郭 磊，星成武
摘 要：提出接触网供电单相转三相电源设计方案，采用有源功率因数调节电路实现直流升压，通过三相四线逆变桥实现三相功率的逆变输出，形成了一种适用于电气化铁路接触网取电的单三相电源供电方案。经试验验证，该方案设计合理，电能输出满足国标要求。
关键词：单三相电源；逆变；方案设计
我国电气化铁路三相负荷供电一般接引自地方电力线路，由沿线的专用配电所或邻近的箱式变压器引出，为特定的非牵引负荷供电。然而对于特殊地区，如山区、隧道，不具备直接接引三相电力电源的条件，受牵引网27.5 kV单相供电制式的制约，也无法直接从接触网取电。因此，电气化铁路特殊区段单相转三相电源装置应用需求迫切。
回顾国内外单相转三相电源解决方案，早期的有旋转劈相机、单-三相变压器、电容劈相器等，这些解决方案普遍存在谐波含量大、三相电压平衡度差、结构复杂、现场调试困难等缺点。随着电力电子技术的发展，先后出现了采用半导体晶闸管、GTO、IGBT等为代表的逆变电源装置，具有电源输出稳定、带载能力强、抗干扰、体积小等优点。本文研究采用电力电子装置实现接触网取电单三相逆变电源的方案设计。该方案具有隔离输入侧干扰、容量大、体积小等优点，适合作为电气化铁路牵引变电所三相配电电源使用。
该方案设计从接触网取电，通过27.5/0.23 kV变压器进行降压，再接引整流逆变装置，主接线如图1所示。
3) 腹地货源对港口群干支航线网络的形成起主导作用，虽然非核心枢纽港腹地货源改善有助于提升这些港口的转运功能，但是由于其已开发干支泊位资源的不足，港口群整体的转运效率明显下降。
单三相逆变电源装置包括整流、逆变模块。整流模块采用二极管不控整流桥，通过有源功率因数校正（Active Power Factor Correction，APFC）电路实现电压升压；逆变模块采用IGBT的三相四线桥，实现三相逆变输出。
图1 方案主接线示意图
采用APFC电路，将Boost的DC-DC开关变换器（由开关管和相应控制电路组成）接在整流桥和输出电容之间，应用电流反馈技术，通过控制电路迫使输入端电流在整个周期内严格跟踪交流输入正弦电压波形，因而其功率因数高，THD值小，可实现提高功率因数、抑制谐波电流的功能，并且能在较宽的输入电压范围内工作，可有效解决谐波污染，明显减小输入电流的谐波失真度。拓扑电路如图2所示。
APFC由桥式整流电路、PFC主功率电路和滤波电容器C组成。T1为IGBT管，D1为二极管。整流桥将输入的交流电压整流为脉动的直流电压，PFC主功率电路拓扑为Boost升压电路，通过控制T1管开通、关断实现电压升压，并实现电抗器电流跟踪指令正弦电流，使电流与输入电压同相位，提高电源的功率因数，减少谐波影响。滤波电容为逆变桥提供稳定的电压支撑。
图2 APFC的Boost拓扑结构
APFC控制逻辑需要实现2个目标：（1）使输入电流在整个周期内跟随输入电压并使其正弦化，减小两者之间的相位差，提高电路的功率因数；（2）稳定输出电压，作为整个电源装置的电压预调节器，为三相变流器提供直流电压支撑。
在实现方法上，采用电压外环、电流内环的双闭环控制，即在高频开关频率下，将全波整流后的电压、电流波形分割，将输入整流电压信号与保持功率平衡的输出电压误差放大器信号相乘，作为电流环基准信号接电流环运放，并与采样的实际输入电流进行偏差处理，与三角波信号比较后产生控制开关管开通、关断的PWM信号，从而实现电流跟随电压的目的。图3为APFC控制框图。
图3 APFC电路控制框图
三相四线逆变器的拓扑结构如图4所示，包含逆变电路、输出滤波支路。
三相四线逆变器采用半桥式拓扑结构，每一相的控制相位相差120°。如下研究将侧重于采用单相控制替代三相控制。单相半桥式逆变器主电路拓扑结构如图5所示。
图4 三相四线逆变器拓扑
图5 单相半桥式逆变器主电路
