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基于交直交技术的串联型宽电压抗谐波电源装置研究 郭晓玲 供变电 41 DOI：10.19587/ki.1007-936x.2023.03.009 基于交直交技术的串联型宽电压抗谐波电源装置研究 郭晓玲 摘 要：针对我国电气化铁路沿线通信信号、生产生活供电电源存在电压波动幅度大、电压畸变率高造成通信设备故障，UPS 设备的负载满足不了铁路信号道岔转辙机等冲击性负荷的要求等问题，研制了基于交直交全波整流、逆变技术的串联型宽电压抗谐波电源装置，显著改善了铁路沿线供电电源的电能质量，保障铁路沿线设备安全可靠供电。关键词：交直交全波整流；电力电子功率器件；电源 Abstract:With regard to the problems of large voltage fluctuation rate in communication,signal and production and daily power supply along electrified railways in China,the higher rate of voltage fluctuation rate will lead to the failures of communication equipment and lead to the problems that the loads of UPS equipment are unable to meet the requirements of the impact loads from railway signal point machines,a series connected wide voltage anti-harmonic power supply device based on AC-DC-AC technology is developed,it is able to improve dramatically the power quality of power supply devices,ensure the safe and reliable power supply of equipment along the railway line.Key words:AC-DC-AC full wave rectifier;electric power and electronic power device;power supply 中图分类号：U224.3 文献标识码：B 文章编号：1007-936X(2023)03-0041-05 0 引言 在我国电气化铁路中，为了给铁路沿线行车信号提供可靠的供电电源，主要采用从国网公司供电系统引入 10 kV 线路，或从电气化铁路接触网通过配电变压器提供供电电源。通过地方供电网络的10 kV 线路提供供电电源时，不仅会增加铁路沿线线路敷设的成本，而且在用电管理、节能降耗、用电结算等方面，也会带来复杂的管理与实施方面的问题。从电气化铁路接触网通过配电变压器获得供电电源，一方面由于接触网停电检修，供电的可靠性不强，另一方面虽然采用 UPS 电源以及交-直-交电源供电的措施，但供电质量较差，经常会造成通信设备故障，且 UPS 电源也满足不了如道岔转辙机等冲击性负荷正常运行的要求。因此，为保证铁路沿线信号设备安全供电的可靠性，特别是对于直接从接触网取电的线路，有必要研究适用于输入电压波动范围大、输入电压畸变率高的串联型宽电压抗谐波电源装置。1 基本原理 串联型宽电压抗谐波电源装置工作原理如图1所示。作者简介：郭晓玲.中国铁路郑州局集团有限公司郑州高铁基础设施段，工程师。DC 系统输入 变频调压输出 全控型整流器 直流源输出隔离变压器输入侧电能质量管理 双向能量传递 逆变输出 图 1 串联型宽电压抗谐波电源装置工作原理 先将工频交流电通过整流-滤波回路转换为直流电，再将直流电通过逆变设备转换成交流电，因此又称为有中间直流环节的变压变频装置或交-直-交变压变频装置。该变频装置由全控型整流滤波元器件和逆变元器件组成，其工作原理是将交流电压通过可控硅整流器整流为数值大小可以调节的直流电压 Vd。直流电压 Vd经过大电容或大电感组成的滤波回路进行滤波，提高了直流电压的电压质量。然后采用模块式结构的电力电子功率器件令其按照一定的顺序切换导通，即得到频率可以调节的交流电压 V01，其大小取决于全控型整流器输出电压，频率由采用的不同开关器件的变频器决定，并且不受电源频率的限制。2 关键技术及其解决方案 2.1 功率器件选择 串联型宽电压抗谐波装置中的功率器件主要为逆变器。根据逆变器采用的电子开关元器件的不同，将变频器分为晶闸管变频器、GTR（晶体管）变频器、GTO 变频器、MOSFET 变频器、IGBT 变频器和 IGCT 变频器等。而且功率器件可根据不同供变电 电气化铁道 2023年第3期 42 用途与容量要求进行选择。2.2 控制策略实现 常用的交流变频技术以脉宽调制 PWM（Pulse Width Modulation）方式为主，脉宽调制方式如图 2所示。通过电力电子器件一个周期内的快速开合/关断形成的脉冲与正弦波对应，虽然形状不同，但是冲量相等，当这些窄脉冲加在如电抗器等具有惯性的环节上时，产生的电压、电流正弦波波形与标准正弦波波形相同。因此，通过以上方式能发出任意幅值、任意相位的电压与电流波形。ET2LT3T1T4C+BA uuOOtt 图 2 脉宽调制方式示意图 由于脉宽调制 PWM 方式固有特性的影响，系统中不可避免会产生高次谐波电流、漏电流及空间电磁波等电磁干扰。随着电子信息技术的快速发展，单一脉宽调制PWM方式在高科技领域应用中产生高次谐波等弊病不断凸显，在此情况下，多电平、矩阵变换器和软开关等技术迅速发展，多电平组合波形的使用可以有效降低高压时输出波形的 du/dt，与此同时电磁干扰也随之降低2。2.3 主回路电气拓扑 2.3.1 多电平方式 多电平结构的变流器可以直接接入国网公司电力系统的中压配电网中，不需要使用变压器进行交流电压幅值的调整、无功功率的补偿等3，而且还可以通过与低压逆变器输出的电压叠加后输出高电压。