第六节　变流器中间直流环节及变流器控制策略

一、中间直流环节工作原理

在交—直—交变流器中，中间直流回路属于储能环节。在电压型脉冲整流器中，其组成部分包括：相应于2倍电网频率的串联谐振电路；支撑电容器和过压限制电路。

1.二次串联谐振电路

由于脉冲整流器输出的电流含有大量的高次谐波，其中二次谐波对系统的性能影响最大。二次串联谐振电路的作用就是消除二次谐波，下面首先分析二次谐波产生的机理。

交流电源提供的瞬时功率为

其中包含一个恒定分量和一个以2倍电源频率脉动的交变分量。

变压器漏抗上的瞬时无功功率为

变流器输入瞬时功率为

变流器输出电流可根据变流器为无损耗和无储能器件的简化假设，由以下功率平衡关系求得

iN（t）uab（t）=idc（t）Ud

则

由式（2-22）可知，变流器的输出电流包含直流分量和2倍于供电频率的交流两个重要分量，一个和一个其中直流分量UabINcosφ/Ud流入负载，幅值为UabIN/Ud的二次谐波电流分量从串联谐振电路流过，而串联谐振电路吸收漏抗产生的无功功率，因而可以降低电压源瞬时功率的脉动分量。

2.支撑电容器

在电压源型变流器中，支撑电容作为储能器可以支撑中间回路电压并使其保持稳定。支撑电容Cd值的大小直接决定着中间直流环节的工作性质，因此合理选择Cd的值十分重要。

由于中间回路与两端变流器之间存在着复杂的能量交换过程，迄今还没有简单实用的方法来选择合适的支撑电容器Cd的值。但可以通过系统仿真，并按照以下准则来判定经验取值的正确性。这些准则包括：

（1）中间回路直流电压保持稳定，峰-峰波动值不超过规定的允许值。

（2）中间回路直流电流是连续的，没有间断，其峰-峰波动值不超过规定的许可值。

（3）中间回路的损耗应保持最小。

（4）所选择的电容器的参数不会影响整个系统的稳定性。

（5）应当成功地抑制逆变器和电机中发生的暂态过程，保持系统稳定性。

（6）防止高频电流可能引起对通信和信号系统的电磁干扰。

二、动车组牵引控制策略及其实现

列车牵引控制系统的主要控制目标是：①网侧功率因数接近于1，电流畸变小；②在网压波动时中间直流电压保持恒定；③在负载或供电电压波动时具有快速响应的动态性能，保持良好的稳态运行能力；④启动平稳，谐波转矩小，启动力矩恒定；⑤在宽广的速度范围内实现恒功率控制。目前高速列车牵引控制常采用的控制策略有脉冲整流器瞬态直接电流控制、牵引逆变器—异步电机驱动系统磁场定向矢量控制和直接转矩控制。

1.中间直流环节的稳压控制

目前动车组牵引用脉冲整流器普遍采用瞬态直接电流控制策略，其控制框图如图2-29所示，它主要由电压电流传感器、电压电流调节器、比较器、函数发生器、运算器及SPWM控制器组成。其数学表达式如（2-23）式所示。

其中，KP和Ti为PI调节器的参数 为中间直流侧电压给定值，Id、Ud分别为中间直流环节电流和中间直流环节电压，K为比例放大系数，ω为网侧电压的角频率。

瞬态电流控制的基本原理：为了达到中间直流环节恒压控制的目的，将实时监测到的中间直流电压Ud与给定值比较，当时Δe>0，PI调节器的输出增加，使脉冲整流器的输入电流增加，达到增加Ud的目的。当时反之。

实时检测电网电压和电流值，按照式（2-23）组成运算电路，输出为参考电压信号即为调制信号uab（t），这个调制信号包含了相角和幅值的信息，该调制信号与三角载波进行SPWM调制，生成PWM信号来驱动开关器件。

由式（2-23）可知，瞬态电流控制为电压电流双闭环控制系统，对于某一参数变动时，控制系统具有自动校正调节功能，最终达到稳态平衡。

采用瞬态直接电流控制策略，能够使系统具有直流侧电压稳定快、动态响应好、对系统参数变化能很快作出调整等优点。

2.磁场定向矢量控制策略及其实现

交流电机矢量控制技术是指利用电机统一理论使交流电机的控制性能与直流电机可以媲美，在矢量控制系统中，根据定向空间旋转磁场的不同，可分为定子磁场定向矢量控制系统、转子磁场定向矢量控制系统和气隙磁场定向矢量控制系统。由于转子磁场定向的矢量控制基于交流电机的动态数学模型，动态性能好，转矩响应速度快，磁链模型比较简单，可增强列车防滑和抗负载扰动能力，已被大量应用于高速动车组牵引领域。