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1、四象限整流器,北京交通大学电气工程学院 林 飞,1,2,内容提要,四象限整流器简介 四象限整流器工作原理 四象限整流器控制环节 车网关系,3,电网,动作开关,滤波环节,负载,四象限整流器主电路,四象限整流器简介,4,开关闭合,开关断开,BOOST 电路,开关闭合，电感储能，电容经负载放电 开关断开，电感释能，能量传递到电容及负载侧实现升压,BOOST升压电路,四象限整流器简介,5,图1开关组合,电能由电网传递至整流器输入侧电感,图2开关状态,由整流器输入侧电感传递至直流母线,程序控制,图1,图2,四象限整流器升压整流工作原理,四象限整流器简介,6,CRH1牵引传动系统构成,四象限整流器简介,7
2、,CRH2牵引传动系统构成,三电平,四象限整流器简介,8,CRH3牵引传动系统构成,多重化技术,四象限整流器简介,9,CRH5牵引传动系统构成,四象限整流器简介,10,升压整流 能量双向流动 功率因数近似为1 电流波形正弦度高,四象限整流器特点,11,四象限整流器特点,120,模态1，T1与T4导通，T2与T3截止,模态2，T2与T3导通，T1与T4截止,电路模型和状态方程,四象限整流器工作原理,13,只考虑基波,模态1与模态2合并,四象限变流器双环控制策略,四象限整流器工作原理,14,考虑电压控制环存在积分环节,系统状态方程,电压外环,四象限整流器工作原理,主电路等效电路,等效电路,四象限整
3、流器工作原理,16,16,SASB=00或11,SASB=01,SASB=10,电网侧等效电路,直流侧等效电路,电路共有3种工作模式,可控电压源,可控电流源,四象限整流器工作原理,17,电网侧：,电容Cd向负载供电，直流电压通过负载形成回路释放能量，直流电压下降,当UN0和iN0时，D1与T3导通或T2与D4导通，牵引绕组向LN充电，电流iN的幅值增大，电感LN储能,当UN0和iN0时，D3与T1导通或T4与D2导通,电感LN向牵引绕组侧充电，电流iN幅值减小，电感LN释能,SASB=00,工作模式1,SASB=11,四象限整流器工作原理,18,当UN0和iN0时，D1与D4导通，牵引绕组和电
4、感LN都向直流侧电容充电，电流iN幅值减小，电感LN释放能量，储存在电感中的能量向负载R和电容释放，电感电流iN下降，,当UN0和iN0时，T1与T4导通，直流侧电容向牵引绕组和电感LN充电，电流iN幅值增大，电感LN储存能量,电网侧：,SASB=10,工作模式2,四象限整流器工作原理,19,电网侧：,当UN0和iN0时，T2和T3导通，牵引绕组和直流侧电容都向电感LN充电，电流iN幅值增大。电感LN储存能量,当UN0和iN0时，D2与D3导通，电感LN同时向牵引绕组和直流侧电容，电流iN幅值减小，电感LN释放能量,工作模式3,SASB=01,四象限整流器工作原理,20,四象限整流器工作原理,
5、B点单位功率因数整流控制,V端点在AB上运动时，PWM整流器需从电网吸收有功功率及感性无功功率 V端点在BC上运动时PWM整流器需从电网吸收有功功率及容性无功功率,四象限整流器工作原理,21,V端点在CD上运动时，PWM整流器向电网传输有功功率及容性无功功率 V端点在DA上运动时，PWM整流器向电网传输有功功率及感性无功功率,D点单位功率因数整流控制,四象限整流器工作原理,22,隔离电网电压与整流器交流侧电压 滤除电压源型整流器交流侧谐波电流 向电网传输无功功率 系统获得一定的阻尼特性,电感作用,四象限整流器工作原理,23,考虑有功（无功)功率因素 快速电流跟踪 抑制谐波电流,电感满足指标,四
