多電平技術(shù)及其在電力牽引中的應(yīng)用

1、西 南 交 通 大 學(xué)電力牽引交流傳動(dòng)及其控制系統(tǒng)報(bào)告 多電平技術(shù)及其在電力牽引中的應(yīng)用目錄一、多電平變換器41.1 二極管箝位型多電平變換器41.2 級(jí)聯(lián)多電平變換器51.3 飛躍電容型多電平變換器8二、多電平變換器PWM 控制技術(shù)92.1多電平載波PWM 技術(shù)92.2多電平空間矢量PWM 技術(shù)122.3多電平SVPWM和載波PWM的統(tǒng)一13三、多電平技術(shù)在電力牽引系統(tǒng)中的應(yīng)用143.1同相供電系統(tǒng)143.2動(dòng)車組三電平牽引變流器15四、結(jié)論18傳統(tǒng)兩電平電壓源型變換器在電機(jī)傳動(dòng)、新能源并網(wǎng)、開關(guān)電源等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。然而在高壓大功率領(lǐng)域的應(yīng)用中，為解決功率開關(guān)器件的耐壓問題，通

2、常通過工頻變壓器接入高壓電網(wǎng)，笨重的工頻變壓器大大增加了電力電子變換裝置的體積和成本，并限制了系統(tǒng)效率。近年來，多電平變換器以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在已在例如高壓交流電機(jī)傳動(dòng)、電網(wǎng)無功補(bǔ)償和吸收等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用受到廣泛關(guān)注。兩電平變換器不適合于高壓大功率場合，其主要原因有兩個(gè)：一是半導(dǎo)體開關(guān)承受的關(guān)斷電壓等級(jí)受到限制，二是大功率半導(dǎo)體開關(guān)的開關(guān)頻率較低。雖然通過開關(guān)的串聯(lián)方式可以提高變換器的電壓等級(jí)，通過開關(guān)并聯(lián)方式可以提高變換器的電流等級(jí)，但前者需要采取均壓措施，后者需要采取均流措施，在實(shí)現(xiàn)上需要復(fù)雜的輔助電路，而且往往效果并不理想。此外，開關(guān)頻率低，則諧波特性差，特別是低頻諧波增加，使

3、得變換器性能變差，無法滿足應(yīng)用需要。最早是Nabae等人于20世紀(jì)80年代初提出多電平變換器的思想。多電平變換器主要采用器件箝位或輸出串聯(lián)等方式將低壓的功率開關(guān)器件連接在一起， 實(shí)現(xiàn)了高電壓、大容量。它的一般結(jié)構(gòu)是由幾個(gè)電平臺(tái)階(典型情況是電容電壓)合成階梯波以逼進(jìn)正弦輸出電壓。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的飛速發(fā)展， 多電平變換器在高壓大功率領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注。多電平變換器相對(duì)傳統(tǒng)兩電平變換器具有如下優(yōu)點(diǎn)：1）每個(gè)功率管承受的電壓應(yīng)力大幅降低；2）在相同開關(guān)頻率下，輸出諧波含量大幅降低；3）功率管開關(guān)損耗降低。由于以上優(yōu)點(diǎn)，多電平變換器在高壓大功率場合得到越來越

4、廣泛的應(yīng)用。一、多電平變換器多電平變換器從目前所見到的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來看， 最終可歸結(jié)為3種基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：二極管箝位型多電平變換器、級(jí)聯(lián)多電平變換器和飛躍電容型多電平變換器。1.1 二極管箝位型多電平變換器如圖所示為三相五電平二極管箝位型逆變器結(jié)構(gòu)圖。在此電路中四個(gè)串聯(lián)電容將直流側(cè)電壓分成五個(gè)電平，定義四個(gè)電容的中點(diǎn)0為中性點(diǎn)，那么輸出電壓有五個(gè)狀態(tài)：Vdc/2，Vdc/4，0，-Vdc/4，和-Vdc/2 。每個(gè)橋臂有8 個(gè)開關(guān)器件串聯(lián)，其中每4個(gè)開關(guān)器件同時(shí)處于導(dǎo)迫或關(guān)斷狀態(tài)，從而得到不同開關(guān)狀態(tài)組合及相應(yīng)的輸出電壓。對(duì)這種類型的m電平三相電路，需直流分壓電容(m-l)個(gè)串聯(lián)，每橋臂主開

