高速铁路平衡变换装置参数确定原则

平衡变换装置参数确定主要是指主电路结构、开关器件、直流侧电压及电容容量、滤波电感和变压器的选择。第3章3.3节针对不同接线方式系统，给出了主电路的结构形式，本节简要讨论变流器直流侧电压、电容和交流侧滤波电感参数的确定方法，更详细内容可参考相关文献。

1．开关器件的选择

开关器件有MOSFET器件、IGBT器件和GTO/IGCT器件等多种类型，选择时应根据器件的耐压水平、最大工作电流和开关频率以及不同应用场合综合考虑。器件的耐压水平和最大工作电流一般应根据装置的容量和直流侧电压的大小来确定。考虑可靠性的需要，通常选择器件的耐压水平为器件实际中承受的最大工作电压的两倍以上；而开关器件的最大工作电流一般选择为实际最大峰值电流的两倍以上。开关频率则应根据补偿要求选择，从理论上讲，开关频率越高，变流器产生的补偿电流越接近实际补偿电流，补偿效果也越好；但随着器件开关频率的增高，开关损耗会增加，器件的价格和器件工作时对散热要求也会越高。

2．直流侧电压及电容容量的确定

变流器直流侧电压主要根据器件的耐压水平和变流器的补偿能力确定。直流侧电压应与器件的耐压水平相协调，一方面应确保器件不因为直流电压过高而损坏，另一方面又应使器件得到充分利用，不因为器件耐压水平过高而造成浪费。变流器的补偿能力与直流侧电压有关，为了研究变流器的补偿能力与直流侧电压的关系，可将同相供电平衡补偿系统等效为图7.1所示的电路。根据图7.1可得

式中　us（t）、uc（t）——系统等效电压和变流器等效输出电压；

L、R——等效电感和电阻；

ic（t）——变流器提供的补偿电流。

通常情况下，等效电阻很小，可以忽略，同时根据控制理论，变流器可等效为一个比例放大器，所以输出电压uc（t）与变流器直流侧电压udc（t）的关系可表示为uc（t）=Kwudc（t），Kw为与调制控制方法有关的一个比例函数。所以式（7.1）可近似为

图7.1　平衡补偿系统等效电路

为得到好的补偿效果，平衡补偿装置提供的补偿电流应满足两个条件：① 变流器必须有能力提供所需要的期望补偿电流，也就是说变流器能够提供大于或等于系统所需要的补偿电流，这要求平衡补偿装置容量应满足一定要求；② 变流器的输出电流变化率应大于等于期望补偿电流变化率，只有这样才能快速跟踪期望补偿电流的变化。从式（7.2）可以看出，由于通常Kw变化范围是一定的，所以为了提高变流器输出电流的变化率，要么减小滤波器的等效电感L，要么增大直流侧电压udc（t）。利用式（7.1），根据补偿电流变化率、等效电感、电阻和系统电压us（t）以及所选择的脉冲调制方法，可以估算直流侧电压udc（t）下限，如果能够满足电流变化率的要求，通常选直流侧电压为us（t）峰值电压的3倍以上[21，107]，否则将不能达到预期的补偿效果。(www.xing528.com)

直流侧电容的作用是为了防止直流电压波动，用于缓存补偿容量，所以只要与电感不发生谐振，从补偿效果上讲，电容容量越大越好，但电容容量越大，装置的成本就越高，所以电容的容量以满足直流电压波动不超过允许范围为宜。设直流电压波动率和电容储存能量最大变化量分别为[47，107]：

式中　δ、Udc——直流电压的允许波动率和直流电压udc（t）的平均值；

Udcmax、Udcmin——直流电压最大值和最小值；

C——直流电容的容量。

由式（7.4）可得[47，107]

3．滤波电感的选择

根据式（7.2）知，平衡补偿装置输出电流又跟踪补偿电流的能力与电感有关，电感越小，跟踪能力越强，补偿效果越好。但滤波电感又不能过小，因为滤波电感的作用主要是增加平衡补偿装置输出电流的光滑程度，限制输出电流脉动的幅度，滤除基于开关频率的特征谐波。如果电感过小，则达不到应有的效果；而且滤波电感过小，一旦平衡补偿装置本身出现故障，就会产生较大的过电流，从而影响系统。综合考虑以上因素滤波电感应满足[47，107]：

式中Em、Im——系统电源相电压峰值和交流侧基波电流峰值；

Δimax——交流侧谐波电流最大允许脉动的幅值；

μ ——与相数有关的一个常数，单相μ=1，三相μ=3/2；

Ts——开关周期。