一种城市轨道交通牵引供电整流装置及其环流抑制方案.docx

? ? 一种城市轨道交通牵引供电整流装置及其环流抑制方案 ? ? 王伦月，王 雄，陈洁莲，吴雪峰，翁星方 （1.贵阳市城市轨道交通集团有限公司，贵州 贵阳 550000；2.株洲中车时代电气股份有限公司，湖南 株洲 412001） 0 引言 随着大量非线性负荷的投入运行，电网谐波污染问题日益严重，而人们对高性能电力传动技术的需要在不断增长，PWM整流技术已引起人们越来越多的关注［1-2］。三相PWM整流器具有输入电流正弦、单位功率因数、直流电压输出稳定、良好的动态性能的优势，并可实现能量的双向流动［3］。PWM整流器在城市轨道交通（简称“城轨”）供电领域替代24脉波二极管整流器已是未来发展方向［4-6］；但因IGBT器件的过载能力远不如大功率二极管的，在直流接触网发生短路时，PWM整流器需并联二极管桥旁路以提高抗短路能力［7］，而二极管桥与PWM整流器并联产生的环流问题是阻碍PWM整流器在牵引供电领域广泛应用的难题之一。 为此，本文提出一种新型城轨牵引供电整流装置拓扑及其环流抑制方案，其采用多个PWM整流器并联方式，同时PWM整流器也与二极管整流桥直接并联。多个并联PWM整流器采用特定角度载波移相调制算法，可成功抑制PWM整流器与二极管整流桥之间的环流问题，确保PWM整流器工作时二极管桥的安全；同时在直流接触网发生短路时，二极管桥提供短路电流，从而确保PWM整流器IGBT器件的安全。 1 PWM整流器与二极管整流桥并联环流抑制一般方法 PWM整流器与二极管整流桥并联运行时，抑制流经二极管环流的方法一般有3种。 第一种抑制方案如图1所示，其不需要隔离变压器，但滤波电抗器是必不可少的，且需要单独放置［8-10］。该方案环流的大小取决于PWM整流器的开关频率以及环流抑制电抗器电感的大小，且需要增加硬件投入与设备体积。 图1 第一种抑制环流方案Fig.1 The first solution to suppress circulation 第二种抑制方案如图2所示，其在PWM整流器交流侧接入隔离变压器，以隔断环流路径。隔离变压器可通过漏抗的形式集成交流侧滤波电抗器，也可以将此滤波电抗器外置［8-10］。该方案虽然能抑制环流，但是需要增加隔离变压器，增加了装置成本和体积。 图2 第二种抑制环流方案Fig.2 The second solution to suppress circulation 第三种抑制方案如图3所示，其在二极管整流桥直流侧增设可控功率器件［8-10］，在只需要PWM整流器运行时将可控功率器件断开，从而切断环流回路。显然此种方案不适用于PWM整流器和二极管整流桥同时运行的情况，且同样也存在增加装置成本及体积的问题。 图3 第三种抑制环流方案Fig.3 The third solution to suppress circulation 综上可知，第一、二种传统的环流抑制方案增加了整流装置的成本、体积与损耗；第三种方案不仅增加了整流装置的成本、体积和损耗，而且还不适用于需要二极管整流桥和PWM整流器同时投入工作的场合。因此，迫切需要研究出一种在无需增加任何硬件投入的情况下使PWM整流器和二极管整流桥并联运行时的环流大大降低、满足应用需求的方案。 2 牵引供电整流装置环流抑制方案设计 针对PWM整流器与二极管整流桥并联运行时的环流问题，下面首先对环流产生机理进行分析，在此基础上提出一种无需额外增加硬件投入的环流抑制拓扑及其控制方案。 2.1 环流产生机理分析 以一个PWM整流器与一个二极管整流桥并联为例来分析环流产生的机理，图4示出PWM整流器与二极管整流桥并联模型。其中，Ea、Eb、Ec分别为A相、B相、C相的电网电动势，PWM变流器交流侧电感两端的电压分别为Va、Vb、Vc。以A相二极管D1两端的电压为例，从PWM整流器3种典型的电流路径来分析PWM整流器和二极管整流桥之间的环流。 图4 PWM整流器与二极管整流桥并联模型Fig.4 Model of PWM converter and diode rectifier bridge in parallel PWM整流器3个桥臂有0和1两种开关状态，其中“1”表示上管开通、下管关断，“0”表示下管开通、上管关断。3个桥臂两种状态总共有8种组合情况。去除3个上管全开通和3个下管全开通的情况，同时考虑上、下管的对称性，本文选取100、101和110这3种典型的电流路径进行分析。 （1）当脉冲为100，即Q1、Q6、Q2开通，Q3、Q5、Q4关断，此时的通路如图5所示箭头路径。 图5 脉冲为100时PWM整流器与二极管整流桥之间的通路Fig.5 Path between PWM converter and diode rectifier bridge when the