2022年采用三电平电压型PWM整流器的地铁牵引供电系统 .pdf

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1、2007年7 月电 工 技 术 学 报Vol.22 No.7 第 22 卷第 7 期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jul. 2007 采用三电平电压型PWM 整流器的地铁牵引供电系统沈茂盛刘志刚张钢刁利军（北京交通大学电气工程学院北京 100044 ）摘要提出了一种基于三电平电压型PWM 整流器的新型地铁牵引供电系统（1500VDC ） ，具有节能效果好、功率因数高、谐波含量小等优点，且易于采用模块化和冗余设计。论文重点介绍了变流系统的主电路拓扑、并联控制策略和三电平整流器控制策略,最后给出仿真及实验结果。关键词： 三电平 PWM

2、 整流器牵引供电系统并联控制错时矢量调制中图分类号：TM464 Traction Power Supply System in Subway Adopting Three-Level Voltage Source PWM Rectifier Shen Maosheng Liu Zhigang Zhang Gang Diao Lijun （Beijing Jiaotong University Beijing 100044 China）Abstract The paper proposes a novel subway traction power supply system（DC 1500V

3、） based on three-level voltage source PWM rectifier. It has many merits, such as energy saving, high power factor, low harmonic current, easy modularization and easy redundancy design. The paper mainly introduces the circuit topology, parallel control scheme, and three-level rectifier control scheme

4、. At the end, simulation and experimental results are presented.Keywords ：Three-level PWM rectifier, traction power supply system, parallel control, ISVM 1 引言目前，城市轨道交通主要采用750V 和 1500V直流供电制式。整流方式一般采用12 脉波或 24 脉波二极管整流，存在着直流电压不可控、电压波动大、对电网谐波污染严重等缺点。此外，地铁列车具有特殊的运行工况：频繁的快速起动和快速制动，快速起动时，需要的牵引功率大，电压迅速跌落；再生

5、制动时，列车再生制动能量只能回馈到直流电网侧，通过制动电阻消耗掉，造成直流电压波动和再生制动能量的极大浪费。因此，研究具有高功率因数、低谐波含量，直流电压稳定且具有节能作用的新型城市轨道交通牵引供电系统是大势所趋。本文主要研究1500V 直流输出的城市轨道交通牵引供电系统，由于输出直流电压高，难于用两电平 PWM 整流器来实现。因此，本文提出了一种基于三电平电压型PWM 整流器的1500V 地铁牵引供电系统的主电路拓扑及其控制策略。通过对三电平PWM整流器的控制，可以实现高功率因数、低谐波含量以及高稳定直流电压的要求。同时，系统可实现能量的双向流动，正常情况下，PWM 整流器运行于整流状态，能

6、量从交流侧往直流侧传递，输出稳定的直流电压；当列车再生制动时，若制动能量大，直流电压升高到设定值时，PMW 整流器运行于逆变状态，把能量回馈到交流电网，从而节约了大量能源。2牵引供电系统的主电路拓扑结构本文采用二极管钳位型三电平电压型PWM 整流器1的主电路如图1 所示。该电路易于控制，且主开关器件仅承受一半的母线直流电压，得到广泛的应用研究。图 2 给出 1500V 牵引供电系统的部分原理示意图，虚框内是本文提出的采用三电平PWM 整流器模块构成的组合式牵引供电系统整流部分主电路拓国家科技支撑重点基金项目（2006BAG02B00 ）。收稿日期 2007 - 06- 10 改稿日期 2007

7、 - 07- 08 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - - - - - - - - 第 22 卷第 7 期沈茂盛 等采用三电平电压型PWM 整流器的地铁牵引供电系统 75 扑结构原理。采用双变压器和整流模块并联的方式是基于冗余设计及现场特殊的应用要求，当一台变压器（或某个三电平整流模块）故障或定期检修时，系统也能继续运行。采用此结构，可以解决模块间的零序环流问题2-3，此外， 变压器二次侧连接方式相同，系统控制可以采用错时矢量调制技术，减小交流