6、象限整流器工作原理,24,交流侧功率因数角为,若采用三角载波SPWM控制，忽略桥路损耗,电感设计,四象限整流器工作原理,25,特殊工作点,L,P、q取值及状态,A,B,C,D,P=0 q0 纯感性特性,P0 q=0 单位功率因数 整流,P=0 q0 纯容性特性,P0 q=0 单位功率因数 逆变,90。,0。,-90。,-180。,或,或,或,或,。,四象限整流器工作原理,26,电感参数设计,快速电流跟踪 抑制谐波电流,当电流过零时，变化率最大，电感足够小，以满足此时快速跟踪性 在正弦波电流峰值处，谐波电流脉动最严重，电感应足够大,四象限整流器工作原理,27,单极性PWM电流过零处,要满足快速电
7、流跟踪要求则必须有,四象限整流器工作原理,28,单极性PWM电流峰值处,正弦波电流峰值附近一个PWM 开关周期中,四象限整流器工作原理,29,双极性PWM电流过零处,要满足快速电流跟踪要求则必须有,四象限整流器工作原理,30,双极性PWM电流峰值处,正弦波电流峰值附近一个PWM 开关周期中，,四象限整流器工作原理,31,车型,直流环节电压,输入电压,输入功率,CRH1,CRH2,CRH3,CRH5,900V,1500V,1550V,1770V,4 527kV A,1285KV A,4 1410KV A,6220kV A,。,1650V,3000V,27003600V,3600V,电感,四象限整
8、流器工作原理,2.195mH,32,直流侧电容,缓冲交流侧与直流侧负载的能量交换，且稳定直流侧电压 抑制直流侧谐波电压,四象限整流器工作原理,33,直流电压跟随性指标时电容设计,Vd=1.17V1,整流器电源平均值,直流侧输出额定功率的直流电压,直流电压上升时间常数,四象限整流器工作原理,34,满足直流电压抗扰性指标时电容设计,四象限整流器工作原理,35,直流环节二次滤波器,整流器直流侧功率等于交流电源提供的功率减去电感上消耗的无功功率,在设计直流侧LC谐振电路时，主要考虑以下两个方面的问题： LC谐振滤波器的谐振频率是2 倍于交流侧输入电压频率 将电容C 取得稍微大一点,四象限整流器工作原理
9、,36,1.在直流侧获得一个恒定的直流电压。,5.平衡多电平整流器的中点电位。,2.,4. 减小直流侧电压的纹波和减小直流侧电容的体积和重量。,3.为了减小开关损失尽可能的降低开关频率。,四象限整流器控制环节,在交流侧获得一个有着近似单位功率因数的正弦波电流。,37,目标： 达到单位功率因数,电压 控制器,电流 控制器,脉冲 发生器,目标： 获得恒定的直流侧电压,目标： 产生能够驱动开关的脉冲信号,四象限整流器控制环节,电流控制方法,CRH2型车 CRH5型车,38,瞬态电流法 预测电流法,虚拟dq变换 比例谐振,四象限整流器控制环节,39,瞬态电流法,为减轻电压外环PI调节器的负荷，改善PI
10、调节器的动态响应，增加有效分量I*N2,基本公式,控制框图,四象限整流器控制环节,40,预测电流法,在任一PWM开关周期内，电流必须满足,则在一个开关周期,基本公式,控制框图,四象限整流器控制环节,41,比例谐振,基本公式,控制框图,消除交流系统的稳态误差， 抑制低次谐波和开关频率附近的高次谐波,42,坐标变换示意图,虚拟dq变换,电压、电流在dq坐标系下的分量,坐标变换矩阵,43,虚拟dq变换控制框图,电流环控制框图,四象限整流器控制环节,电压相位检测,过零检测 直接计算 锁相环（PLL）,44,四象限整流器控制环节,45,三电平脉冲整流器,四象限整流器控制环节,46,SA和SB组成的开关状
11、态共有9种组合，对应9种工作模式,开关等效电路图,三电平四象限变流器工作模式,四象限整流器控制环节,47,中点电位平衡,问题：当主电路任意相出现零电平时，外电路对直流侧电容中点注入或抽取电流，中点电位产生漂移，造成输出波形谐波含量加大，上下电容分压不均。,解决思路：判断脉冲整流器功率流向，在适当时候通过脉冲转换改变上下两个电容的充放电过程,四象限整流器控制环节,48,中点电位平衡,数学模型,实质：通过调整开关状态使中点电位恢复平衡。,四象限整流器控制环节,49,1. 牵引工况下,直流侧电压波形,b. 实验结果,a. 仿真结果,四象限整流器控制环节,50,2.牵引工况向再生工况下切换时,四象限整