5、關(guān)器件2(m-1)個(gè)串聯(lián)，每橋臂的箝位二極管數(shù)量(m-1)(m-2)個(gè)，每(m-l)個(gè)串聯(lián)后分別跨接在正負(fù)半橋臂對(duì)應(yīng)開關(guān)器件之間進(jìn)行箝位。對(duì)于需要四象限可逆運(yùn)行的負(fù)載，只需將兩組相同的多電平三相變換器按照“背靠背”方式連接就可實(shí)現(xiàn)。二極管箝位多電平變換器的特點(diǎn)如下。優(yōu)點(diǎn)：電平數(shù)越多，輸出電壓諧波含量越少；器件在基頻下工作，開關(guān)損耗小，效率高；可控制無功功率流；back -to -back 連接系統(tǒng)控制簡單。缺點(diǎn)：需要大量箝位二極管；用單個(gè)變換器難以控制有功功率流；存在電容電壓不平衡問題。1.2 級(jí)聯(lián)多電平變換器級(jí)聯(lián)型多電平變換器由若干個(gè)模塊單元串聯(lián)而成，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)大功率的輸出，而且與其他形式

6、的多電平變換器相比，其模塊化結(jié)構(gòu)易于集成和維護(hù)，因此在中高壓調(diào)速領(lǐng)域、交流柔性輸電系統(tǒng)等場合中具有廣泛的應(yīng)用前景。近幾年來，級(jí)聯(lián)型多電平變換器的發(fā)展非常迅速，其結(jié)構(gòu)形式也越來越多，每個(gè)模塊的輸入直流電壓從相同發(fā)展到不同，所選用的開關(guān)器件類型和得到的輸出電平數(shù)也由此發(fā)生了變化。輸出電壓的電平數(shù)越多，其諧波畸變率越小，但多電平變換器的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)會(huì)變得更加復(fù)雜，因此設(shè)計(jì)級(jí)聯(lián)型多電平變換器時(shí)需要遵循一些構(gòu)成原則，選擇合理的最大輸出電平數(shù)和相應(yīng)的電路拓?fù)洹Ａ硪环矫?，在已發(fā)表的級(jí)聯(lián)型多電平變換器當(dāng)中，它們的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均是獨(dú)立的，相互之間沒有關(guān)聯(lián)。事實(shí)上級(jí)聯(lián)型多電平變換器屬于積木式的結(jié)構(gòu)，因此在各種形式的

7、級(jí)聯(lián)型多電平變換器中必定存在一般性的構(gòu)成方式，而且根據(jù)這些構(gòu)成方式及構(gòu)成原則可以構(gòu)造出更多形式的級(jí)聯(lián)型多電平變換器。如果每個(gè)模塊單元的輸出電壓為voi，那么單相級(jí)聯(lián)型多電平變換器的輸出電壓為：voi=i=1Nvoi相應(yīng)的最大輸出電平數(shù)為：M=2vdc1i=1Nvdci+1圖示給出了三相級(jí)聯(lián)五電平逆變器結(jié)構(gòu)圖。由圖可見，它由兩個(gè)單相全橋電路級(jí)聯(lián)而成，每個(gè)獨(dú)立直流電源給一個(gè)單相全橋逆變器供電， 不同電平逆變器的交流電壓串聯(lián)起來。很顯然，這種電路不再需要前種電路中的大量箝位二極管，但需要多個(gè)獨(dú)立電源。具體來說，對(duì)這種類型的m電平三相電路，需要3(m -1)/2個(gè)獨(dú)立電源，6(m-1)個(gè)主開關(guān)器件，3

