第43卷第12期2009年12月
电力电子技术
PowerElectronics
Vol.43，No.12December2009
城市轨道交通牵引供电PWM变流器的研究
许爱国，谢少军
（南京航空航天大学，江苏南京210016）
摘要：研究采用一种多通道PWM变流器实现城市轨道交通牵引变电站的降压变流功能，为轨道交通车辆负载提供电能
即阶梯的同时能够向电网回馈车辆的再生制动能量，维持直流供电电压的稳定。该变流器各通道通过移相变压器叠加（波合成技术）来实现谐波抵消，因此该变流器能在非常低的开关频率下实现能量双向传递，并且交流电流谐波含量低、滤波容易、输入功率因数高。另外，该变流器采用旋转坐标系下的解耦控制和瞬时值闭环控制技术，实现了良好的动态性能。最后通过实验验证了该变流器的稳态和动态性能。
关键词：变流器；城市轨道交通；牵引供电；脉宽调制中图分类号：TM46
文献标识码：A
文章编号：1000-100X（2009）12-0007-03
StudyonaPWMConverterforTractionPowerSupplyoftheUrbanRailTransit
XUAi-guo，XIEShao-jun
（NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics，Nanjing210016，China）
Abstract：Thispaperintroducesamulti-moduleconverterfortractionpowersupplyoftheurbanrailtransit，withthefunctionofbothprovidingthetractionpowerandfeedingtheregenerationenergybacktotheACgrid.Eachconvertermoduleiscon-nectedwithaphaseshifttransformerandtheoutputsofthetransformersareseriesconnectedtoneutralizationharmonics，whichisalsocalledstaircasesystemizationtechnique.Sotheconvertercanachievethebidirectionalenergytransferwithvery
lowswitchingfrequency，andtheharmoniccontentoftheinputcurrentisverylowandeasytofilterout.Decouplingcontrolandinstantaneousvaluefeedbackcontrolinthed，q，0frameisadoptedinthecontrolsystemtoachievegooddynamicregula-tionperformance.Theexperimentalresultsvalidatethestaticanddynamicperformanceoftheconverter.Keywords：converter；urbanrailtransit；tractionpowersupply；pulsewidthmodulation
1引言
目前，城市轨道交通牵引变电所都采用降压变压器和多脉波不控或相控整流电路，将35kV三相交流电降压整流成1500V/750V直流电的方式[1]向车辆提供电能。由于二极管整流电路只能单方向通过电流，并且其开通和关断不可控，因此其输出电压不可控。在轨道交通车辆加速启动时，从接触网接受的电流迅速上升导致接触网电压下降，从而使轨道交通车辆供电电源的质量下降；在车辆再生制动时产生的电能不能被吸收，将导致接触网电压升高，同
多脉波整流电路时也造成大量的能源浪费[2]。另外，
在电流断续时对电网的谐波污染比较大，而且当采用相控电路实现直流电压调节时又对电网注入了大量的无功，因此，牵引变电站又需要设置谐波治理和无功补偿装置，既增加了变电站的占地面积又增加了变电站的成本。
电压型PWM变流器具有输入电流波形正弦度好且输入功率因数高的特点，同时可以实现输出电压的动态调节以及能量的双向流动。将PWM变流器应用于城市轨道交通直流牵引供电系统，将大大减小谐波对电网的影响，提高电能的利用效率，稳
定稿日期：2009-09-17
作者简介：许爱国（1980-），男，江苏兴化人，博士研究生，研
究方向为功率电子变换技术和数字控制技术。
定牵引供电接触网的电压，提高直流供电系统的可
靠性。研究了一种新型的牵引供电变流器方案，采用基于阶梯波合成的多通道电压型PWM变流器实现城市轨道交通的牵引供电。与普通PWM变流器相比，该变流器的开关频率很低，仅为3fi（fi为输入电网频率），开关损耗小，可靠性高，特别适合牵引供电场合的大功率应用。
2新型牵引供电PWM变流器
图1示出新型牵引供电PWM变流器功率电路拓扑。多通道PWM变流器输出采用移相变压器叠加，合成波形呈阶梯波状，因此也称阶梯波合成变流器。该变流装置将35kV交流电降压并变换为可控的直流电网供电电压。该装置中各变流通道由PWM变流桥和移相变压器组成，PWM变流桥采用三相六开关两电平电路结构，移相变压器初级采用三角形连接，次级采用典型Zig-Zag接法[3]，并设计成依次产生30°，设变压器15°，0°，-15°相移。为了便于描述，
对三相线电压的变比为1，且各通道以相位滞后到相位超前的顺序编号。直流侧连接方式比较灵活，可以串联或并联，这里采用串联方式，功率管电压应力小，适合高直流电压应用场合。滤波网络采用T型滤波器，变换器侧等效电感L1包括变压器的等效漏感。由于阶梯波合成后谐波分布比较集中，为6Nk±1次（，如23次、N表示通道数，k为自然数）25次、47
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次和49次等，并且含量小，采用24次和48次滤波陷阱就可以滤除主要谐波电流。
