高速铁路同相供电关键技术：滞环电流比较单臂开关控制

三相空间电压矢量控制和三相滞环电流比较控制都需要根据系统参数确定期望电压，很难在电气化铁道同相供电中得到应用。为了选择最优开关状态，多数情况需要同时调整两个以上多个桥臂开关，在一个开关周期内需要调整的开关个数多，开关频率高。如果每一次只调整一个桥臂开关，另外两个桥臂状态保持不变，只要切换的桥臂状态是最优的，就可以充分利用每一个桥臂状态的切换，减小开关次数，降低开关频率。滞环电流比较单臂开关控制每一次只调整一个桥臂，且不依赖于对系统参数估计，不需要确定期望电压，而是根据电流误差矢量直接确定最优开关状态。

三相三桥臂变流器的特点是任何一相的输出电压都会受各个桥臂状态的影响。由于开关周期足够短，在一个开关周期内系统参数可视为常数，期望电压可认为恒定不变，这样一来就可以把系统当作线性系统来对待。这时，任何一相的输出电压都可以视为是三个桥臂状态叠加的结果。式（6.31）可以变为如下形式：

由式（6.50）可知，尽管变流器输出电压同时受各个桥臂状态的影响，但不同桥臂状态的改变对输出电压的影响是完全不同的。为了观察每一个桥臂状态变化对输出电压的影响，将电压用二值逻辑函数表示，根据式（6.29），可得

假设原来各桥臂开关状态分别为调整后分别为sa、sb、sc，调整各相桥臂所产生的电压增量分别记为ΔUa、ΔUb、ΔUc。则

单独调整各相桥臂开关状态时所产生的电压增量ΔUa、ΔUb、ΔUc矢量如图6.39所示。单独调整桥臂a、b、c的开关状态由“0”变为“1”时，所产生的电压增量分别记为，三个电压增量分别与a、b、c轴反向，如图6.39（a）所示；而单独调整桥臂a、b、c的开关状态由“1”变为“0”时，所产生的电压增量分别记为，三个电压增量分别与a、b、c轴同向，如图6.39（b）所示。每个桥臂可以由“0”变为“1”或由“1”变为“0”两种状态变化，三个桥臂六种状态变化，对应六个电压增量。任意改变三个桥臂开关状态，所产生的电压增量，不外乎是这六个电压增量中的一个或几个叠加。

改变某一桥臂状态相当于额外施加了一个电压，如改变a相桥臂开关，由“0”变为“1”，相当于在原状态基础上施加了一个，当ΔI落入①区时，正好与ΔI反向，并且是与ΔI反向的最小电压增量矢量。根据式（6.35）ΔU与ΔI的关系可知，在的作用下可以使ΔI减小。而要么与ΔI同向，要么偏离ΔI反方向较多，所以其他任何单个桥臂状态切换都无法达到切换a相桥臂开关的效果。对应ΔI分别落入①、②、③、④、⑤、⑥的区域时，与ΔI反向的分别是，所以最优单臂调整策略分别为sa=1、sc=0、sb=1、sa=0、sc=1、sb=0。(www.xing528.com)

图6.39　改变桥臂状态时效果

根据以上分析可以得出单臂最优调整策略，如表6.7所示。

表6.7　单臂最优调整策略

在实际中可能存在调整一个桥臂达不到减小电流误差的要求，而必须调整另外两个桥臂状态。例如，ΔI落入①区时，调整a相桥臂开关，产生与ΔI反向的，企图使误差减小，但并没有达到要求，这就需要调整另外两个桥臂状态。假如ΔI依然落在①区，这时单独调整b相或c相所产生的电压增量偏离ΔI反方向较多，而二者的合成矢量与ΔI正好反方向。所以，单臂最优开关控制分两步控制：

首先，当| ΔI|≥h+Δh时，为了提高跟踪效果应该选取与ΔI0反向的最大模值ΔU所对应的空间电压矢量Uk，它与ΔI0落入的区域一一对应。如：当ΔI0落入①区时，则对应的空间电压矢量为U1；而当ΔI0落入②区，则对应的空间电压矢量为U2，依此类推，ΔI0落入③、④、⑤、⑥区时对应空间电压矢量分别为U3、U4、U5、U6。所以，当| ΔI|≥h+Δh时，可以直接根据ΔI0落入的区域切换开关的状态。

其次，当h≤| Δ I|＜ h+Δh时，根据ΔI0落入的区域选择单臂最优开关切换，如果ΔI0落入①区，则Sa=1；当ΔI0分别落入②、③、④、⑤、⑥区时，则应分别按照sc=0、sb=1、sa=0、sc=1、sb=0进行切换。

滞环比较单臂开关控制的特点是每一次只切换一个桥臂，而且只切换对减小电流误差最合理的桥臂状态，这样可以充分利用每一次和每一个桥臂状态切换，有效减小开关次数。只有在超出外滞环边界时，为了提高电流的跟踪速度，才按照最大电流变化率进行切换。其次是它不需要知道期望电压U*和U*所落入的区域，不用估算系统参数，也不受系统参数激烈变化的影响，有较高的控制精度和稳定性，控制算法简单有效。这些特点对于电气化铁道同相牵引供电系统十分有意义。