8、(m-1)個(gè)分壓電容。級(jí)聯(lián)式多電平變換器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下。優(yōu)點(diǎn)：電平數(shù)超多，輸出電壓諧波含量越少；器件在基頻下開通關(guān)斷，損耗小，效率高；無需箝位二極管和電容，易于封裝；基于低壓小容量變換器級(jí)聯(lián)的組成方式，技術(shù)成熟、易于模塊化；可采用軟開關(guān)技術(shù)，以避免笨重、耗能的阻容吸收電路；不存在電容電壓平衡問題。缺點(diǎn)：需多個(gè)獨(dú)立電源。1.3 飛躍電容型多電平變換器圖所示是一個(gè)三相五電平飛躍電容逆變器主電路結(jié)構(gòu)圖。由圖可見，與二極管箝位多電平變換器不同，這種電路采用的是飛跨在串聯(lián)開關(guān)器件之間的串聯(lián)電容進(jìn)行箝位的。值得一提的是該電路的電壓合成更為靈活，即對(duì)于相同的輸出電壓，可以由不同的開關(guān)狀態(tài)組合得到。這種開關(guān)組

9、合的可選擇性，為這種電路用于有功功率變換提供了可能性，但同時(shí)會(huì)帶來控制上的復(fù)雜性和器件開關(guān)頻率高于基頻的問題。對(duì)這種類型的m電平三相電路，需開關(guān)器件6(m-1)個(gè)，直流分壓電容3(m-1)個(gè)以及箝位電容3(m-l)(m-2)/2 個(gè)。飛跨電容多電平變換器的特點(diǎn)如下。優(yōu)點(diǎn)：電平數(shù)越多，輸出電壓諧波含量越少；器件在基頻下開通關(guān)斷，損耗小，效率高；可控?zé)o功和有功功率流，因而可用于高壓直流輸電；不同的開關(guān)組合，可得到電壓平衡。缺點(diǎn)：需大量的箝位電容；用于有功功率傳輸時(shí)，控制復(fù)雜，開關(guān)頻率高，開關(guān)損耗大；存在電容電壓不平衡問題。所以其相對(duì)于前兩種拓?fù)鋺?yīng)用較少。二、多電平變換器PWM 控制技術(shù)多電平脈寬調(diào)

10、制（PWM）控制技術(shù)是多電平變換器研究的關(guān)鍵核心技術(shù)。對(duì)于傳統(tǒng)兩電平變換器的PWM 控制而言，其方案有許多種，當(dāng)微處理器應(yīng)用于PWM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化以后，又有新的PWM 技術(shù)出現(xiàn)。從追求電壓波形的正弦，到電流波形的正弦，再到磁通的正弦，從效率最優(yōu)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最少，再到消除噪音等。目前，常用的兩電平PWM 算法有載波調(diào)制法、電壓空間矢量調(diào)制法、優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)調(diào)制法等。這些PWM控制思想也可推廣到多電平變換器的控制中。由于多電平變換器的PWM 控制方法是和其拓?fù)渚o密聯(lián)系的，不同的拓?fù)溆胁煌奶攸c(diǎn)，具有不同的性能要求。但歸納起來，多電平變換器PWM 技術(shù)主要對(duì)兩方面的目標(biāo)進(jìn)行控制：第一為輸出電壓的控制，

11、即變換器輸出的脈沖序列在伏秒意義上與參考電壓波形等效；第二為變換器本身運(yùn)行狀態(tài)的控制，包括電容的電壓平衡控制、輸出諧波控制、所有功率開關(guān)的輸出功率平衡控制、器件開關(guān)損耗控制等。多電平變換器的PWM 控制方法主要有：載波PWM 方法、空間電壓矢量(SVM)法和優(yōu)化PWM方法等。另一方面，載波調(diào)制法和空間矢量調(diào)制法在一定條件下又具有內(nèi)在的聯(lián)系和一致性。2.1多電平載波PWM 技術(shù)載波調(diào)制PWM控制技術(shù)是通過載波和調(diào)制波的比較，得到開關(guān)脈寬控制信號(hào)。多電平變換器載波PWM 控制策略，是兩電平載波SPWM 技術(shù)在多電平中的直接推廣應(yīng)用。由于多電平變換器需要多個(gè)載波，因此在調(diào)制生成多電平PWM 波時(shí)有兩