图1牵引供电变流器主电路拓扑（N=4）
为了消除变流器合成电压uci（的谐波，i=a，b，c）
该变流器采用如图2所示的调制方法，即每个通
的道功率管开关信号都采用空间矢量调制（SVM）
方式产生，各通道SVM采样时间间隔Ts=T/6（T为基波周期，，且各T=1/fi，fi为输入电网的基波频率）
通道的采样时刻按通道1～通道4的顺序依次间隔
[4]
。图3示出合成的阶梯波波形及其频谱。T/（6N）
另外，考虑到滤波器产生的相位滞后，为了使系统稳
定，开环截止频率只能设计在ωc<ωs/2（ωs为单通道采样角频率，范围之内，即ωc<3ωi，而在d，ωs=2π/Ts）q，0坐标系的系统开环截止频率必须设计在ωc<2ωi范围之内。
由于闭环控制器带宽较窄，在控制器设计带宽内可以忽略谐波陷阱的影响，滤波器可等效为单电感滤波器。
为了实现基波分量无误差跟踪，通常三相系统闭环控制器都在d，q，0坐标系下设计。变流器系统数学模型可描述为：
ucdq=Gdq（s）urdq∠∠（-sTs-jπ/6）∠Gdq（s）=4K11-e
（3）sTs+jπ/6∠
∠∠igdq=ugdq-ucdq∠sL+jωiL+R式中：电网电压、参ucdq，ugdq，urdq，igdq分别为变流器侧交流电压、考电压和电网输入电流在d，q，0坐标系下的坐标，ucdq=ucd+ugdq=ugd+jugq，urdq=urd+jurq，igdq=igd+jigq。jucq，
对于直流侧电压根据输入输出有功守恒的原则，在输入单位功率因数运行的情况下，有：
3iu=sCU2+P（4）gdgddcd2
式中：对于轨道交通车辆，可等效为恒功Pd为直流负载功率，率负载。
图24通道阶梯波合成变流器的波形调制方法
3．2闭环控制策略
图34通道阶梯波合成变流器交流侧电压波形及其频谱
3
3．1
变流器数学模型与控制策略
变流通道等效模型
在直流电压稳定的情况下采用SVM的各变流
比例放大器K1和零阶保持器通道可以用采样电路、
来等效，如图4所示。
图5示出系统闭环控制策略。控制器采用双闭
环控制[5]，输出电压瞬时值闭环用于稳定输出直流电
电压，输入电流瞬时值闭环用于调节输入交流电流。
感电流igdq和ugdq接入电流调节器用于电流环的解耦控制，解耦控制方法如图6所示。电流PI调节器的输出即为解耦后的输入urdq′，SVM的输入参考矢量urdq=-（其中ejπ/6用于补偿urdq′-ugdq+jωiLugdq）ejπ/6/K′，
而比例系数K′=Gdq（SVM引入的相位延迟，j0）。
图4单个变流通道等效框图
因此，从参考矢量到4个通道变流器合成的交
流侧电压的传递函数为：
1-e）（G（s）=4K1（1）sTs
根据式（可知：1）
（∠G（jω）=-ωTs2）
2
即SVM引入了相位延迟ωTs/2。因为SVM采样频率很低，仅为6fi，传递函数G（相位延迟比较大。s）基波相位被延迟了π/6，使d，q轴之间产生了耦合，
-sTs
根据系统的数学模型，按照经典控制理论和小
信号分析的方法可以设计出闭环控制参数。根据相角裕度γ>45°、幅值裕度20logh>10dB、电流开环截
·止频率ωci＝300rads-1、电压开环截止频率ωcu＝60～
城市轨道交通牵引供电PWM变流器的研究
·150rads-1来选择电压闭环控制参数，以获得足够快的动态响应速度。
图6电流环解耦控制
4实验结果
设计了牵引供电变流器的小功率实验平台，控制电路基于TMS320LF2407A并采用FPGA实现4个通道的SVM。实验平台参数：额定功率Po=3kVA；三相额定交流输入电压ug=380V；额定直流电压Udc=
移相变压器等效变比0.39；功率管开关频率1.5kV；
变流器侧电感量（包含变压器漏感）fs=3fi；L1=0.03pu；变流器侧等效串联电阻R1=0.015pu；网侧电感量L2=0.03pu；网侧等效串联电阻R2=0.01pu；24次和48次滤波陷阱等效电容Ct1=0.076pu，Ct2=0.018pu；直流侧滤波电容C=176μF。图7示出实验结果。
形及其频谱。可见电网输入电流与电网相电压同相位，实现了单位输入功率因数；且电网输入电流波形的正弦度较好，因为输入电网的不理想因素，输入电流波形有一定的低次谐波电流，如5次、经7次等，测量图7a，b的电流THD分别为2.29%和4.0%。
图7c为模拟轨道交通车辆从再生制动到加速启动以及从加速启动到再生制动状态之间切换时的变流器工作波形，即负载在满载整流和满载逆变之间切换，直流电压偏离6.4%（约96V），调节时间很
从图7c亦可看出，在稳态时该牵引供短，约100ms。
电变流器输出电压纹波很小，输出电压稳定。
5结论
研究了一种新型的城市轨道交通牵引供电
采用阶梯波合成变流电路实现双向功PWM整流器，
率变换。该变流器电路具有开关频率低、电流谐波含
滤波容易等优点，从而构成的牵引供电系统损量小、耗小、工作可靠，且对交流电网的谐波污染小。实验结果表明，所提出的阶梯波合成变流器稳态性能好，动态调节过程快，既可改善直流电网的供电质量，又可节约电能。
参考文献
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!!!!!!!!!!!!!!!!!!!\"2010年第6期\"可再生能源中的电力电子技术\"专辑征文启事
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欲投稿的作者请在2010年3月30日前将论文寄到本刊编辑部（email：dldzjstg@163.com），并注明“可再生能源”字样。
截稿日期：2010年3月20日
录用通知发出日期：2010年4月30日
论文刊登期号：2010年第6期
能源系统；⑨可再生能源系统的通讯、控制和监测。
本刊将请哈尔滨工业大学徐殿国教授为该专辑的特邀主编，对该领域的研究及该专辑的论文进行分析与点评。
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