8、电流谐波。图 1 三电平PWM 整流器Fig.1 Three-level PWM rectifier 图 2 牵引供电系统结构图Fig.2 The scheme of traction power supply system3三电平模块并联控制策略3.1 电流源控制策略每个供电站采用4 个三电平整流模块并联运行，如果各个模块都采用双环控制，则它们将等效为多个电压源并联，电路参数的微小差异可能导致输出电流的严重不均。因此，本文各模块共用一个电压外环，并将电压外环输出值的1/N（N 为并联模块数）作为各整流模块电流内环的给定值，则各变流器将等效为电流源并联，电流源并联的最大好处在于易于均流控制，对

9、电路参数的变化不敏感，系统鲁棒性强。图3 为所述组合式变流器并联控制策略。3.2 错时矢量调制（ISVM ）技术对于有多个整流器单元的组合式变流系统，如果各整流单元采用相同的调制波，但三角载波依次错开 1/N 个载波周期，则它们的输出电压（电流）经过变压器或电抗叠加后，部分高频分量相互抵消，最终可以得到谐波含量非常小的输出电压（电流）波形。图 3 组合式系统并联控制策略Fig.3 Parallel control scheme of interleaved converter在 SVPWM 中，时间载波（图4 中定时器）取代了 SPWM 调制中的三角载波。将各模块的调制周期 Ts彼此错开相同的

10、时间Ts/4，从而使各模块部分交流谐波能相互抵消，最终减小总交流电流谐波含量的一种矢量调制技术就是错时矢量调制（ISVM ）技术5。具体的实现方法如图4 所示。以电网电压过零点作为参考（通过PLL 锁相），4 个整流模块矢量调制周期依次错开Ts/4，而各模块仍然按照矢量调制方法进行控制。虽然电网电压过零点的检测存在一定延迟，但对于各模块而言延迟相同，因此不会对 ISVM 产生影响。 ISVM 技术的基础是矢量调制技术，同时它依靠多个模块间相互配合来减小系统总的电流谐波，并联模块数越多，效果越好。图 4 错时矢量调制的实现Fig.4 Implementation of interleaved S

11、VPWM 4三电平整流模块等效电路及控制策略对于三电平整流模块本文采用SVPWM 调制方式，从三电平整流模块主路可知，整流器的每相输出有三种状态： P、0、N，总共有 27 种开关状态1，如图 5所示。通过对这 27种开关状态进行矢量组合，可 以 在 交 流 侧 得 到 输 出 频 率 和 幅 值 任 意 可 调 的SVPWM 波。图 6a 为 三电 平 整 流模块 单 相 等效电 路原 理图1，忽略线路等效电阻，实现单位功率因数运行的电压相量图如图7b、图 7c 所示，图 7b 为整流工况电压相量图， 图 7c 为逆变工况电压相量图。其在名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - -

12、- - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - 76 电工 技术 学报 2007年 7 月图 5 空间电压矢量图Fig.5 Voltage space vector diagram 图 6 单相等效电路图及电压矢量图Fig.6 Per-phase fundamental equivalent circuit and voltage phasor diagram 同步旋转d-q 坐标系数学模型为dqddcdqdqdcqdcd dq qloadddddd33d22iLLieUStiLL

13、ieUStUCS iS iit?=+-?= -+?=+-?（1）式中Sd, Sq d-q 坐标系中的开关函数ed, eq电网电压d,q 轴分量id, iq电网电流d,q 轴分量定位 d 轴与电网电压矢量同轴，则eq=0，分别控制 id, iq就可以实现对有功和无功的控制。图 7 为本 文 采 用 的 基 于 同 步 旋 转 坐 标 系 的 双 环 控 制 结构4，电压外环控制直流电压稳定，电流内环实现单位功率控制。图 7 基于同步d-q 坐标系的矢量控制策略Fig.7 Typical control scheme based on synchronous d-q frame5仿真及实验为了验证