12、類基本方法：第一類方法，首先多個(gè)幅值相同的三角載波疊加，然后與同一個(gè)調(diào)制波比較，得到多電平PWM 波，即載波層疊法，這類方法可直接用于二極管箝位型多電平結(jié)構(gòu)的控制，對(duì)其它類型的多電平結(jié)構(gòu)也可適用；第二類方法，用多個(gè)分別移相、幅值相同的三角載波與調(diào)制波比較，生成PWM 波分別控制各組功率單元，然后再疊加，形成多電平PWM 波形，稱為載波移相法，一般用在級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)、電容箝位型結(jié)構(gòu)。同時(shí)，多電平載波PWM 方法還需要實(shí)現(xiàn)其它的控制目標(biāo)和性能指標(biāo)，如電容電壓的平衡、優(yōu)化輸出諧波、提高電壓利用率，開關(guān)管功率平衡等。解決途徑主要有以下兩方面。第一是在多載波上想辦法，即可以改變?nèi)禽d波之間的相位關(guān)系，如各載

13、波同相位、交替反相、正負(fù)反相、以及載波移相。第二是在調(diào)制波上加入相應(yīng)的零序分量。第三是對(duì)于某些特殊的結(jié)構(gòu)，如級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)、電容箝位型結(jié)構(gòu)、以及層疊式多單元結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)當(dāng)橋臂上輸出相同的電壓時(shí)，可以有多個(gè)不同的開關(guān)狀態(tài)組合對(duì)應(yīng)，不同的開關(guān)狀態(tài)組合對(duì)上述一些性能指標(biāo)的影響是不同的，選擇適當(dāng)?shù)拈_關(guān)狀態(tài)組合就可以實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。在載波層疊法中，根據(jù)三角載波之間相位關(guān)系的排列不同，可以有三種載波層疊PWM 方式：（1）同相層疊方式，即所有載波以相同的相位上下排列疊加；（2）正負(fù)反相層疊式，這種方法是使零值以上的載波相位和零值以下的載波相位相反；（3）交替反向?qū)盈B式，這種方式是指所有相鄰載波的相位都相反。載

14、波移相法和交替反相層疊的方式非常類似，圖(a)，（b），（c），（d）所示為四種調(diào)制方式的五電平載波PWM 示意圖。這四種載波PWM方法在輸出諧波方面有所不同。利用雙邊傅立葉分析，可以得出這四種載波方法的各次諧波的值，從而得出他們?cè)谥C波消除方面的優(yōu)劣。這里給出結(jié)論：（1）載波同相層疊方式（PD）的諧波性能最好，尤其是線電壓諧波性能。交替反向?qū)盈B式（APOD）次之，正負(fù)反相層疊式（POD）效果最差。（2）APOD 和PS 有相同的諧波性能，前提是在一個(gè)基波周期內(nèi)總的開關(guān)次數(shù)相同。（3）在PS 方式下，通過不連續(xù)的控制波與移相載波的比較，可以得到類似PD 方式的諧波性能。雖然通過一定的方式將控制波

15、分解，使得PS方式下獲得類似于PD 方式的諧波消除效果，但這顯然失去了PS 方式的模塊化的優(yōu)點(diǎn)。載波移相（PS）方式已經(jīng)成為H 橋多電平電路的標(biāo)準(zhǔn)PWM控制方法，與其它的PWM 控制方法相比，有以下的優(yōu)點(diǎn)：（1）在任何的調(diào)制比下（任何頻率下）保證相同的輸出電壓和開關(guān)頻率。而其它的載波方式在調(diào)制比降低時(shí)，會(huì)出現(xiàn)部分單元橋沒有PWM 電壓輸出，造成輸出電壓的開關(guān)頻率下降，使得輸出電壓的諧波含量增加。（2）單元橋之間沒有輸出功率不平衡的問題。因?yàn)樵赑S 方式下，各級(jí)之間的輸出電壓的PWM波形基本一致。而其他方式則會(huì)出現(xiàn)不一致，使得不同級(jí)層的單元橋的功率不同。（3）與主電路的模塊化結(jié)構(gòu)相一致，PS 載

