一种适用于轨道交通供电系统的PWM整流器并联电路及其控制策略的研究

一种适用于轨道交通供电系统的PWM整流器并联电路及其控制策略的研究摘要——现代电气化轨道交通多采用交直交供电系统，要求整流装置具有大功率、高功率因数、冗余设置等特点。本文根据轨道交通应用特点分析了适合该场合使用的一种双变压器并联输入的四重整流电路，建立了电路的数学模型和等效电路，分析了环流的数学模型，并提出了适合该电路应用的带环流抑制的控制策略。最后使用PSIM软件对系统进行了仿真分析。关键词-PWM整流器，并联控制，牵引供电Ⅰ引言在磁悬浮列车、高速铁路和城市轨道交通中往往使用大功率交直交供电系统。供电系统先对电网电压整流得到直流母线电压，再通过受电弓或受电轨输入给车载逆变器完成对牵引电机的控制。整流装置是整个供电系统中必不可少的环节，因此研究大功率、高性能、稳定可靠的整流装置对改善轨道交通供电系统和促进轨道交通技术的发展具有重要的意义。轨道车辆在启动和制动时产生的能量交换相当可观。据推算，城市地铁系统制动性的能量约为牵引能量的30%甚至更多。若能将这部分动能转化为电能并反馈回电网，就会起到很好的节能降耗作用。而在我国目前铁路和城铁供电系统中，早期建设时受到元件功率、技术制约，多采用二极管不控整流或晶闸管整流器提供直流母线电压。二极管整流装置不能实现能量双向流动，晶闸管整流装置在大功率应用中功率因数低、谐波污染严重等问题更加突出。PWM整流器不但可以实现能量的双向流动，而且可以工作在单位功率因数下。这样列车上也不用安装笨重的吸收电阻，降低了车重，减少发热，同时列车也可实现电气制动。PWM整流器使用的开关器件容量往往小于二极管和晶闸管，在大容量场合可以使用并联方案来提高输出功率。此外，轨道交通的安全性始终是放在第一位的，因此供电系统要实现冗余设置，这也适合多并联器的并联使用。【7】本为研究了一种两个变压器并联输入，各带两个整流器的电路拓扑，不但能实现并联供电提高功率，也能做到冗余设置，并研究了系统的数学模型和带环流抑制的控制策略。Ⅱ主电路建模及环流分析A．整体电路拓扑整体电路拓扑如图1-1所示。该电路采用两个三相Y/D/D变压器输入侧并联，各带两个三相桥式PWM整流器，四个整流器输出侧并联。两个变压器并联可以实现冗余设置，一台因故障停机，另一台可以继续供电。四个整流器各分担四分之一的功率，降低了器件选择的难度，适合用在大功率的场合。变压器的存在使并联输出的四个整流器不存在零序环流【5】，但需要一定的控制策略抑制变压器输入环流。图1-1主电路拓扑B．输入为变压器的单个PWM整流器建模及分析首先对图1-1中带输入变压器的一个整流器进行分析，然后再根据并联电路电压、电流关系到整个电路，分析整个电路的电压、电流，并建立输入环流数学模型。主电路中的一个带输入变压器的整流器电路拓扑如图1-2所示。图1-2单个整流器电路拓扑根据图1-2建立其等效电路如图1-3所示。图中1au、1bu、1cu是输入电压器原边电压；2au、2bu、2cu是输入变压器副边电压；aNu、bNu、cNu是整流器输入端a、b、c三点对输出侧N点电压。图1-3单个整流器等效电路根据等效电路得到原边电压方程为：111111()22()22()22asaabsbbcsccRLuSiuRLuSiuRLuSiu（1-1）设变压器变比为3k，则有原边副边电压电流关系：213**aauku，21/(3*)aaiik，b相、c相有同样关系。副边电压方程如下：2122212221223**()()223**()()223**()()22aaanbnaNbNbbbncnbNcNcccnancNaNRLukuSiiuuRLukuSiiuuRLukuSiiuu（1-2）变压器有如下电流方程：2112112111()31()31()3anacbnbacncbiiikiiikiiik（1-3）联立方程（1-1）（1-2）（1-3）得到如下表达式：1212121()(1)2231()(1)2231()(1)223aNbNasabNcNbsbcNaNcscuuRLuSikkuuRLuSikkuuRLuSikk（1-4）式（1-4）得出输入为变压器的单整流器原边电压和电流关系，通过控制整流器输入电压aNu、bNu、cNu即可控制输入电压电流的相位关系。C.整体电路建模机环流分析按照单个整流器的等效电路建立方法建立整体电路的等效电路如图1-4所示。图1-4————————————现在以四个整流器A相为例分析并联环流的数学模型，其它两相的结果与A相的分析方法相同。并联电压器有电流关系11'aaaiii，两个并联变压器之间的环流为11'2aaciriii。根据（1-4）式可以整理出1ia和1'ia有如下表达式：1223*3*11()(1)()(1)2222aNbNaNxbNxasasauuuuuukkiRLRLSSKK（1-5）122''''3*3*'''1''1()(1)()(1)2222aNbNaNxbNxasasauuuuuukkiRLRLSSKK（1-6）将式（1-5）（1-6）整理得：121()(1)*223*3*aNbNaNxbNxaasasuuuuRLSiuuKkk（1-7）12''''''1()(1)*'223*3*aNbNaNxbNxaasasuuuuRLSiuuKkk（1-8）用（1-7）减去（1-8）并经过简单变换得到下式：11121''()(1)(')'*[()()]222222''''3*3*3*3*aaaaNbNaNxbNxaNbNaNxbNxRLRRLLSiiiSSKuuuuuuuukkkk（1-9）由此可见，并联变压器之间的环流与两个并联部分的阻抗有关，也和整流器输入测电压有关。