PWM整流技术在城市轨道交通车载储能装置充电应用中的问题分析

曾国强

文中介绍了PWM整流技术结构及应用，在城市轨道交通PWM整流技术应用比较及问题分析，有轨电车整流技术应用建议

PWM整流;充电装置;二极管整流;12/24脉波

 The paper introduces the structure and application of PWM rectification technology， Application Comparison and Problem Analysis of PWM Rectification Technology in Urban Rail Transit， and Application of Rectification Technology in Tram Engineering

 PWM rectification;Charging device;Diode rectification; 12/24 pulse wave

 

隨着储能型装置在国内城市轨道交通、现代有轨电车、新能源电动汽车等领域广泛应用，其配套的充电技术及充电装置的优劣对储能装置的性能及电网的电能质量方面有着关键性的影响。

目前，城市轨道车辆车载储能装置的充电技术主要有以下四种基本技术方案：

（1）12/24脉波二极管整流+Buck DC/DC变换

（2）APFC整流+LLC串联谐振软开关DC/DC变换

（3）IGBT PWM整流+Buck DC/DC变换

（4）IGBT PWM整流调压

上述四种技术方案均能够满足充电系统要求，各个模块在技术上均比较成熟，但是，针对轨道车辆储能装置的充电特性要求，充电装置均有待逐步完善。由于PWM整流具有在谐波、功率因数、可快速调节等技术性能方面优点，以下重点对PWM整流技术在储能型有轨电车的充电应用情况进行分析说明。

 

PWM整流电路是采用PWM控制方式和全控型器件组成的整流电路，典型的三相PWM整流电路在充电装置应用结构图如下图示：

PWM整流器技术是中等容量单位功率因数采用的主要技术，主开关器件需要使用自关断器件（如IGBT等）。PWM整流器实质上是一个电压源型逆变器（VSR），通过整流控制，在网侧逆变出一个与电网电压同频率不同电压幅值及相位的电压，该电压与电网电压的差通过与电网的连接电感（或变压器的漏感）转换为电流。假定PWM整流器逆变电压为V，电网电压为E，PWM交流侧电流为I，则PWM整流器的相位关系图见下图所示。

从图2中可以看出，（b）、（d）的电流方向与电网电压E同相或反相，是有功电流，传送有功功率，（b）是吸收有功，为整流状态，（d）是发出有功，是逆变状态。

 

按照PWM整流器功率大小分类，其主要应用于以下领域：

（1）中小功率（10～20kW以下）——电源类、电动汽车直流充电模块等

（2）中大功率（百kW以下）——电气传动、UPS

（3）大功率（数百kW）—-光伏变流、风机变流器

（4）超大功率（兆瓦以上）—-直流输电等

而城市轨道交通领域直流牵引系统容量达兆瓦级，属于超大容量应用范畴。

三相电压型PWM整流器具有以下优越的性能：

（1）交流侧谐波分量小

（2）输入功率因数接近1

（3）能量可以实现双向流动

（4）输出直流电压脉动较小

（5）输出直流电压可快速调节

随着三相电压型PWM整流器有其优越的性能，在城市轨道交通直流牵引供电中的应用也得到广泛关注和研究。但是到目前为止，城市轨道交通直流供电方式尚无采用PWM整流的实际应用，主要有以下几方面原因：

PWM整流方式虽然具有谐波小，功率因数高的特点，但常规24脉动整流辅助谐波消除（地铁广泛采用有源电力滤波器）及功率因数校正装置已经可以满足电网对电能质量的要求。

PWM整流由于大量采用IGBT器件，对过电压、过电流的耐受能力远低于二极管。虽然采取各种措施限制过电压、过电流水平，通过优化IGBT选型提高耐受能力，但在超大容量应用中，可靠性仍然较二极管整流低。下图为英飞凌450A IGBT参数表，由表中参数可见，IGBT过电流倍数为2倍，且持续时间不超过1ms。

下图3为ABB 5SDA 27F2002 二极管的过电流曲线，额定电流为2700A，由曲线可见在2ms过流时过流倍数达到20倍，10ms过流时过流倍数达到11.5倍。

PWM从主回路到控制回路的元器件数量是二极管整流器元件数量的10倍到100倍，从可靠性理论分析计算，PWM的器件级理论可靠性比二极管整流至少低一个数量级。

同时PWM需要有信号量反馈、自动控制计算等复杂环节，由于信号检测的干扰等问题造成整流故障的概率也大大增加。

PWM整流的损耗包括IGBT的通态损耗及开关损耗，对于处于高频工作状态下的PWM整流，两种损耗的比例一般约为1：1。IGBT通态压降高于二極管，通态损耗约高出80～100%。而二极管整机几乎没有开关损耗，故此PWM损耗约比二极管整流大4倍。损耗的增加必然导致发热量增加及对冷却的要求增加，一般需要更大风速的强迫风冷，冷却风机的噪声及对辅助电源或不间断电源容量的要求也大大增加。

目前，国内城市轨道交通包括有轨电车直流牵引供电方式广泛采用相控或二极管整流方式。6脉动整流和12脉动整流由于功率因数低，交流侧谐波较大，地铁直流供电采用24脉动整流方式;但从降低供电投资角度出发，有轨电车直流供电一般较多采用12脉冲整流方式。

同时，三相电压型PWM整流技术也在城市轨道交通直流牵引供电应用中得到广泛关注和研究。以下从技术性能、波形质量控制、可靠性、能量转换效率和经济性等角度对两种整流在城市轨道交通直流牵引供电及充值装置中的应用优劣性进行分析比较。

通过以上比较可知，PWM整流由于大量使用IGBT，提高了成本，可靠性相对较低等原因，其在国内轨道交通领域应用需要进行进一步研究和改进。

通过以上PWM整流技术性能优点及应用中问题比较，地铁直流供电具有供电容量大、电流电压波动较大及频繁，其核心IGBT器件性能相对较低等，PWM整流技术在地铁应用中尚待改进研究。而，在目前已运行的储能型现代有轨电车线路充电系统设计看，主要分为集中式直流供电和分散式直流供电两种。

分散直流供电方式，其整流装置与充电装置变流器合二为一，共同构成站台充电装置，单座直流供电容量约为1MW～1.5MW，容量较小，而且在小功率PWM整流技术在风电领域具有使用案例，可以满足输出功率的要求，但从有轨电车运行安全性考虑，由于缺少设备安全运行裕度，应按照轨道交通直流供电系统技术标准，完善其过载能力等型式试验认证。

集中式直流供电方式，其整流装置与充电装置独立设置，一套整流装置带多个充电装置，两者间采用DC1500V/DC750V连接。集中式直流系统容量过大，如按一带三个充电装置考虑，其直流供电容量约为5MW，国内目前尚没有如此大容量的成熟PWM整流产品应用。故集中式直流供电方式不建议采用PWM整流技术。

[1]周慧楠.PWM整流器在充电装置中的应用研究[D].哈尔滨工程大学，2014.

[2]杨春华.基于Buck型PWM整流的充电器控制策略的研究[D].西南交通大学，2017.