16、波比較PWM方式中針對(duì)各個(gè)單元的載波和調(diào)制波也呈現(xiàn)模塊化的結(jié)構(gòu)。（4）對(duì)于同樣的載波頻率，PS 方式的輸出電壓的頻率是載波頻率的N 倍（N 為串聯(lián)單元數(shù)，當(dāng)載波移相等于2/N）。對(duì)于無中線的三相對(duì)稱系統(tǒng)，在三相電壓中加入三的倍數(shù)次諧波時(shí)，不會(huì)影響負(fù)載電壓波形?；诖耍谡艺{(diào)制波中加入不同的零序分量可以實(shí)現(xiàn)載波調(diào)制的優(yōu)化控制。優(yōu)化目標(biāo)主要包括考慮中點(diǎn)電壓平衡的優(yōu)化、以提高電壓利用率為目標(biāo)的優(yōu)化、降低開關(guān)損耗的優(yōu)化等。以二極管箝位型結(jié)構(gòu)、電容箝位型結(jié)構(gòu)、以及層疊式多單元結(jié)構(gòu)為例，由于開關(guān)特性的非理想性、負(fù)載波動(dòng)以及電容參數(shù)的偏差，某一時(shí)刻逆變器輸出的電流大小和方向會(huì)影響與之相關(guān)的電容電壓的大小，

17、因此需考慮箝位電容電壓平衡的控制問題。這樣，在三相正弦調(diào)制波中疊加零序分量，不影響輸出的線電壓大小，且可以控制相應(yīng)電容的充放電狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電容電壓的平衡控制。在兩電平PWM 當(dāng)中，還有特定諧波優(yōu)化PWM、電流滯環(huán)PWM 等基于另外一種思路的優(yōu)化PWM 方法。對(duì)于多電平變換器，也可以采用優(yōu)化PWM 技術(shù)，如特定諧波消去PWM 方法、多級(jí)電流滯環(huán)的方法，這其中以特定諧波消去法較常用。多電平特定諧波消去法（SHEPWM）是以優(yōu)化輸出諧波為目標(biāo)的優(yōu)化PWM 方法，和兩電平特定諧波消去法類似，它也是通過在預(yù)先確定的時(shí)刻實(shí)現(xiàn)特定開關(guān)的切換，從而產(chǎn)生預(yù)期的最優(yōu)SPWM控制，以消除選定的低頻次諧波。是一種基于傅

18、立葉級(jí)數(shù)分解、計(jì)算得到開關(guān)時(shí)刻的PWM 方法。為了消除偶次諧波，同時(shí)考慮消除諧波中的余弦項(xiàng)以簡化計(jì)算，一般采用1/4 周期對(duì)稱波形，當(dāng)選擇幾個(gè)特定的開關(guān)切換角時(shí)，就可以得到一個(gè)輸出波周期的PWM 脈沖序列。然后通過離線的數(shù)值解法計(jì)算得到各個(gè)頻率的開關(guān)切換時(shí)間，最終通過查詢表格的方法來數(shù)字實(shí)現(xiàn)。2.2多電平空間矢量PWM 技術(shù)空間電壓矢量（SVPWM）法和載波調(diào)制等方法不同，它是從電動(dòng)機(jī)的角度出發(fā)的，以三相對(duì)稱正弦電壓供電時(shí)交流電動(dòng)機(jī)的理想磁通圓為基準(zhǔn)，用逆變器不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)圓磁通，由它們比較的結(jié)果決定逆變器的開關(guān)，形成PWM 波形。由于它把逆變器和電機(jī)看成一個(gè)整體來處理

19、，便于微機(jī)實(shí)時(shí)控制，并具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，噪音低，電壓利用高的優(yōu)點(diǎn)，因此目前無論在開環(huán)控制系統(tǒng)還是閉環(huán)控制系統(tǒng)中均得到廣泛應(yīng)用。多電平變換器的輸出三相電壓中包含非零序分量和零序分量。通常情況下零序分量對(duì)負(fù)載的運(yùn)行性能沒有影響，但是輸出的零序分量不同時(shí)，逆變器輸出的開關(guān)狀態(tài)也不同，從而影響了多電平電路的運(yùn)行狀態(tài)和優(yōu)化性能。針對(duì)上述特點(diǎn)，可以將多電平變換器的PWM控制從目標(biāo)上分為兩個(gè)部分，一是輸出電壓的非零序分量控制，其目的是使輸出的PWM 脈沖在伏秒平均意義上和給定的參考電壓一致。另一個(gè)則是對(duì)零序分量的控制，用來實(shí)現(xiàn)逆變器本身的運(yùn)行狀態(tài)控制，以及其它性能指標(biāo)的優(yōu)化控制。輸出電壓的控制是對(duì)PWM 算法

