单相三电平PWM整流器优化方案

1.单相三电平PWM整流器的用途

单相三电平PWM整流器主要用于电气化铁道电力机车上的交流变频调速的传动系统，这种调速系统直接由电网供电，交流经架空线、受电弓输入机车；变频器由单相变压器对单相三电平整流器供电。整流器输出直流经三相三电平逆变器逆变成频率可调的交流，送往牵引电动机拖动机车运行。单相三电平整流器与三相三电平逆变器逆变组成双PWM变频调速系统。图5-22所示为日本新干线700系列三电平变频器电路结构。

2.结构与工作原理

图5-23所示为单相三电平整流器的拓扑结构，可见与三相三电平整流器相似，只是少了一个桥臂，其等效电路如图5-24所示，每组桥臂可以用一个三投开关代替，该开关具有1、0、-1三种等效状态，因此两个桥臂有9种开关组合，即主电路有9种工作模式，开关状态与相应的电压值如表5-2所示。

图5-22 日本新干线700系列三电平变频器电路结构

图5-23 单相三电平整流器的拓扑结构

图5-24 单相三电平整流器的等效电路

表5-2 开关状态与相应的电压值

3.控制策略

单相三电平整流器的控制目标主要是中点电压平衡，控制系统可由电压外环、电流内环组成，如图5-25所示。外环通过将直流侧电压U_d与其给定电压的偏差值进行PI调节得到电网侧电流给定值i_s^*的幅值，其相位和频率通过锁相环PLL从电网例电源电压u_s获得。内环采用电流预测控制，由于整流器存在两电容电压不平衡问题，在系统中加入了电容电压补偿环节，两个电容电压之差的变化通过平衡调节系数K引至电流控制环以平衡电压。

图5-25 单相三电平整流器控制策略图

电流预测工作原理如下：

设电网电流为i_s（t_k），

在一个开关周期T_s内，

由式5-16可以计算出调制信号u_ab^*作为SVPWM调制模块的输入。

4.仿真结果

经过仿真研究，整流器在牵引工况下各个参数的波形如图5-26所示：

5.电力机车系统的调控^[9]

电力机车单相三电平整流器-三相三电平逆变器双PWM变频调速系统在使用SVPWM技术时，一般按下述原则调控：

1）运行速度小于0.1～0.15额定转速，即n＜0.1～0.15n_e时，采用磁链轨迹为圆形，Ψ等于恒值，以减小转矩脉动，即采用高精度SVPWM直接转矩控制方式。

2）运行速度较高时，采用SVPWM六边形运行，以降低开关次数，减少开关损耗。

3）弱磁运行时，可以用方波运行，转矩由调节磁链来实现。(https://www.xing528.com)

对于新一代采用三电平NPC逆变器的高速列车的调控策略，有学者提出如下原则：若采用SVPWM技术，低频起动区段采用异步调制，可以充分利用IGBT开关频率，使磁通空间矢量轨迹逼近理想圆形，减小转矩脉动；在逆变器输出频率较高时，为了保证三相输出的对称性，消除寄生谐波，宜采用同步调制。

图5-26 双PWM系统实验波形

设三电平空间矢量图中扇区Ⅰ矢量及作用时间如图5-27所示，本方案所得出的异步和同步调制波形及分析如下所述。

图5-27 扇区矢量及作用时间

1.异步调制

在扇区Ⅰ的小区1中，设定采样周期为T_s，得出如图5-28所示的异步调制波形图，由图可见异步调制时，磁链轨迹近似为圆形，每周期输出脉冲数较多，次数低的谐波得到了很好的抑制，适宜于低频起动区段。

图5-28 异步调制波形

a）定子磁链轨迹 b）输出负载相电压 c）输出负载相电流

2.同步调制

在图5-27的扇区Ⅰ中，采样4次或2次，便可得到同步4脉冲模式和同步2脉冲模式

（1）同步4脉冲模式 此种模式所得的波形如图5-29所示，由图可见，4脉冲调制时，磁链轨迹和输出波形均规则排列，满足同步、半波对称及三相对称条件，适合较高速度区段。

（2）同步2脉冲模式 当采样为2次，得出波形如图5-30所示，由图可见，同步2脉冲模式调制时，磁链轨迹和输出波形均规则排列，满足同步、半波对称及三相对称条件，IGBT开关次数较少，适用于电动机高速运行阶段。

图5-29 同步4脉冲模式

a）定子磁链轨迹 b）输出负载相电压 c）输出负载相电流

图5-30 同步2脉冲调制模式波形

a）定子磁链轨迹 b）输出负载相电压 c）输出负载相电流

再生制动主要用于以下工况：

1）减速制动再生制动是一种必要的制动方式。当动车组要求减速时，优先使用再生制动，电动机发出能量回馈给电网，若不断降低定子供电频率，则可获得满意的减速制动特性如图5-31所示；

图5-31 再生制动特性

2）恒速下坡制动。动车组下坡时，特别在长大坡道上，它可以提高列车在坡道上的速度，减少闸瓦、车辆轮箍的磨损，消除轮箍过热而产生的弛缓现象。

3）恒速工况。动车组为保证恒速运行，特设置恒速控制器，恒速控制器使动车组在牵引恒速、惰行和再生制动恒速工况平滑切换，保证其恒速运行。