孙绍波 陈 刚 姚一峰

（1. 中国铁路昆明局集团有限责任公司，云南 昆明 650011；2. 中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031；3. 日新电机（无锡）有限公司，江苏 无锡 214112）

随着我国铁路建设的发展，一大批高标准线路在西部山区开始建设，这些线路往往桥隧比例高、地形条件差，地方35、10 kV电源十分薄弱，无法满足铁路配电所用电需求。为解决电源薄弱地段铁路电力变配电所供电电源，需对电力系统进行大规模的配套建设，工程投资巨大，而如果利用铁路牵引供电解决配电所供电电源，则可减少电力系统配套建设工程，节约工程投资。

本文通过一台三相10 kV 2 MVA逆变器对理论分析进行验证，试验结果表明，装置能够完成高压下DC/AC变换，装置输出电压稳定且电能质量高，具有良好的市场前景。

1 高压链式逆变器主电路拓扑分析

高压链式逆变器主电路拓扑如图1所示，包括多绕组整流变压器、软启动电阻、软起接触器、功率单元级联构成的三相桥臂、LC 滤波器、Δ/Υ变压器。

图1 高压链式逆变器主电路拓扑

软启动电阻以及软起接触器对功率单元直流电容预充电进行控制：电容预充电过程中软起接触器断开，通过软启动电阻对直流电容进行充电，减小电容充电过程中的电流冲击；电容充电完成后软起接触器闭合，将软启动电阻从主电路中切除。

多绕组整流变压器将10 kV 电网电压降压为适合的低压，从而为功率单元提供电源输入，此外，还可以实现高压逆变器与电网之间的电气隔离。

功率单元主电路拓扑如图2所示，包括二极管整桥、直流电容以及H桥逆变器。二极管整流桥由D1、D2、D3、D4四个二极管组成，将降压变压器输出的交流电压整流为直流脉动电压。直流电容作为二极管整理桥与H桥逆变器之间的能量缓冲，保证运行过程中直流电压的稳定，一方面对二极管整流桥输出的直流脉动电压进行平滑滤波，另一方面吸收来自逆变器的高频脉冲电流。H桥逆变器由IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4组成，将直流电压转化为幅值和相位可调的交流电压，完成电能的DC/AC变换。

图2 功率单元主电路拓扑

受IGBT耐压限制，功率单元只能输出较低的交流电压，而逆变器交流高压则通过功率单元级联实现。三相高压链式逆变器包含ABC三个桥臂，其中，每个桥臂均通过一定数量功率单元级联实现，其首部通过LC滤波器与Δ/Υ 变压器相连，尾部则互相连接形成悬空中性点n。

逆变器桥臂输出电压由各个功率单元输出电压叠加组成，含有一定高次分量，因此，需要在桥臂输出侧设置低通滤波器。本文在三相桥臂输出侧设置LC低通滤波器以滤除高频分量，从而获得平滑的正弦输出电压。

考虑负载的复杂性，高压逆变器要求具有同时向平衡/不平衡、线性/非线性负载供电的能力。针对不平衡负载，低压逆变器主要有以下三种拓扑形式：插入Δ/Υ 变压器式、三相分裂电容式逆变拓式以及三相四桥臂逆变拓扑式。针对高压链式逆变器，经过对比分析，在逆变器输出侧插入Δ/Υ变压器实现不平衡负载下装置的正常运行：变压器次级给不平衡负载所产生的中性电流提供电流通路，而初级则给引起的由负载不平衡或3的倍数次谐波零序电流提供环流通路。高压链式逆变器通过Δ/Υ 降压变压器将装置输出交流高压降压为380 V，从而为铁路配电所供电。

2 高压链式逆变器控制策略

本文通过负载电流前馈的电压电流双闭环控制策略对高压链式逆变器进行控制，主要包括电压控制闭环、负载电流前馈以及电流控制闭环。

电流控制闭环可以选择滤波电容电流或者滤波电感电流作为反馈信号，其中，由于滤波电容电流具有超前输出电压的特性，能够反映输出电压的变化趋势，从而可以提前校正输出电压的变化，但是利用滤波电容电流作为反馈信号无法控制滤波电感电流以及负载电流，从而无法对装置过流和短路进行控制和保护，而滤波电感电流等于负载电流和滤波电容电流的总和，通过控制滤波电感电流就可以间接控制滤波电容电流和负载电流。综合以上分析，本文选择滤波电感电流作为电流闭环的反馈信号，通过P控制器对电流进行控制，控制系统传递函数框图如图3所示。