这种结构的变流器主要包括 H 桥和三相逆变桥串联式多电平逆变电路。该结构的主要优点是输入侧功率因数高，各个单元电气上相对独立，采用冗余方式易实现电路的高可靠性；主要缺点是由于电路采用隔离变压器，增加了工程造价，装置体积和重量也相应增加4。2.3.2 功率器件串联 功率器件串联可以通过钳位的方式实现，通过低压功率器件的串联获得高电压输出。该结构的电路主要优点是利用低电压元器件较容易构成高电压大容量装置，且装置结构简单，易实现，控制方式灵活；主要缺点是当电平数量需要增加时，所匹配的功率元器件数量骤增。因此，功率器件串联的电气拓扑结构主要以三电平、五电平的应用为主。2.3.3 不同中点钳位方式比较（1）二极管中点钳位。目前二极管中点钳位多电平电路应用较为广泛，但应用于高电压大功率的场合，这种结构的主电路存在以下问题：直流母线侧各电容器的端电压可能存在不平衡；所需要钳位的二极管数量可能较多，间接钳位造成的装置内部开关元器件需要承受较大的电压应力。（2）飞跨电容式。该结构的多电平电路是利用飞跨电容的一种多电平电路拓扑结构，克服了二极管中点钳位型多电平电路的固有缺陷，只需引接一路直流电源，与其他类型的多电平逆变器如二极管箱位型多电平逆变器、级联型多电平逆变器等相比，具有很多优点。通过不同中点钳位方式比较，结合电气化铁路的特点，最终决定采用 IGBT 变频器全控型整流、大电容滤波回路进行滤波，整流逆变电路采用脉宽调制 PWM 调压调频的结构，主回路拓扑采用三电平，飞跨电容结合快速恢复二极管实现中点钳位。3 装置结构及治理效果 根据上述分析结果成功研制了串联型宽电压抗谐波电源装置，其结构如图 3 所示。投入运行后，现场测量与后台监控数据显示，装置的输入输出电压、电流均有明显改善。基于交直交技术的串联型宽电压抗谐波电源装置研究 郭晓玲 供变电 43 采样分解计算核心人机接口输出检测/保护电路连接电抗及高频载波滤波输出接触器及软上电回路检测及保护电路IGBT驱动及IGBT主回路直流储能组件驱动核心控制板电源模块提供各部分控制及驱动电源能量流动脉宽调制信号给定运行及异常信号反馈补偿增量给定实时数据系统电流信号采集计算板状态数据参数给定输出板功率板主回路电信号采集输出电流反馈控制电源进线数据与状态交互 图 3 装置系统结构 3.1 现场测量数据 3.1.1 装置输入输出电压曲线 图 4 所示为装置投运后长时间运行的输入、输出电压曲线。由图 4 可知，装置输出后的电压非常平稳，不受系统波动影响（注：6：30 后为例行设备检修时间）。260240220200180电压/V260240220200180电压/V21:00 22:00 23:00 0:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:008/10(周一)t输入电压；输出电压。8/11(周二)图 4 装置输入输出电压曲线 3.1.2 装置输入与输出的电压畸变率 图 5 所示为装置输入与输出的电压畸变率曲线。由图 5 可知，输入侧电压畸变率波动较大，频繁出现超过 5%以上的情况，而装置输出的电压非常平稳，畸变率在 1.2%左右，满足用电设备不超 过 5%电压畸变率的要求（注：装置输出电压畸变主要由非线性负载设备电流畸变率过高所导致）。86420电压畸变率/%1.51.0电压畸变率/%21:00 22:00 23:00 0:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:008/10(周一)t输入电压畸变率；输出电压畸变率。8/11(周二)图 5 装置输入侧与输出侧电压畸变率曲线 3.1.3 装置输入与输出相电流 图 6 所示为装置输入与输出相电流曲线。图中上部的蓝色曲线为装置输入电流（单相），下部的红色曲线为装置输出（三相中的一相）的电流。151050电流/A电流/A21:00 22:00 23:00 0:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:008/10(周一)输入电流；输出（三相中一相电流）。8/11(周二)151050t 图 6 装置输入侧与输出侧电流曲线 3.2 后台测量数据 为掌握电源装置的运行效果，通过后台连续监控了多日的治理效果，如图 7 所示。供变电 电气化铁道 2023年第3期 44 0:00:441:27:372:55:174:23:325:52:417:24:408:56:1510:38:0812:51:1114:59:4217:23:4119:38:0121:42:3323:46:311:40:193:32:095:31:467:32:069:32:3211:52:5614:08:2816:16:2318:41:4120:49:172251400:45:402:46:414:40:306:35:018:34:3410:41:4012:40:5114:43:5117:24:1319:39:3821:45:2723:48:461:45:003:38:415:35:487:41:519:45:5611:58:1614:09:2116:33:4819:02:4321:15:4823:19:171:13:363:09:455:04:576:59:379:02:2011:12:4113:18:5015:24:4717:48:2620:04:0422:05:560:09:032:00:463:54:155:58:088:52:4611:05:2113:12:5715:22:3617:29:1119:37:2821:47:1723:53:131:46:413:37:285:32:447:29:009:34:0811:31:5413:36:5315:39:5817:45:0419:55:1321:59:390:00:191:56:413:54:215:47:037:44:529:46:1111:52:5613:54:1615:53:3217:58:0620:09:2622:08:43240235230225220215210205200输入电流(V)；A相输出电压(V)；B相输出电压(V)；C相输出电压(V)。