高速铁路同相供电装置解决方案

电气化铁道同相牵引供电系统补偿容量大、电压高，补偿容量的大小主要由变电所容量、负载容量和补偿目标决定，如果完全补偿时，补偿容量高达几十兆伏安。所以电气化铁道同相牵引供电系统需要采用大容量的平衡补偿装置，而平衡补偿装置的容量主要取决于变流器的容量和耐压水平。目前开关器件尤其是全控型开关器件的容量有限，而且容量越大器件的工作频率越低，因而单一的变流器很难满足电气化铁道同相牵引供电系统对变流器大容量的需求。开关器件直接串联或并联是变流器最直接而有效的一种扩容方式，但是，由于开关管在性能和参数方面总有差异，并联或串联的各开关器件之间几乎必然存在静态和动态均压均流问题，需要增设均压均流电路，从而导致系统复杂化、损耗增加、效率下降。当前高电压大容量变流器一般是通过多重化和多电平技术实现[61-63]。多重化和多电平技术不但可以增大变流器的容量，而且可以降低电压应力d u/d t和输出电压中的谐波，提高补偿性能，能使开关器件工作在低压低频状态、减小电磁干扰、降低开关损耗。

1．变流器并联多重化

当一台变流器的容量不够时，可通过并联来增加变流器的容量。多个变流器的并联可通过两种方式实现：一是各基本单元变流器经变压器后再并联；二是各基本单元变流器串电抗器后再并联。为了简化电路、降低成本，一般都采用串联电抗器并联方式。N个基本单元通过电抗器并联多重化的结构如图3.15所示。图中的各基本单元采用PWM变流器模块，一般是两电平或三电平单相全桥变流器。各单元PWM模块的直流电压相同，并采用同一个正弦调制波进行调制，而三角载波初相角依次相移（单极性调制）2 π/N，也就是第一个单元三角载波的初相角为0°，第2个、第3个……第N个单元的初相角依次为（2 -1）2 π/N、（3 -1）2 π/N、…、（N-1）2 π/N 。这样一来，各个模块输出的基波电压相同，并可使系统对单个PWM模块容量及开关频率要求大大降低，可以消除部分谐波。并联的个数N与补偿容量有关，N越大则并联后输出容量也越大。从波形质量来讲，并联个数N不受限制，因为每一个基本单元都是PWM变流器，经调制后各单元输出电压波形，与目标电压接近，如果能够对多个PWM变流器进行合理控制，就可以使并联后输出电压波形质量进一步得到改善。

图3.15　并联多重化大容量变流器

图3.16为N个交直交变流器（ADA）并联构成的大容量变流器，可用于两相90° 接线平衡补偿系统。补偿负序时功率将从非负荷端口流向负荷端口，同时穿越交直交变流器。所以，两个单相全桥变流器总是以直流侧电容为界，成对出现在电容的两侧，并且背对背的两个变流器必须按照交直交变流器模式同步控制，同时投入或退出。

图3.16　多个ADA并联大容量变流器

图3.17是N个三相半桥变流器（THBI）并联而成的大容量变流器，可用于三相120°接线平衡补偿系统。

图3.17　THBI并联大容量变流器

并联多重化的主要缺点是变流器之间存在环流，有变压器的并联多重化，即便是变压器空载时一样也存在环流。各单元串入电感的主要作用就是抑制环流，调整电感大小可以控制环流大小。串入电感还可以减小输出电压纹波。环流的形成也与控制策略有关，改善控制策略可以减小环流。

2．变流器串联多重化

多个变流器串联的方式有两种：一种是通过输出变压器串联连接，通常把这种连接方式称为串联多重化；另一种是变流器直接串联，一般是由多个单相全桥变流器直接串联，为了与变压器串联方式相区别，称为多电平变流器级联。多个变流器串联不仅可以提高输出电压、增大变流器容量，还可以改善输出电压波形。

图3.18是N个变流器串联多重化原理框图。各基本单元多采用单相全桥变流器，图中T1、T2、…、TN为单相变压器。如果u1、u2、…、uN分别代表各基本单元经变压器后的输出电压，那么串联后总输出电压。假定各单元输出基波电压相同，且基波幅值为Um，那么总输出电压基波幅值最高可达NUm。所以在直流电压和开关管承受电压不变的前提下，增加串联变流器个数，可以提高输出电压，增大输出容量；反之，在同样输出电压幅值的前提下，串联变流器个数越多，开关管所承受的电压越小。

