第六節　變流器中間直流環節及變流器控制策略

一、中間直流環節工作原理

在交—直—交變流器中，中間直流回路屬于儲能環節。在電壓型脈沖整流器中，其組成部分包括：相應于2倍電網頻率的串聯諧振電路；支撐電容器和過壓限制電路。

1.二次串聯諧振電路

由于脈沖整流器輸出的電流含有大量的高次諧波，其中二次諧波對系統的性能影響最大。二次串聯諧振電路的作用就是消除二次諧波，下面首先分析二次諧波產生的機理。

交流電源提供的瞬時功率為

其中包含一個恒定分量和一個以2倍電源頻率脈動的交變分量。

變壓器漏抗上的瞬時無功功率為

變流器輸入瞬時功率為

變流器輸出電流可根據變流器為無損耗和無儲能器件的簡化假設，由以下功率平衡關系求得

iN（t）uab（t）=idc（t）Ud

則

由式（2-22）可知，變流器的輸出電流包含直流分量和2倍于供電頻率的交流兩個重要分量，一個和一個其中直流分量UabINcosφ/Ud流入負載，幅值為UabIN/Ud的二次諧波電流分量從串聯諧振電路流過，而串聯諧振電路吸收漏抗產生的無功功率，因而可以降低電壓源瞬時功率的脈動分量。

2.支撐電容器

在電壓源型變流器中，支撐電容作為儲能器可以支撐中間回路電壓并使其保持穩定。支撐電容Cd值的大小直接決定著中間直流環節的工作性質，因此合理選擇Cd的值十分重要。

由于中間回路與兩端變流器之間存在著復雜的能量交換過程，迄今還沒有簡單實用的方法來選擇合適的支撐電容器Cd的值。但可以通過系統仿真，并按照以下準則來判定經驗取值的正確性。這些準則包括：

（1）中間回路直流電壓保持穩定，峰-峰波動值不超過規定的允許值。

（2）中間回路直流電流是連續的，沒有間斷，其峰-峰波動值不超過規定的許可值。

（3）中間回路的損耗應保持最小。

（4）所選擇的電容器的參數不會影響整個系統的穩定性。

（5）應當成功地抑制逆變器和電機中發生的暫態過程，保持系統穩定性。

（6）防止高頻電流可能引起對通信和信號系統的電磁干擾。

二、動車組牽引控制策略及其實現

列車牽引控制系統的主要控制目標是：①網側功率因數接近于1，電流畸變小；②在網壓波動時中間直流電壓保持恒定；③在負載或供電電壓波動時具有快速響應的動態性能，保持良好的穩態運行能力；④啟動平穩，諧波轉矩小，啟動力矩恒定；⑤在寬廣的速度范圍內實現恒功率控制。目前高速列車牽引控制常采用的控制策略有脈沖整流器瞬態直接電流控制、牽引逆變器—異步電機驅動系統磁場定向矢量控制和直接轉矩控制。

1.中間直流環節的穩壓控制

目前動車組牽引用脈沖整流器普遍采用瞬態直接電流控制策略，其控制框圖如圖2-29所示，它主要由電壓電流傳感器、電壓電流調節器、比較器、函數發生器、運算器及SPWM控制器組成。其數學表達式如（2-23）式所示。

其中，KP和Ti為PI調節器的參數 為中間直流側電壓給定值，Id、Ud分別為中間直流環節電流和中間直流環節電壓，K為比例放大系數，ω為網側電壓的角頻率。

瞬態電流控制的基本原理：為了達到中間直流環節恒壓控制的目的，將實時監測到的中間直流電壓Ud與給定值比較，當時Δe>0，PI調節器的輸出增加，使脈沖整流器的輸入電流增加，達到增加Ud的目的。當時反之。

實時檢測電網電壓和電流值，按照式（2-23）組成運算電路，輸出為參考電壓信號即為調制信號uab（t），這個調制信號包含了相角和幅值的信息，該調制信號與三角載波進行SPWM調制，生成PWM信號來驅動開關器件。

由式（2-23）可知，瞬態電流控制為電壓電流雙閉環控制系統，對于某一參數變動時，控制系統具有自動校正調節功能，最終達到穩態平衡。

采用瞬態直接電流控制策略，能夠使系統具有直流側電壓穩定快、動態響應好、對系統參數變化能很快作出調整等優點。

2.磁場定向矢量控制策略及其實現

交流電機矢量控制技術是指利用電機統一理論使交流電機的控制性能與直流電機可以媲美，在矢量控制系統中，根據定向空間旋轉磁場的不同，可分為定子磁場定向矢量控制系統、轉子磁場定向矢量控制系統和氣隙磁場定向矢量控制系統。由于轉子磁場定向的矢量控制基于交流電機的動態數學模型，動態性能好，轉矩響應速度快，磁鏈模型比較簡單，可增強列車防滑和抗負載擾動能力，已被大量應用于高速動車組牽引領域。