能量回饋型同相供電系統的單相PWM整流器研究

摘要：針對能量回饋型同相供電系統中單相H—H功率單元的PWM整流器，提出了一種電壓、電流前饋的雙閉環控制策略。同時，針對大功率低開關頻率應用場合，給出了一種調制方法，解決系統延時帶來的控制性能下降問題。最后，基于數字信號處理器(DSP)與復雜可編程邏輯器件(CPLD)，構建了兆瓦級單相PWM整流器硬件裝置。實驗結果表明，系統運行穩定，動、靜態性能符合指標要求。
關鍵詞：整流器；能量回饋；控制策略；調制

1 引言
我國電氣化鐵路主要采用單相交流變壓器供電方式，該供電方式存在負序、諧波、無功、電分相、供電效率低等問題，不僅對電力系統造成了嚴重影響，且隨之產生的過電壓現象嚴重影響了機車的正常運行，極大地制約了高速重載運輸的實現。
近年來，提出的基于三相-單相電力電子變流器的新型同相供電系統，可從根本上解決上述問題。這里基于文獻中新型同相供電裝置拓撲結構，研究了該應用場合下的大功率單相PWM整流器控制系統的控制策略。
這里采用比例-積分(PI)和比例-諧振(PR)調節器構成雙閉環控制系統，對單相PWM整流器的直流母線電壓及輸入電流進行控制，并給出了
一種異步采樣方法，解決了傳統的規則采樣法在低開關頻率下帶來的控制系統滯后增大的問題。

2 同相供電裝置拓撲結構
新型同相供電拓撲結構如圖1所示。

圖1中，新型同相供電裝置由多個單相背靠背功率單元構成，每個功率單元輸入側連接一個三相工頻多繞組變壓器的次級繞組，輸出側采用多單元串聯方式輸出單相工頻交流電壓。該結構采用全電力電子變流方式，可從根本上解決目前鐵路供電中存在的問題，同時實現單位功率因數電能回饋。
圖1中每個功率單元拓撲結構如圖2所示。

圖2中，AC／DC／AC結構的功率單元由背靠背H橋組成。選擇：IGCT作為開關器件，以適應大功率變流器要求。由于單相變流系統的瞬時功率存在二倍頻波動，且功率單元輸入、輸出側均為工頻50 Hz，造成直流母線電壓存在二倍頻波動，如果不加以抑制，該波動將通過控制系統使網側電流產生低次諧波。因此，該拓撲在直流母線電容旁并聯了中心頻率為100 Hz的LC帶阻濾波電路，抑制直流母線二倍頻波動。