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图3.18　串联多重化扩容原理框图

基本单元可以是方波变流器也可以是PWM变流器。利用方波逆变器构成的串联多重化，输出电压的波形质量以及逼近目标电压的程度，受串联单元的个数N影响很大。当串联的方波逆变器基本单元个数较少时，输出电压波形质量变差，无法逼近目标电压。为此，实际中都是将多重化技术与PWM调制技术相结合来增加变流器的容量和改善输出电压波形的质量。由于每个PWM变流器通过调制，输出电压波形可以逼近目标波形，所以以PWM变流器模块为基本单元可以更加灵活方便地组合，不受串联单元个数限制。为保证输出效率和波形质量，要求每个PWM变流器输出基波电压应同相位，并同时通过合理控制尽可能削弱谐波。这可以通过控制载波移相来实现，也就是各变流器基本单元用相同的正弦调制波，而各单元载波三角波初相角依次相差2 π/N，第i个单元载波三角波初相角应为2 π（i-1）/N 。

并联结构容易出现环流，而串联结构不存在环流，因此，串联扩容的方式在实际中应用很广泛。在同相牵引供电系统中，由于补偿容量很大，采用变压器串联方式会大大增加系统的成本，所以人们越来越倾向于采用多电平级联模式。

3．多电平技术

多电平是相对于两电平而言的，通过多个开关管的组合和对开关管通断的控制，在直流电压不变的情况下，使变流器可以输出多个电平。这一方面由于输出电平数增加，输出波形阶梯增多，可更加逼近期望的输出波形，再加以PWM精确控制，可以极大地提高输出电压波形质量；另一方面在同样输出电压条件下，降低了每一个开关管所承受的最高电压，反之，在开关管所承受的最大电压不变的前提下，可以提高输出电压，增大输出容量。

多电平逆变器可以通过钳位式多电平技术和级联式多电平技术实现，如图3.19所示。

钳位式多电平逆变器是将若干直流电压源直接串联通过开关切换输出多个电平的交流电压，如图3.19（a）所示，其中E1～EN代表一个直流电源分为N个电压等级；虚框部分是逆变器等效模型，相当于一个多路开关，实际是由功率开关器件网络构成的，不同的开关状态代表接到不同的节点，在开关的作用下逆变器输出多种电压等级。输出多电平的原理非常简单，当开关S分别合于V0、V1、V2、…、VN时，逆变器输出电压分别为u=0、u=E1、u=E1+E2、…、u=E1+E2+…+EN。

图3.19　级联式多电平逆变器原理电路

级联式多电平变流器则是将直流电源各自独立的PWM变流器输出端串联组合，一般是将多个两电平或三电平单相全桥变流器直接串联构成多电平电路。如图3.19（b）所示，此时E1～EN代表N个独立的直流电源电压。与串联多重化相同，为了改善波形质量、提高开关输出效率，各模块采用相同的正弦调制波，而它们的三角载波的初相角依次为0°、（2 -1）2 π/N、（3 -1）2 π/N、…、（N-1）2 π/N 。通过级联可以增大输出电平数，改善输出电压波形；同时，在同样的开关器件耐压下，串联变流器个数越多，输出电压越高；反之，在同样的输出电压下，与单个变流器相比，各开关器件承受电压可以大大降低。

与级联式多电平电路相比，钳位式多电平电路的缺点是电路中的开关数量多，连接方式烦琐，控制复杂，因此在实际中钳位式多电平电路应用受到了一定限制。尤其是与级联式多电平变流器相比，在同相牵引供电系统中没有优势。所以同相供电平衡补偿系统较少采用钳位式多电平变流器。

图3.20是由多个基本单元变流器级联构成的大容量变流器，其中图3.20（a）是以单相全桥变流器为基本单元，将N个单相全桥变流器级联而成大容量变流器。显然，如果一个单相变流器的输出电压为U，则N个变流器的输出电压约为NU ；同样在输出电压为NU时，每一个单相变流器承受的电压为U，比采用单个变流器时所承受的电压降低了，从而大大减小了开关管所承受的电压。图3.20（b）为由多个ADA（是由两个单相全桥变流器背对背连接而成交直交变流器）级联而成的大容量变流器，多用于90° 接线同相供电平衡补偿系统。

图3.20　多个变流器基本单元级联构成的大容量变流器

级联式多电平与串联多重化变流器的区别是不需要通过变压器串联。由于同相牵引供电平衡补偿的容量往往很大、成本很高，如果能够取消匹配变压器，无疑会大大降低成本。随着电力电子技术的不断发展，开关器件耐压水平不断提高，加之通过级联多电平技术又可以进一步增大输出容量和提高输出电压。这为实现无串联变压器和匹配变压器的平衡补偿装置创造了条件。