（a）装置单相输入侧与三相输出电压 0:00:441:27:372:55:174:23:325:52:417:24:408:56:1510:38:0812:51:1114:59:4217:23:4119:38:0121:42:3323:46:311:40:193:32:095:31:467:32:069:32:3211:52:5614:08:2816:16:2318:41:4120:49:172251400:45:402:46:414:40:306:35:018:34:3410:41:4012:40:5114:43:5117:24:1319:39:3821:45:2723:48:461:45:003:38:415:35:487:41:519:45:5611:58:1614:09:2116:33:4819:02:4321:15:4823:19:171:13:363:09:455:04:576:59:379:02:2011:12:4113:18:5015:24:4717:48:2620:04:0422:05:560:09:032:00:463:54:155:58:088:52:4611:05:2113:12:5715:22:3617:29:1119:37:2821:47:1723:53:131:46:413:37:285:32:447:29:009:34:0811:31:5413:36:5315:39:5817:45:0419:55:1321:59:390:00:191:56:413:54:215:47:037:44:529:46:1111:52:5613:54:1615:53:3217:58:0620:09:2622:08:43121086420输入电压畸变率(%)；A相输出电压畸变率(%)；B相输出电压畸变率(%)；C相输出电压压畸变率(%)。（b）装置单相输入侧与三相输出电压畸变率 0:00:441:27:372:55:174:23:325:52:417:24:408:56:1510:38:0812:51:1114:59:4217:23:4119:38:0121:42:3323:46:311:40:193:32:095:31:467:32:069:32:3211:52:5614:08:2816:16:2318:41:4120:49:172251400:45:402:46:414:40:306:35:018:34:3410:41:4012:40:5114:43:5117:24:1319:39:3821:45:2723:48:461:45:003:38:415:35:487:41:519:45:5611:58:1614:09:2116:33:4819:02:4321:15:4823:19:171:13:363:09:455:04:576:59:379:02:2011:12:4113:18:5015:24:4717:48:2620:04:0422:05:560:09:032:00:463:54:155:58:088:52:4611:05:2113:12:5715:22:3617:29:1119:37:2821:47:1723:53:131:46:413:37:285:32:447:29:009:34:0811:31:5413:36:5315:39:5817:45:0419:55:1321:59:390:00:191:56:413:54:215:47:037:44:529:46:1111:52:5613:54:1615:53:3217:58:0620:09:2622:08:4387654A相负载侧电流(A)；B相负载侧电流(A)；C相负载侧电流(A)。（c）装置三相输出电流 0:00:441:42:473:26 515:09:516:54:328:45:1910:43:3013:18:0815:55:4818:39:1321:08:1223:35:311:50:334:04:276:26:328:47:2611:24:4814:04:2616:36:4819:23:5221:47:380:08:302:26:034:41:476:55:569:19:3711:45:1114:10:2317:10:4619:46:2222:13:470:34:102:52:005:08:317:35:189:59:1512:38:2615:11:0318:05:1420:52:5023:17:551:35:443:47:116:04:548:23:5810:56:4413:22:5215:50:2118:37:0921:13:0423:36:551:50:324:03:176:28:119:45:3312:27:5014:57:1017:22:2819:55:0222:26:300:46:102:58:465:13:177:29:009:53:5912:14:1914:42:2117:08:3719:37:3422:06:250:25:182:44:314:59:027:13:169:35:3512:03:4014:26:2416:47:3719:19:1721:44:147060504030A相负载侧电流畸变率(%)；B相负载侧电流畸变率(%)；C相负载侧电流畸变率(%)。（d）装置三相输出电流畸变率 图 7 治理效果 基于交直交技术的串联型宽电压抗谐波电源装置研究 郭晓玲 供变电 45 通过现场测量与后台长期监控数据可以看出，该装置有效保证了负载供电的稳定性。通过该电源装置，系统输入的单相电压由 195235 V 大幅波动稳定到了三相（2200.2）V 以内的输出电压。将系统电源电压畸变 3%9%的状况稳定到负载侧电压畸变率 1.2%左右，保证了负载供电电压质量稳定。4 结语 利用基于交直交全波整流、逆变技术并兼容单相与三相电源输入以及电力电子功率器件（IGBT）部分采用模块式的结构创新点，研制了串联型宽电压抗谐波电源，有效解决了我国电气化铁路沿线通信信号、生产生活供电电源存在的问题，显著改善了铁路沿线供电电源的电能质量，保障了铁路沿线设备安全可靠供电。参考文献：1 张丽丽.220 kW 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