同相供电系统实验结果分析

本系统设计整机额定容量20MW，输入三相变压器一次电压110kV，整机输出电压27.5kV，额定输出电流730A。24个功率单元分为A、B、C三相，每相包含8个单元（其中1个为冗余单元），单个功率单元额定容量为956kW。为满足电气化铁路牵引系统的大功率输出，开关器件采用IGCT。

1）功率单元实验

所用IGCT额定电压为4500V，额定电流为4000A，开关频率为500Hz。

功率单元额定参数为：

•直流母线电压平均值U_d：1900V

•单元输入电压有效值U_N：950V

•额定输入电流有效值I_N：1002A

•单元额定功率：952kW

•调相电感及等效内阻：1.35mH，0.3mΩ

•直流母线电容C₁：6000μF

•直流母线二次滤波电路L₂及C₂：0.422mH，6000μF

•开关频率：500Hz

•直流母线电压纹波：<10%

•直流母线电压短时波动范围：<30%（1min内）

•整流侧开关频率：500Hz

•响应速度：<10ms

•输入功率因数：>0.98

•输入电流总谐波畸变率（THD）：<15%

图8-31所示为功率单元工业样机实物。

图8-32所示为功率单元空载实验波形。

在图8-32中，功率单元运行稳定，实验系统状态良好。直流母线电压u_d稳定在1900V。输入电流i_N中基波幅值为0，主要成分为开关动作所造成的电流纹波。

如图8-33所示为功率单元额定条件下的整流实验波形。

图8-31 功率单元工业样机实物图

在图8-33中，功率单元运行稳定，实验系统状态良好。u_d平均值为1900V，出现低频纹波，纹波峰-峰值为150V，符合10%的设计要求。i_N为单位功率因数且正弦度良好，经测量，输入功率因数为0.998，THD=4.3%。

图8-34所示为功率单元额定条件下的回馈实验波形。

图8-32 功率单元空载实验波形

图8-33 功率单元额定整流实验波形

图8-34 功率单元额定回馈实验波形

在图8-34中，功率单元运行稳定，实验系统状态良好。u_d平均值为1900V，纹波峰-峰值为150V，与整流实验相同，符合10%的设计要求。i_N为单位功率因数且正弦度良好，经测量，输入功率因数为0.999，THD=4.3%。

图8-35所示为功率单元无全前馈空载-带载实验波形，图8-36所示为功率单元有全前馈空载-带载实验波形。

图8-35 功率单元无全前馈空载-带载实验波形

(www.xing528.com)

图8-36 功率单元有全前馈空载-带载实验波形

由图8-35和图8-36可见，加入全前馈后，空载切换带载工况时，u_d跌落峰值由600V降低至320V，i_N过流峰值由400A降低至300A，调节时间由1s以上缩短至0.15s。因此，全前馈控制的加入，有效地增强了系统对负载情况突变的动态响应能力。同时，加入全前馈后，系统可满足动态响应中u_d波动峰值不超过30%（570V）的设计要求。

图8-37所示为功率单元无全前馈带载-空载实验波形，图8-38所示为功率单元有全前馈带载-空载实验波形。

由图8-37和图8-38可见，加入全前馈后，带载切换空载工况时，u_d泵升峰值由350V降低至300V，调节时间由1s以上缩短至0.3s，并消除了工况切换过程中的u_d振荡现象。因此，全前馈的加入，有效地增强了系统对负载情况突变的动态响应能力。同时，系统可满足动态响应中u_d波动峰值不超过30%（570V）的设计要求。

图8-37 功率单元无全前馈带载-空载实验波形

图8-38 功率单元无全前馈带载-空载实验波形

2）同相供电并联实验

为验证无牵引变压器同相供电装置逆变侧控制策略，搭建一台3单元15kW同相供电装置样机，对逆变侧并联控制策略进行验证，拓扑结构如图8-39所示。

图8-39 三单元同相供电装置样机实验平台拓扑结构图

在图8-39中，同相供电装置由3个功率单元构成，输入侧通过隔离变压器接入380V三相公共电网，输出侧串联电抗器L_G1，输出电压为u_O1，输出电流为i_s1，负载为R_L。同时，为模拟同相供电装置并联实验，在负载另一侧并联一台单相隔离变压器，由单相380V公共电网供电，加入L_G2模拟输出电抗及线路阻抗。具体实验条件如下：

•系统额定输出功率：15kVA

•系统额定输入功率：15kW

•功率单元输入电压u_O1有效值：100V

•功率单元直流母线电压：200V

•功率单元调相电感：2mH

•系统输出电压：380V

•系统输出电抗L_G1：10mH

•并联变压器输出电压u_O2有效值：380V

•并联变压器输出电抗L_G2：20mH

•负载R_L：10Ω

图8-40所示为同相供电样机与变压器并联空载实验波形。

图8-40 同相供电样机与变压器并联空载实验波形

在图8-40中，同相供电样机并联系统的两个输出电压u_O1与u_O2幅值、相位均保持一致。此时输出电流i_s1为0，说明系统不存在并联环流，与理论分析一致。由于仅3单元级联构成的同相供电样机等效开关频率仍然较低，因此i_s1中仍含有较明显的PWM调制造成的电流纹波。

图8-41所示为同相供电样机与变压器并联带载实验波形。

在图8-41中，i_s1与i_s2分流之比为1∶2，等于L_G1/L_G2的倒数，符合理论分析，同相供电并联系统具有按线路阻抗分流能力，实现了就近供电的节能控制目标。

在并联动态实验中，同相供电并联系统由分别供电切换为并联供电，主要验证两台同相供电装置在并联瞬间是否存在电压、电流冲击。图8-42所示为同相供电并联动态实验波形。

图8-41 同相供电样机与变压器并联带载实验波形

图8-42 同相供电并联动态实验波形

在图8-42中，同相供电并联系统由分别供电切换为并联供电时刻，并联通路上的电流i_s1出现一个峰值为5A的冲击电流。通过观察示波器所记录的波形原始数据，该冲击电流仅出现了0.6μs，因此判断是由接触器闭合产生的干扰。并且5A的电流峰值远小于系统额定输出电流40A，不考虑该冲击电流对控制系统的影响。同时，并联时刻前后u_O1与u_O2始终保持高度一致，不存在电压冲击。因此，系统并联动态响应能力良好，工作稳定。