大功率四象限整流器的并联运行

李学亮，赵　涵，吴晓威，张雅琨，孟　莉

（永济新时速电机电器有限责任公司，永济　044500）

摘　要：四象限整流器的应用可以降低电力电子设备对电网产生的谐波污染。在大功率交流电力机车牵引传动系统中，常采用两组单相整流单元并联的结构，降低因功率等级、散热等的限制。本文介绍了单相整流电路的工作原理，分析了四象限整流的控制算法、锁相环、并联运行、PR控制器等关键技术，在CRH5型动车组变流器上进行了实验验证。试验结果表明，本方法可以满足大功率场合的并联应用。

关键词：铁路运输；四象限整流；并联运行；锁相环；PR控制器

四象限整流器有诸多优点，其不仅可以使网侧基波功率因数达到1，有效提高电能利用率，而且可以显著提高电网运行质量和经济效益，并减轻对环境的电磁干扰；同时整流电路还具有稳压功能，当负载和网压变化时，能维持直流电压恒定，有效改善逆变电路的工作条件。与传统的不控整流和相控整流相比，PWM整流电路还具有能量双象限传输特性，可实现再生制动，节省能耗等优点。特别是在诸如机车、动车等的大功率应用场合，其优势更为突出，而且在这些场合因功率等级的限制，多采用并联结构，以进一步降低对电网的谐波污染。

1　单相整流电路工作原理

单相电压型PWM整流电路拓扑结构如图1所示。图1中电感L为升压电感，起平衡电路电压、支撑无功功率、储存能量和滤除谐波电流的作用。为了分析方便，只考虑交流侧基波分量而忽略PWM谐波分量，且不考虑交流侧电阻，则稳态条件下交流侧矢量关系如图2[1]所示。当以电网电动势矢量为参考时，通过控制整流器输入端电压u即可实现PWM整流器的四象限运行。

从图2可以看出：①电压矢量u端点在圆轨迹AB上运动时，PWM整流电路运行于整流状态。此时，PWM整流电路需从电网吸收有功功率及感性无功功率。②电压矢量u端点在圆轨迹BC上运动时，PWM整流电路运行于整流状态。此时，PWM整流电路需从电网吸收有功功率及容性无功功率。③电压矢量u端点在圆轨迹CD上运动时，PWM整流电路运行于有源逆变状态。此时，PWM整流电路向电网传输有功功率及容性无功功率。④电压矢量u端点在圆轨迹DA上运动时，PWM整流电路运行于有源逆变状态。此时，PWM整流电路向电网传输有功功率及感性无功功率。其中，当PWM整流电路运行在B点和D点时，可实现单位功率因数整流和有源逆变运行。整流器输入端电压u中除了含有与电网同频率的基波分量外，不含低次谐波成分，但含有与开关频率有关的高次谐波。由于L的滤波作用，这些高次谐波电压只会使交流电流iN产生很小的脉动。如果忽略这种脉动，iN为频率与电网同频率的正弦波。

作者简介：李学亮，工程师。

2　四象限整流的关键技术

2.1　四象限整流控制算法

四象限整流控制主要有两个目标：一是控制直流母线电压为给定值，二是控制网侧电流波形正弦，功率因数接近1。采用矢量控制技术，即双闭环的控制策略，外环为电压控制环，对直流母线电压进行控制；内环为电流控制环，对交流侧电流进行控制。其控制原理如图3所示。

2.2　锁相环

电压矢量分解如图4所示，实轴上的电压v1可以表示为两个空间电压旋转矢量和的矢量和，这样电压标量v1就可以看作沿实轴变化的电压矢量。以电网电压相位估计值作为同步旋转坐标系d轴的空间位置角，对电网电压v1作旋转坐标变换，即向d轴和q轴投影，相当于2个旋转矢量分量分别向d轴和q轴投影。其中，旋转矢量投影为直流分量，旋转矢量投影为二倍工频分量。锁相环稳定后，电压在旋转坐标系下投影为：

其中，δ1为相位估计误差。当相位估计准确时的直流分量为零，与常规的三相系统锁相环原理相同，利用该分量进行闭环调节控制。与三相系统不同之处在于需要消除二倍工频分量的影响。由此得到锁相环的控制原理框图如图5所示。

2.3　PR控制器

由于在单相整流电路中，交流侧电流是50Hz工频量，传统的PI调节器控制的电流将有幅值和相位误差，不能对其进行无静差跟踪，因此在单相整流电路中应用较少。故采用引入谐振频率为50Hz的PR调节器作为电流控制器，即

具有50Hz谐振极点的二阶离散控制器的一般形式为：

式中，KP，i和KR，i是电流PR调节器的比例和谐振系数；ω1为谐振调节器的谐振角频率，ω1=2π×50rad/s。

2.4　载波移相及倍频调制

CRH5型动车组的整流单元为2个相同的四象限脉冲整流器单元并联构成，这样可以加入载波移相的控制策略实现多重化控制，以进一步提高网侧谐波品质。将两个四象限脉冲整流器单元的载波设置为频率相同，相位差90°。两个脉冲整流器单元交流侧电流纹波波形有一定的交错，使得变压器原边侧得到的电流纹波幅值减小，进一步地提高了变压器网侧谐波品质。倍频调制技术是指在一个载波周期中，每个桥臂器件开关动作一次，但是整流桥交流侧电压会产生两个脉冲，在一个载波周期中采样并计算2次，相当于实际控制输出的脉冲频率加倍了，这样有利于减小电流纹波。

3　实验验证

实验平台采用CRH5型动车组牵引变流器，整流侧采用两个单相整流单元并联，两个整流单元分别从10kV/1770V牵引变压器的副边取电，直流母线为3600V，其后是两个逆变单元，分别带一台牵引电机YJ87B，牵引电机通过传动比为2.22的齿轮箱与1600kW变频调速异步电机连接；牵引电机采用转矩控制实现加减载，1600kW异步电机采用转速闭环控制，实现速度给定。图6为给定转速1000r/min，单台YJ87B电机运行，工作于牵引状态，给定转矩5200NM，电机功率约560kW时的两个并联运行的整流单元波形，图中波形从上到下分别为整流单元A输入电压、直流母线电压、整流单元A输入电流和整流单元B输入电流。图7为给定转速1000r/min，单台YJ87B电机运行，工作于制动状态，给定转矩3400NM，电机功率约365kW时的两个并联运行的整流单元波形，图中波形从上到下分别为整流单元A输入电压、直流母线电压、整流单元A输入电流和整流单元B输入电流。负载满功率稳定运行于牵引与制动两种工况时直流母线电压二次脉动峰峰值波动约为150V。

4　结论

从实验结果可知，本方法基本可以满足大功率并联运行的条件，但依然需要不断提高对直流母线电压二次脉动的抑制，提高母线电压在负载突变时的抗扰特性和整流启动时的直流电压的超调特性。

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