12、流器控制环节,51,3. 再生工况下,四象限整流器控制环节,52,多重化技术,通过变压器耦合的方式将多个相同结构的 整流单元按串联或并联的方式组合,消除部分单个PWM整流器调制时产生的偶数倍于开关频率附近的谐波 消除谐波的次数与多重化并联或串联的整流单元个数有关,四象限整流器控制环节,53,两重化整流器三角载波移相,单相二重化变流器,二重化,四象限整流器控制环节,54,两电平整流器1、2输入电流波形对比,in2采用 多重化技术,变压器一次侧电流波形,变压器一次侧电流频谱图,二重化结构仿真结果,四象限整流器控制环节,55,变压器一次侧电流波形,变压器一次侧电流频谱图,四重化结构仿真结果,四象限整
13、流器控制环节,56,CRH1,CRH2,CRH3,CRH5,。,车型,整流器 开关频率,450HZ,1250HZ,350HZ,250HZ,四象限整流器控制环节,不同车型整流器开关频率,车网关系,原理简述 四象限谐波特性 牵引网链式网络模型 谐振现象仿真,57,58,车网谐振原理简述,危害,供电保护中断,车辆避雷器击穿,车网关系,59,谐振原理,车网谐振现象： 列车运行过程中产生的某次谐波电流流入牵引网，与牵引网和牵引变电所的阻抗构成了某次谐振电路，使得牵引变电所或列车端电压电流幅值明显升高。,影响因素：,车网关系,60,四象限谐波特性,逆变,整流,车网关系,CRH2基本结构,61,三电平整流器
14、,交流侧,电压,电流,四象限谐波特性,谐波,车网关系,62,网侧谐波分析（牵引工况）,变压器二次侧,额定负载,车网关系,63,网侧谐波分析,变压器一次侧,FFT,额定负载,车网关系,64,网侧谐波分析,变压器一次侧,FFT,50%额定负载,车网关系,65,网侧谐波分析,变压器一次侧,FFT,120%额定负载,车网关系,66,牵引供电系统的网络结构特点和列车实际位置对系统划分切面,牵引网链式网络模型,串联元件,并联元件,车网关系,67,串联元件 并联元件,串联阻抗元件 平行多导体传输线,并联阻抗元件 横向连接线 AT 方式自耦变压器,牵引网链式网络模型,串联电容补偿装置 抗雷圈等,并联补偿装置
15、无源滤波装置 RC过电压吸收装置 综合接地等,上下行并联连接线 复线首末端并联连接线 保护线、保护线等,车网关系,68,2011年1月9日，CRH380A-6041（CRH380AL-16型动车组）、CRH380B-6402L（CRH380B-12型动车组）在京沪先导段同时进行试验。在AL型车实施符合制动调速准备进蚌埠南站时，牵引供电网电压出现高幅度峰值，致使停在站内的BL型动车组避雷器被击穿，牵引网失压3秒钟。,谐振现象仿真,车网关系,69,9:35， CRH380A-6041L开始在徐州东-蚌埠南区间往返。 10:27，CRH380A-6041L在固镇到蚌埠南间运行，准备制动金蚌埠南站；CRH380B-6402L受电弓升起，检测到网压，此时主断路器未闭合。 10:28:23，CRH380A-6041L在K844.058处实施复合制动调速准备进站，初速200km/h。此时网压出现较高幅度峰值，AL检测到峰值54.5kV，BL检测到峰值66.4kV，持续时间约80s。 80s后（ 10:29:43 ）接触网出现失压，持续时间约3s。10:29:46，失压结束。 10:31:25，CRH380A-6041L蚌埠南站内停车。,谐振现象仿真,车网关系,70,仿真结果,阻抗值出现极大值时对应的频率,谐振频率,车网关系,71,谐振频率不会随着列车的位置不同而变化 4
