參考值，K1值成比例變化，K2值恒定不變。這張圖告訴表明橋臂起到直流母線電壓控制的作用和橋臂促進(jìn)有功功率的雙向傳遞，同時(shí)N-橋臂作為一條公用線來承擔(dān)中性線電流。圖6各相無功功率的獨(dú)立補(bǔ)償圖7 有功功率從相to到相傳遞圖8有功從 相到相之間傳遞的同時(shí)相得到補(bǔ)償C. 模擬 由圖1和圖5可知，一個(gè)PSCAD模型的建立包括一個(gè)100uF的電容器塊和三個(gè)43mH的接口電抗器。牽引供電系統(tǒng)的電壓為27.5kV和直流母線電壓的參考值為70kV。此外，IGBT的開關(guān)頻率為2KHz。 圖6中所描述的是無功補(bǔ)償。起初，供電臂分別供給相和相 以300A和150A純無功負(fù)荷電流，分別用Is和Is表示。 在t=0.15s0.25s時(shí)，分別對相和相起到補(bǔ)償作用。 轉(zhuǎn)換器的和橋臂取代系統(tǒng)而提供無功電流。因此，每個(gè)供應(yīng)臂的電流都變得很小，僅僅起到保持直流母線電壓的作用。 如圖7，補(bǔ)償前，600A有功負(fù)荷在相運(yùn)行的同時(shí)相無負(fù)荷。在這期間，轉(zhuǎn)換器的電流接近于零，直流母線電壓穩(wěn)定在70 kV。從T = 0.55s起，轉(zhuǎn)換器從相向相傳輸300A的有功電流以使兩供電臂的電流趨于平衡。由于直流母線的電容器塊作為功率傳輸緩沖區(qū)，所以它的電壓些許的波動(dòng)，其中包括由直流電壓控制模塊PI的一個(gè)平滑控制和一個(gè)由交流輸出引起的100Hz脈動(dòng)。如圖8中所示，在初始狀態(tài)下， 相和相 各自分別承擔(dān)300A 的無功負(fù)荷和600A有功負(fù)荷,為了得到一個(gè)清晰的描述，為無功功率補(bǔ)償和有功功率傳輸設(shè)置不同的啟動(dòng)時(shí)間。在t = 1.05s時(shí)，橋臂取代供電臂向負(fù)荷提供300A的無功電流。相電流Is減至一個(gè)較小值并對相不產(chǎn)生影響，在幾個(gè)周期之后，橋臂從相分擔(dān) 300A的有功電流，隨之Is的將增大。因此，兩相的負(fù)載是平衡的。需要注意的是，圖8中的有源功率流向