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牵引变电所中用于负荷平衡的非变压式补偿器摘 要迄今牵引变电站的大多数基于变频器的功率调节方案中都包含一对既昂贵又笨重的升压变压器。在本文中提出的用于平衡牵引供电臂负荷的是一种非变压式补偿器。这种新的补偿器采用基于三级多个三极转换器IGBT相组成的中性点连接方式。IGBT的动态电压平衡是通过由一个斜率调节和峰值逼近方式来进行的。并且专门为这种转换器设计虚拟三相控制策略使得该补偿器能够提供双向有功功率，以及为每个供应臂提供无功功率同时保持直流母线电压的恒定。动态电压平衡和功率调节的仿真波形实验结果验证了这种新型的非变压式补偿方式。关键字：铁路系统功率调节装置；中性点连接转换器；串联IGBT；动态电压平衡I.引言在电气化铁路系统中，电力机车被视为单相牵引变压器供电的单相负荷。同时电气化列车被视为一种冲击负荷，所以在不同的时间段、不同的速度、列车的不同负载条件下两个供电臂承担的负荷不平衡。因此，流入电网的负序列电流将邻近风力涡轮机、发电机和继电保护装置产生意想不到的影响。传统的补偿器不能解决这类问题，因为它们不能提供有功功率并且不能够调整其过度补偿的无功功率而使之平滑、灵活。在 1 4 中提及到的一些铁路系统有功功率调节器（RPC）是用来平衡一台牵引变压器的两个馈线的负载。所有这些RPC包含两个背靠背式的单相转换器。为了连接到牵引变压器的馈线侧，他们需要一副全容量单相升压变压器。这使得它们体积庞大，成本高昂，并降低了它们的性价比。实际上，随着高压转换器的发展，通过直接将转换器连接到牵引变压器是一个合理的想法，本文提出了一种用于牵引变电所中的非变压式补偿器。它采用一种基于串联IGBT高压中性点NPC三级变换器。为了适应这新型拓扑结构，还需要采用一种虚拟的三相控制策略。这样我们就能看到，这个新型的补偿器可以实现RPC的所有功能，如负载平衡和功率因数校正等。图1 用于牵引变电所中的非变压式补偿器原理图II.非变压式补偿变换器A.基于串联IGBT的NPC转换器图1所示是在具有两个供电臂和，以及负载电流通过轨道返回的牵引变电所中的一个非变压式补偿器原理图。这个补偿器是一个三桥臂的具有接口电抗器的NPC转换器。在NPC转换器中的每个开关器件是一个IGBT的一个延展而不是一个单一的设备。从而，以使这种新型补偿器的经济性分析是非常有必要的。如果牵引变压器二次侧电压的是等于U,那么在两相之间的电压为2U。并且如果和相的补偿电流等于I，那么通过N相的电流将不超过2IC。从三相中性点来看，该转换器的等效容量为2（1 +2）UI /3。换句话说，新型补偿器是由一定数量的功率半导体器件组成的。众所周知，一个RPC变流器容量相当于4UI /3。这样就导致一个新型补偿器比一个RPC变换器所需要的IGBT20.7% 。然而，这些附加功率半导体的成本和体积在一定意义上低于两个100%容量的升压变压器的。这对于补偿器设计师和客户绝对是具有相当大的吸引力。B.IGBT拓展元件的动态电压平衡由于这种转换器采用IGBT拓展元件，所以我们就必须考虑到动态电压平衡的相关问题问题。我们在这一领域中也做了大量的研究，并提出了一种实用的方法斜率调节及峰值逼近方式，通过这种方法可以使IGBT拓展元件中的每个子元件的电压相等。图2 动态电压平衡电路示意图在图2所示的电路原理图中，T是IGBT拓展元件中的一个子元件，电阻R1和电容器C1作为斜率调节元件，电阻R3和二极管Z1= Zn组成一个集成元件。当集电极-发射极之间存在一个超调电压T，即刻就有一个反馈电流IFB将由集电极通过两条支路而进入其门j极，从而引起栅极电压迅速的上升，在此同时抑制集电极-发射极电压的增加。有了这种方法，串联连接的设备数量也就没有了限制。因此，就如图1中所描述的，可以通过线路连接不超过四十个1.7kv IGBT 的方法来构造一个27.52kV的三级电平变换器并将它作为一个切换阀。