图5中，T1、T2为IGBT功率开关管，滤波电感L与滤波电容C构成低通滤波器；R为考虑滤波电感L的等效串联电阻、死区效应、开关管导通压降、线路电阻等逆变器中各种阻尼因素的综合等效电阻；Ud为直流母线电压，Ui为逆变桥输出电压，Uo为逆变器输出电压，iL为流过滤波电感的电流，io为负载电流。
他高度重视人才建设和科研兴所，在所内形成了药学和天然药物两个“省级领军人才梯队”。他带领团队开展的“中药提取物标准研究平台建设”“包含鹿骨瓜提取物和甜瓜籽提取物的药物组合物”等项目分获多项科技进步奖。他主持编写的《黑龙江省药品微生物检验方法汇编》《黑龙江省中药饮片炮制规范及标准》不仅可以为生产企业提供技术指导，也为各级药品检验所的检验提供了重要的参考依据。
有关小信号法对逆变器电路进行建模的方法，目前已有很多参考案例，本文不做重点展开，在此直接按照电路模型给出控制思路。
不断强化长江流域大型生产建设项目水土保持监督检查。对2010—2012年部批在建的139个项目进行全面监督检查，加强对丹江口库区及上游水土保持二期工程等项目的技术指导。组织开展流域农村水利数据建设用户需求分析及数据框架建设，实施流域大中型灌区配套改造调研。加强水利安全监督工作，认真完成水利部委派的水利稽察任务，积极开展委属工程建设项目稽察工作。
DQ坐标系下对正序、负序、零序进行分别控制，理论上可以达到较好的效果，但是控制思路比较繁琐，解耦繁多，处理数据量较大，限制了控制频率的提高。为此，本方案在abc坐标系下对各相电压外环进行重复加PI控制（控制电压波形），对电流内环进行比例控制（实现快速性），具有较好的带非线性负载的能力和克服死区影响的能力。图6为该系统控制框图。
由于PWM逆变器输出的电压为Udc和0两种，dv/dt数值较大，谐波电流含量丰富，若不经过滤波直接连接电网会对电网产生影响。在逆变器与电网之间增加滤波器是解决该问题的有效手段。
图6 静止坐标系控制框图
滤波器分为LC滤波器和LCL滤波器。LCL滤波器为二阶系统，在串联系统中容易与负荷发生谐振，故选择LC结构滤波器，原理如图7所示。
图7 LC滤波器原理
LC滤波器由三相滤波电感L和三相滤波电容C组成，其中滤波电容中点与大地（机壳）相连，目的是使滤波器对逆变器产生的共模电压分量也起到滤波作用，以减小输出的共模电压。滤波器的性能主要由L和C之间的谐振频率决定，LC滤波器截止频率为
If Ls-A1-A2-220-200<6 000, so L5=Ls-A1-A2-220-200=Ls-A1-A2-420
实际工程应用时，滤波电容支路会串联一定大小的阻尼电阻，以抑制可能产生的谐振。PWM电压会在滤波器中产生谐波电流，谐波电流将流入逆变器，增加逆变器的电流负担，使开关器件关断的电流增大，过大的谐波电流成分还可能加剧滤波电抗和滤波电容发热问题，因此必须将滤波器电流控制在一定范围之内。
接触网单三相逆变电源的试验样机如图8所示。输入条件为AC 220 V，50 Hz。负载电路为功率电阻，每个电阻功率为7 kW，构成2串3并联电路。开机后等待10 s，待直流电压稳定后，逆变电路投入运行，其输出电压、电流波形如图9所示。由图9可知，该试验样机输出电压、电流可靠稳定，电能质量良好。
证明 ⅰ) 首先证明行波解的存在性。由Schauder不动点定理,显然算子F在Γ中存在不动点。下面我们将证明该不动点即为系统(1)的行波解。由夹逼定理可知令则系统(3) 可化为下述系统
图8 接触网单-三相电源装置试验样机
图9 三相逆变电路输出电压、电流波形
本文主要从方案设计角度，采用了变压器与电力电子单三相逆变器串联的方式，给出了实现电气化铁路27.5 kV供电网单相转三相电源的一种方案，解决了接触网单相取电问题。经过试验验证，该方案输出电能质量良好。
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