14、本文提出牵引供电系统的可行性，本文进行了Matlab 系统仿真和小功率模拟试验。仿真模型电路拓扑如图2 所示，其中电网电压为10kV ，变压器连接方式为Y/，二次电压为690V，直流输出电压1500V，并联模块数N=4，交流侧滤波电感 L 为 300 H，直流侧滤波电容为33000 F，开关频率 1kHz，仿真波形如图8 所示。图8a 为三电平整流模块交流相电压波形，图 8b 为电网侧交流电压和电流波形，可以在整流和逆变工况之间自由转化，实现单位功率因数运行；图8c 为直流侧电压波形。图 8 电压和电流仿真波形Fig.8 Simulational waveforms of voltage an

15、d current图 9a 给出了 SPWM 调制方式（ 1kHz ）下输入电流总谐波分析图。 图 9b 是采用 ISVM 技术后输入电流总谐波分析图，电流低次谐波主要集中在4fs附近，从而使系统具有4fs的等效开关频率。图 9 电流总谐波含量分析图Fig.9 The Spectrum of harmonic current此外，为了验证控制策略，搭建了单模块小功率试验系统，功率2kW，直流侧电压150V ，交流电压 60V，滤波电感3mH，滤波电容3000 F，开名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 -

16、 - - - - - - 第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - 第 22 卷第 7 期沈茂盛 等采用三电平电压型PWM 整流器的地铁牵引供电系统 77 关频率 10kHz，试验波形如图10 所示。图 10a为相电压波形，图10b 为线电压波形，图10c 为稳态时直流电压波形，图10d 是交流侧电网电压和电流波形。从试验波形可知，系统可以实现单位功率因数运行，直流电压稳定，电流谐波含量小，本文提出的控制策略可行。图 10 整流工况的电压电流波形Fig.10 Rectifier mode of experimental waveforms6结论三电平 PWM 整流器适用于高电

17、压、大功率应用场合，仿真及实验结果表明，本文提出的基于三电平电压型PWM 整流器的地铁牵引供电系统主电路拓扑、系统控制策略是切实可行的。不仅可以实现高功率因数运行、能量双向流动，节约大量能源，同时，采用 ISVM 技术可以使系统获得N 倍开关频率的等效开关频率，系统交流侧电流谐波含量大大减小。参考文献1 Guk C, Gu H Jung. et al. Analysis and controller design of static var compensator using three-level GTO inverterJ. IEEE Transactions on Power Elect

18、ron, 1996, 11(1): 57-65. 2 Kun Xing. Interleaved PWM with discontinuous space-vector modulationJ. IEEE Transactions on Power Electron, 1999, 14(5): 906-917. 3 Neacsu D O et al. Limiting interconverter zero- sequence currents within 3-phase multi-converter power systems-review and ultimate solutionC.

19、 Industrial Electronics Society 2001, IECON 01. The 27th Annual Conference of the IEEE, 2001: 1255-1261. 4 伍小杰 , 等 . 三相电压型PWM整流器控制技术综述 J. 电工技术学报, 2005, 20(12):7-12. Wu Xiaojie, et al. A control technical summary of three-hase voltage-source PWM rectifiersJ. Trans actions of China Electrotechnical So

20、ciety, 2005, 20(12): 7-12. 5 李建林 , 等 . 一种新型的组合变流器错时采样空间矢 量 调 制 技 术 分 析 J. 中 国 电 机 工 程 学 报 , 2004, 24(1): 142-146. Li Jranlin, et al. Analysis on a novel multi-modular converter with sample time staggered SVM techniqueJ. Proceedings of the CSEE, 2004, 24(1): 142-146. 作者简介沈茂盛男， 1976 年生，博士研究生，讲师，主要从事电力电子及电力传动方面的研究工作。刘志刚男， 1961 年生，教授，博士生导师，主要从事电力电子、电力传动、牵引供电、风力发电及计算机网络控制等方面的研究和教学工作。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 4 页 - - - - - - - - -