图3 控制系统传递函数框图

考虑电流闭环带宽远大于电压闭环带宽，在一定频率范围内，电流环闭相可以简化为比例系数为1的比例环节，简化后控制系统传递函数框图如图4所示。

图4 简化后控制系统传递函数框图

简化后逆变器传递函数如式（1）所示，由式（1）可知随着负载电流增加逆变器输出电压逐步减小，其变化量与成正比，因此，又被称为逆变器的输出阻抗。

由式（1）可知，可以通过增加电压环比例系数 减小负载电流对输出电压的影响，但是电压环比例系数的增加会导致电压闭环补偿后穿越频率变大，影响系统对高频干扰的衰减效果，同时系统的相位裕度变小影响系统稳定性，因此，只能在不影响控制系统稳定性的前提下对参数进行调整，并且不能从根本上消除负载电流对输出电压的影响。

增加负载电流前馈后，逆变器传递函数框图如图5所示。

图5 增加负载电流前馈后控制系统传递函数框图

增加负载电流前馈后逆变器传递函数如式（2）所示，由式（2）可知，负载电流对输出电压没有任何影响。

综合以上分析，高压链式逆变器整体控制框图如图6所示，主要包括电压控制闭环、负载电流前馈以及电感电流闭环。电压闭环根据交流电压指令与输出电压的差值通过P控制器得到电流指令，电压闭环输出电流指令与负载电流相加得到最终的电流指令。电流闭环根据电流指令与滤波电感电流的差值通过P控制器得到功率单元的调制指令，从而调整桥臂电压的幅值和相位实现电流的快速跟踪，并最终实现装置输出电压的控制。为了降低输出电压谐波含量以及减少功率单元损耗， 本文中采取载波移相（CPSPWM）调制策略。

图6 高压链式逆变器控制系统框图

3 10 kV高压逆变器样机以及试验结果分析

本文通过搭建的10 kV 2 MVA 高压链式逆变器样机对控制策略的有效值进行验证，逆变器主要参数如表1所示。逆变器通过调整滤波电感电流的大小和相位实现幅值10kV并且相位与电网电压一致交流高压的稳定输出。

表1 高压逆变器参数表

空载下，逆变器输出电压以及电流波形如图7所示，其中曲线1为10 kV电网线电压（PT变比为100），曲线2为装置输出线电压（PT变比为100），曲线3为装置滤波电感电流，以下波形中曲线定义与此相一致。空载下逆变器输出电压与设定基本一致。

图7 空载下装置输出电压以及电流波形

满载下，无负载电流前馈时装置输出电压以及电流波形如图8所示，由图可知装置输出电压的幅值和相位与设定存在较大的偏差，负载电流对装置输出电压有很大的影响。

图8 满载且无负载电流前馈下装置输出电压以及电流波形

满载下，加入负载电流前馈时装置输出电压以及电流波形如图9所示，装置输出电压幅值和相位与设定基本一致，负载电流对装置输出电压影响很小。

图9 满载且负载电流前馈下装置输出电压以及电流波形

通过对比图8和图9可知，负载电流前馈策略可以很好地消除负载电流对输出电压的影响，减小逆变器的输出电阻。

4 结语

为解决电源薄弱地段铁路配电所供电困难的问题，本文提出利用高压链式逆变器将电能质量较差的铁路牵引供电转化为符合电能质量要求的10 kV电源，从而为铁路配电所供电。本文对高压链式逆变器的主电路拓扑以及控制策略进行分析，并通过10 kV 2 MV高压逆变器样机对理论分析进行试验验证，试验结果表明，高压链式逆变器可以完成高压下DC/AC转换，并且输出电压稳定且电能质量高，能够满足铁路配电站的用电需求。