一种基于四象限整流的列供系统的优化设计方法

文/李东

1　四象限整流的列供系统

列车供电系统主要功能是将铁路电网上的高压单相交流电经过机车内的变压器降压，再通过整流系统转换为直流600V的电源，用于给客车车厢的用电设备供电，主要包括客车的空调，暖气，生活用电，照明，插头等。目前，机车上的列供控制系统主要采用相控整流的方式，只要适当控制晶闸管触发导通瞬间的相位角，就能够控制直流输出电压的平均值，达到整流的目的。

有些机车上，已经开始逐步应用四象限整流技术进行列供系统的控制。四象限整流是采用PWM控制方式和IGBT全控型器件组成的整流电路，通过对整流电路进行控制，使其输入电流非常接近正弦波，且和输入电压相位相同，保证列供的功率因数近似为1。

四象限整流控制采用外环电压环和内环电流环的双闭环控制方式，电压控制器的输出是电流控制器的输入指令。该指令与电网电压的整流信号相乘作为电流给定。由于电流给定是与电网电压信号波形成比例的，所以电流给定信号和输入电压同相位。

相控整流使用的是半控型器件，而四象限整流使用的是全控型器件，因此相控整流只需控制好导通时的相位即可，控制相对简单，但也正因为这样，达不到对电流的控制，导致原边电流畸变严重，而四象限整流通过对全控型器件施加PWM脉冲，利用电压与电流的双闭环负反馈策略，能够很好地控制电流畸变，达到很好的功率因数。

2　输出滤波的优化选型设计

采用四象限整流控制的列供系统，在实际运行过程中，空载运行时电压工作正常，但带上实际的车厢负载后，启动空调等用电设备后，输出电流的波动较大，

分析客车内的电路，发现客车的负载为了保证输入电源的品质，在空调逆变器之前加入了电容用于平波，而正常的列供电路输出侧也有大电容，就会造成两个电容间形成回路，不停地进行充放电，形成二次脉动，导致输出电流和电压都存在一个100Hz的波动。简化的电路如图1所示，C1和R1为列供侧的支撑电容和电阻，C2为负载侧的电容，线路的阻抗等效成L，由于L很小，导致C1和C2间存在二次谐振，造成输出电流较大的波动。

分析等效电路，其中U为直流侧电压，可以理解为一个600V直流电压分量Ud和一个100Hz交流电压分量Uc的叠加。为了计算流过L的电流幅值iL，从R1右侧看，线路阻抗Z就等于R2和C2的并联，然后再和L串联，则

为了降低iL，公式（1）（2）可以看出，方法1是增大C1，目的是为了降低100Hz交流电压分量Uc，从而可以降低波动电流iL。方法2是在线路中串入L，可以增大线路阻抗Z，进而可以降低波动电流iL。

为了能够分析电抗和电容对实际电路的影响，利用matlab搭建仿真模型，对这两种方案进行仿真，负载尽量采用与实际接近的参数，整流器的控制算法采用实际机车上使用的控制方式和控制参数。

当 C1=30mF，C2=10mF时，L=10uH，此时模拟实际的工况，得到的仿真波形电流波动的上下限在200A以上，跟实际基本相符。

当加大C1至45mF时，其他量保持不变时，输出的电压电流波形如图2上部两个波形所示，可以看出增大支撑电容，输出的电压和电流波动对比更改前均有减小。

当增加L至1mH时，其他量保持不变时，输出的电压电流波形如图2下部两个波形所示，可以看出电压和电流的波动均有降低，电流波动在100A以内。

为了验证趋势，又使用了多组电容和电抗的参数，进行了多次仿真，发现随着支撑电容的增加，输出电流波动基本维持在170A左右，太大的支撑电容反而会导致输出波动加剧。增大电抗的方式，输出电流的波动可以维持在100A以内，但随着电抗的加大，对波动的抑制效果没有明显的改善，但如果电抗过小，则会导致波动加剧。

3　结论

图1：等效电路

图2：仿真波形

对于机车的列供系统，四象限的整流控制相对于原有的相控整流技术，有一定的技术优势，可以显著的提高功率因数，降低占用空间和减小原边电流畸变，但在实际应用中，由于存在二次脉动，导致输出的电流波动较大，为了更好地应用四象限的整流技术，提出了增加电抗和增大支撑电容的两种方式，都可以提高输出电源的品质，但相对来说，增加电抗的对输出电流波动的抑制效果要优于扩大电容。但是电抗的体积较大，在机车上占用的空间相对于电容大了很多，如果在空间受限的情况下，适当提高支撑电容的容值，也可以对输出电压和电流的品质进行一定的改善。故需要结合实际情况，选择优化的方案。