如果两个并联变压器阻抗''()()02222RRLLSS，并且通过控制整流器输入测电压就可以减小环流。Ⅲ带电流前馈的双闭环控制系统A．控制器整体方案介绍连接在同一个变压器的两台整流器使用同一个控制器，这两台整流器的输入PWM控制信号相同，则可以实现如下电压关系：''''aNaNxbNbNxaNaNxbNbNxuuuuuuuu，，，。每一个控制器都才用电压外环、电流内环的双闭环控制系统，为了保证功率均分，采用主从控制的电压控制方案，两个控制器使用同一个电压外环的输出作为电流内环的给定。控制系统中的()()()123GSGSGS、、采用PI控制器。控制器整体框图如图2-1所示。图2-1——————-————B．电流前馈通道的作用以整流器A相为例来分析系统电流稳态误差，由控制系统框图可以得到：1()(*)()(1)*21112XuGsiiRLSiasaaak（2-1）实际整流器中如下关系：1()(1)12XuRLSiasak(2-2)联立(2-1)、(2-2)得到：1[()()(1)]*21211()()(1)22GsRLSiakiaGsRLSk（2-3）由式（2-3）可见当电流前馈参数R和L和电路中真实的R和L相同时，电流的稳态误差为0。【6】C．环流控制器环流控制器给定为0，两路变压器的输入电流差作为反馈量，PI调节器输出调节量叫到两个控制器上，符号相反，达到控制环流的目的。D．电压外环稳态误差的分析由控制系统框图还可以得到下式：21{[(*)1()](')()}sin34PwududGsiaiaGdswtU（2-4）1()()()(1)122wiGswRLSuXaask（2-5）实际电路中有如下电流表达式：1()(1)12XuRLSiasak（2-6）联立（2-4）（2-5）（2-6）可以得到14[()()(1)]224(1'1)()2*()3()111[()()(1)]()212GsRLSIsmiaiaGdsPkududGsUGSGsRLSGsk进一步整理有：1[()()](1)24(1'1)()*()()111()()(1)22RRLLSIsiaiaGdskududGsGsGsRLSk（2-7）由式（2-7）可以看出，当控制系统电流前馈参数和实际整流电路参数相同时，等号右端第一项则为0，当稳态的时候等号右端第二项也为0，则直流输出电压的稳态误差为0。另外，结合式（1-9）可以看出，加入环流控制部分的话可以对环流起到抑制作用，但是会降低系统直流稳态电压的控制效果。所以环流控制和直流电压控制是一对互相制约的量。Ⅳ仿真结果与分析为了验证系统的有效性，本文采用PSIM仿真软件建立了主电路和控制系统的仿真模型。系统参数设置如下，电源电压uas的峰值为1000伏，变压器变比为1：1，输出电容为6mF，负载电阻为5欧姆。直流电压给定*ud=3000伏。●仿真事例一：电阻取值''0.068RRRR，电感取值''0.0023LLLL,即两个并联系统阻抗相同，控制器前馈参数与真实值一致，其仿真波形如图3-1所示。图3-1仿真事例1第一个坐标系是直流输出电压ud，第二个坐标系分别为电网电压uas和输入总电流ia，第三个坐标系是整流器输入测电压uab，第四个坐标系是两个变压器输入电流1ia、1'ia和环流1'12iaiaIcir。由图可见，直流输出测电压恒定在3000伏，输入测功率因数为1，由于阻抗值均相等，因此环流为0，由此可见整流电路正常工作，控制系统有效。●仿真事例二：取0.5''RRRR，0.5''LLLL，两个并联系统阻抗参数不同，此时并联系统之间产生环流，首先控制系统前馈参数与真实值不一致，不加环流抑制控制器，结果如图3-2。有图可见，此时产生环流1'12iaiaIcir。图3-2仿真事例二：电流前馈参数与真实值不一致图3-3是仿真事例二采用电流前馈参数与真实值一致时的结果，虽然没有加环流抑制器，但此时环流相对前馈参数不一致的情况来说减小了，可见电流前馈参数与真实值一致能有效抑制环流。图3-3仿真事例二：电流前馈参数与真实值一致在仿真事例二的基础上加上环流控制器，此时环流波形如图3-4所示，由图可见环流得到了更好的抑制。图3-5显示出加环流控制器后整流器输出直流侧电压时间常数变大，调节时间变长，输入电压、电流功率因数不为1，加环流控制器对系统功率因数和输出效果有一定的影响。环流控制和整流器输出直流电压、输入功率因数等是互为矛盾的量，需要折中考虑。图3-4仿真事例二：加环流控制器后环流波形图3-5仿真事例二：加环流控制器Ⅴ结论本文提出一种双变压器并联输入四重整流器电路，此电路具有大功率、冗余设置的特点，因此适用于轨道交通供电系统。对主电路等效电路、数学模型和环流模型进行了分析，并据此提出了一种并联控制策略。PSIM软件仿真结果表明控制系统去取得了满意的控制效果，电路工作正常，对该电路的实际应用具有指导意义。参考文献：[1]V.BlaskoandV.Kaura,Anewmathematicalmodelandcontrolofathree-phaseAC-DCvoltagesourceconverter,IeeeTransactionsonPowerElectronics,vol.12,pp.116-123,Jan1997.[2]V.BlaskoandV.Kaura,Anewmathematicalmodelandcontrolofathree-phaseAC-DCvoltagesourceconverter,IeeeTransactionsonPowerElectronics,vol.12,pp.116-123,Jan1997.[3]T.Kawabata,etal.,Parallelprocessinginverte