20、的基本要求，也是多電平變換器和兩電平變換器的相同之處。相比之下，零序電壓的控制具體情況多種多樣，并且在兩電平PWM 控制中并無廣泛使用，因此是一個(gè)相對(duì)較新的概念。2.3多電平SVPWM和載波PWM的統(tǒng)一對(duì)多電平載波PWM方法和空間矢量PWM方法的研究可以看出，這兩類方法的思路和出發(fā)點(diǎn)不同，但最終都能實(shí)現(xiàn)很好的控制效果。由于這兩種方法都是基于一個(gè)采樣周期內(nèi)的電壓積分等效的思路，其控制本質(zhì)是相同的。經(jīng)過分析可以看到，二者可以得到嚴(yán)格的統(tǒng)一，而統(tǒng)一的橋梁正是零序電壓。空間矢量方法的PWM波形也可以通過載波調(diào)制的方法得到，其對(duì)應(yīng)的調(diào)制波有特定的數(shù)學(xué)形式，其調(diào)制波的形式主要取決于空間矢量PWM的零序電壓

21、分量。兩電平PWM的空間矢量方法向載波調(diào)制方法的統(tǒng)一，已經(jīng)為很多文獻(xiàn)所提及， 并得到了具體的證明。對(duì)于載波PWM方法，其調(diào)制波為三相正弦波， 當(dāng)疊加適當(dāng)?shù)娜嗔阈螂妷悍至?，就可以得到等效的空間矢量PWM輸出。借鑒兩電平的結(jié)論，三電平空間矢量PWM也可以統(tǒng)一到載波調(diào)制方法當(dāng)中。但是將三電平載波調(diào)制和空間矢間PWM聯(lián)系在一起的零序電壓與兩電平里的結(jié)論不盡相同。采用60°坐標(biāo)變換方法，載波比較采用PD方式，可以得到三電平空間矢量和載波調(diào)制PWM之間的一般性的數(shù)學(xué)描述。多電平空間矢量PWM的載波調(diào)制形式，主要取決于其對(duì)應(yīng)的零序電壓分量。因此可以由空間矢量方法中零序電壓的一般表達(dá)式來得到調(diào)制波

22、的形式，如前文線電壓變換的多電平SVPWM思路。進(jìn)一步就可以得到對(duì)任意電平數(shù)都有效的空間矢量PWM的一般性載波調(diào)制形式。三、多電平技術(shù)在電力牽引系統(tǒng)中的應(yīng)用多電平變換器具有輸出波形THD值小、器件電壓應(yīng)力低和系統(tǒng)EMI低等優(yōu)點(diǎn)而受到人們的青睞。其應(yīng)用領(lǐng)域也是從最初的DC-AC變換，如大功率電力機(jī)車電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)；拓展到AC-DC變換，如電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償、有源濾波；AC-DC-AC變換，如電力系統(tǒng)統(tǒng)一潮流控制器；再到DC-DC變換，如多電平PFC、高壓大功率直流變換等。柔性交流輸電、高壓直流輸電和高壓大型電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速是目前多電平變換器應(yīng)用的主要領(lǐng)域。此外多電平變換器在UPS、新能源等領(lǐng)域也有所應(yīng)

23、用。3.1同相供電系統(tǒng)傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)存在著以負(fù)序、無功和諧波為主的電能質(zhì)量問題以及機(jī)車過電分相問題，極大地限制了其在高速、重載鐵路方面的發(fā)展。為了解決這些技術(shù)難題，提出了基于綜合潮流控制器的同相供電系統(tǒng)方案。與傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)相比，同相供電可取消過分相裝置；補(bǔ)償負(fù)載無功和諧波，提高電能質(zhì)量；補(bǔ)償兩臂有功電流差，解決不平衡問題；平衡牽引變兩臂負(fù)荷，有效提高運(yùn)能。在此基礎(chǔ)上分別提出了各種接線形式下的基于綜合潮流控制器的同相供電方案，但其中潮流控制器普遍釆用兩電平電壓源變換器，根本無法滿足實(shí)際牽引負(fù)荷高電壓、大容量的需求。為了適應(yīng)高壓大容量牽引供電要求，降低開關(guān)器件應(yīng)力，降低器件開關(guān)頻率，減小器件