图3 IGBT拓展元件的高压试验装置(a)(b)图4 两个IGBT的调节开关波形如图3所示，为了验证动态电压平衡方法，除此之外，我们开发了的电路板并高压试验装置进行了相关实验。我们已经完成了由二十八个1.7kv/800a设备串联而成的IGBT拓展元件动态电压平衡试验。图4（a）和（b）表示了在有无动态电压控制情况下对某个特定的IGBT拓展元件的电压波形。在图4（a），有两条曲线，vce1和vce2，两极分开。而在图4（b）中，它们所证明的几乎与动态电压平衡方法的有效性相同。III.控制策略A.数学模型由于牵引供电系统是一种单相系统，一种普遍的的理解就是，采用一个三极转换器作为补偿装置是不方便的。不过,本文针对处理这种情况提出了一种特殊的方法-运用一种虚拟三相系统来模拟牵引动力系统及其补偿器。假如和牵引变压器的两个供电臂，将N或钢轨作为其共用线，这样就可以认定,和N三相，并且系统有一个假想的中性点O，系统和补偿器的三个虚拟相电压可以分别定义为(UsO, UsO, UsNo) and (UmO, UmO, UmNo)。因此，补偿电流 (Im, Im, ImN)为三桥臂电流虚拟三相系统即遵循以下方程：在UsO, UsO, UsNO是根据正弦和理想的状态。(1)与电压的关系，为下一以下的电压方程式是成立的：这就和在三相系统中相电压和线电压之间的关系相类似。此外，(Uso, Uso, UsNo)，(Umo, Umo, UmNo)和(Im, Im, ImN)就可以复合成三维空间矢量Us，Um和Im，如果忽略功率损耗并且定义接口电抗器为L，该补偿器的数学模型就可以简单的写为：B.控制策略就式(3)中的矢量来看，他们的旋转轨迹是不恒定的圆形并且角速度不是常熟。除此之外，传统的空间矢量调制算法仍然是适用于Um。因此，对于由(1)-(3)描述的虚拟的三相系统，这样达到运行与控制的目标就显得比较容易。图5 直流控制图 通常情况下，如果要用一个补偿器保持直流母线电压为定值，使得两个供电臂的有功负载平衡并且能够独立的为每边补偿无功功率。类似于在 1 - 4 中提到的背靠背式的RPC，我们可以设计出如图5中所描述的直流控制策略，图5中所示的UDC和UDC *直流母线的电压及其参考值，IP*是要平衡的负载电流，IQ*和 IQ*是每个供电臂所要求的无功电流，（IM* +IM*）是N-桥臂的电流参考值，K1值成比例变化，K2值恒定不变。这张图告诉表明桥臂起到直流母线电压控制的作用和桥臂促进有功功率的双向传递，同时N-桥臂作为一条公用线来承担中性线电流。图6各相无功功率的独立补偿图7 有功功率从相to到相传递图8有功从 相到相之间传递的同时相得到补偿C. 模拟 由图1和图5可知，一个PSCAD模型的建立包括一个100uF的电容器块和三个43mH的接口电抗器。牵引供电系统的电压为27.5kV和直流母线电压的参考值为70kV。此外，IGBT的开关频率为2KHz。 图6中所描述的是无功补偿。起初，供电臂分别供给相和相 以300A和150A纯无功负荷电流，分别用Is和Is表示。 在t=0.15s0.25s时，分别对相和相起到补偿作用。 转换器的和桥臂取代系统而提供无功电流。因此，每个供应臂的电流都变得很小，仅仅起到保持直流母线电压的作用。 如图7，补偿前，600A有功负荷在相运行的同时相无负荷。在这期间，转换器的电流接近于零，直流母线电压稳定在70 kV。从T = 0.55s起，转换器从相向相传输300A的有功电流以使两供电臂的电流趋于平衡。由于直流母线的电容器块作为功率传输缓冲区，所以它的电压些许的波动，其中包括由直流电压控制模块PI的一个平滑控制和一个由交流输出引起的100Hz脉动。如图8中所示，在初始状态下， 相和相 各自分别承担300A 的无功负荷和600A有功负荷,为了得到一个清晰的描述，为无功功率补偿和有功功率传输设置不同的启动时间。在t = 1.05s时，桥臂取代供电臂向负荷提供300A的无功电流。相电流Is减至一个较小值并对相不产生影响，在几个周期之后，桥臂从相分担 300A的有功电流，随之Is的将增大。因此，两相的负载是平衡的。需要注意的是，图8中的有源功率流向