24、開關(guān)損耗和輸出電壓值，該潮流控制器基于二極管箝位五電平結(jié)構(gòu)。五電平PFC結(jié)構(gòu)如圖所示，它由“背靠背”的二極管箝位五電平結(jié)構(gòu)四象限電壓源型變流器組成，其中兩端口變流器通過四個(gè)直流電容耦合在一起。針對(duì)五電平PFC傳遞有功時(shí)造成的直流側(cè)電容不平衡問題，采用了基于單級(jí)電容的輔助穩(wěn)壓電路，如下圖所示。這里需要注意的是：同相模式下是單臂供電，假設(shè)相為供電臂；異相模式時(shí)為正常供電方式下的雙臂供電，即、兩臂同時(shí)為機(jī)車供電。與傳統(tǒng)兩電平變流器相比，二極管箱位五電平變流器主要有以下幾個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：（1）每一個(gè)功率器件所承受的關(guān)斷電壓僅為直流側(cè)電壓的四分之一。這樣在相同的情況下，直流電壓可以提高4倍，容量也可以提高4

25、倍；（2）在同樣的開關(guān)頻率及控制方式下，五電平變流器輸出電壓或電流的諧波大大小于兩電平變流器，因此它的總諧波失真THD也要遠(yuǎn)小于兩電平變流器；（3）由于變流器輸出電壓有9個(gè)電平，所以輸出電壓更接近正弦，諧波含量更小，可以降低開關(guān)器件頻率，減小開關(guān)損耗。3.2動(dòng)車組三電平牽引變流器交流傳動(dòng)是我國鐵道牽引動(dòng)力發(fā)展的一個(gè)重要方向， 交一直一交變流器包括四象限整流器環(huán)節(jié)、中間直流環(huán)節(jié)和三相逆變器環(huán)節(jié)。交一直一交型動(dòng)車組系統(tǒng)的原理是:先將從接觸網(wǎng)獲得的單相交流高電壓經(jīng)變壓器降壓后，再經(jīng)整流器變換為平穩(wěn)的直流電壓，直流電壓經(jīng)逆變器變換為三相交流電壓，供給機(jī)車輪對(duì)上的牽引電機(jī)。脈沖整流器作為動(dòng)車組的電源側(cè)變

26、流器，是整個(gè)交流異步電機(jī)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分。它的結(jié)構(gòu)形式及控制方式，對(duì)于提高電網(wǎng)功率因數(shù)、降低電網(wǎng)電流諧波含量、穩(wěn)定中間直流回路電壓以及保證電機(jī)側(cè)電壓型逆變器的正常工作有著決定性的影響。PWM整流器在幾乎不增加任何硬件的情況下就可獲得高功率因數(shù)，低諧波污染以及能量的雙向流動(dòng)。而在需要再生制動(dòng)的交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置中，可以采用電壓型雙PWM變頻電路。電壓型PWM逆變電路在變頻調(diào)速中己經(jīng)獲得了非常廣泛的應(yīng)用，這種電路的直流電源通常是由帶電容濾波的二極管整流電路獲得的。把二極管整流電路用整流電路取代，就構(gòu)成雙PWM變頻電路。與采用二極管整流電路的變頻電路相比，雙變頻電路有以下突出的優(yōu)點(diǎn)：（1）可以方便地實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)牽引工況、再生制動(dòng)工況之間的快速平滑轉(zhuǎn)換，滿足機(jī)車牽引和制動(dòng)要求。這樣既節(jié)省了用來吸收回饋能量的笨重電阻負(fù)載，又能把能量回饋到電網(wǎng)，提高了能量利用率；（2）當(dāng)整流電路運(yùn)行在整流狀