一种新型高压链式逆变器测试系统

曹峰

（日新电机（无锡）有限公司，江苏 无锡214000）

铁路牵引供电27.5kV母线电压具有电压波动较大、负序不平衡、谐波含量高的特点，如果通过27.5/10 kV 变压器直接获得10kV电源，由于电能质量较差，配电所将无法正常运行。高压链式逆变器[1，2]可以完成高压下DC/AC 变换，对相位、谐波进行治理，将电能质量较差的电源转换成符合电能质量要求的10kV电源，从而满足配电所的用电需求。高压链式逆变器通过功率单元级联实现交流高电压的输出，逆变器桥臂由一定数量的功率单元级联组成，三相桥臂星型连接。

高压链式逆变器大体可以分为整流和逆变两部分，其中整流部分主要包括多绕组变压器、功率单元中二极管整流桥和直流支撑电容，逆变部分包括功率单元中H 桥逆变器和LC滤波器。装置整流部分需要满足不同短路阻抗且输入电压在一定范围内波动时仍然能够维持一定的直流电压，从而实现额定电压输出。在设计阶段可以利用仿真软件（例如MATLAB）对装置的主电路进行初步设计和仿真验证，而装置最终需要通过搭建测试系统进行验证。测试系统首先需要一个电压幅值和输出阻抗均可以调整的电压源，而一般的电网不能满足这一需求。高压链式逆变器测试中需要输出额定有功功率，而采用电阻负载的方案需要耗费大量电能，成本较高。此外高压链式逆变器运行时会在输入侧产生一定的无功电流和谐波电流，从而影响电能质量。

针对以上问题，本文搭建一种新型高压链式逆变器测试系统，首先将一高压链式逆变器（以下简称电压源）作为幅值可调的电压源为被测高压链式逆变器（以下简称被测逆变器）提供电压输入，并且通过虚拟阻抗算法改变电压源的输出阻抗特性从而模拟不同的短路阻抗。测试系统通过有功环流实现被测逆变器的有功功率测试，并且针对电压源产生的无功电流和谐波电流，通过被测逆变器的无功电流和谐波电流输出功能进行补偿，优化电能质量。

1 高压链式逆变器主电路和控制系统

高压链式逆变器主电路拓扑如图1 所示，包括软起接触器、软启动电阻、多绕组整流变压器、功率单元级联构成的三相桥臂、LC滤波器、Δ/Υ 变压器，其各部分功能如下：

图1 高压链式逆变器主电路拓扑

软起接触器和软启动电阻配合完成功率单元直流电容的软起预充电；

多绕组整流变压器将交流高压降压为一定数量的适合功率单元交流输入低压，并且完成高压绕组到低压绕组以及低压绕组之间的电气隔离；

功率单元包括二极管整流桥和H 桥逆变器两部分，其中前者完成电能由交流到直流的变换，而后者完成电能由直流到交流的变换；

LC滤波器滤除功率单元输出电压中的高频分量；

Δ/Υ 降压变压器一方面完成电压由高压到低压的转换，另外一方面为不平衡负载提供零序电流通路。

受IGBT 耐压限制，功率单元只能输出较低的交流电压，而逆变器交流高压则通过功率单元级联实现。三相高压链式逆变器包含ABC三个桥臂，其中每个桥臂均通过一定数量功率单元级联实现，其首部通过LC 滤波器与Δ/Υ 变压器相连，尾部则互相连接形成悬空中性点n。

高压链式逆变器控制框图如图2 所示，主要包括电压控制闭环、负载电流前馈以及电感电流闭环。电压闭环根据交流电压指令与输出电压的差值通过PR 控制器[3，4]得到电流指令，电压闭环输出电流指令与负载电流相加得到最终的电流指令。电流闭环根据电流指令与滤波电感电流的差值通过P 控制器得到功率单元的调制指令，从而调整桥臂电压的幅值和相位实现电流的快速跟踪，并最终实现装置输出电压的控制。为了降低输出电压谐波含量以及减少功率单元损耗，本文中采取载波移相（CPS-PWM）调制策略。

图2 高压链式逆变器控制系统框图

2 新型高压链式逆变器测试系统

高压链式逆变器测试系统主电路如图3 所示，主要由10kV电网电压、电压源和被测逆变器三部分组成，其中被测逆变器输入连接至电压源输出，而被测逆变器输出连接至电压源输入后连接至10kV电网，测试系统运行时有功功率从电压源流入被测逆变器，然后又重新流回电压源，即采用有功环流的方法对被测逆变器进行测试，从而减小了有功消耗。

图3 高压链式逆变器测试系统主电路

高压链式逆变器三相输出电压如式1 所示，其中x为a、b、c：

式1 中K 为系统增益表征系统对于参考电压的跟踪能力，Z为输出阻抗表征负载电流对于输出电压的影响，特殊的在低频段K近似为1，而Z近似为0，此时输出电压ucx与参考电压ucx_ref基本一致。

电压源输出电压幅值的调整可以通过修改参考电压幅值来完成，而其输出阻抗的调节可在在参考电压中加入如下所示的虚拟阻抗[5，6]，此时低频段电压源输出电压如式2 所示：

式2 中Zxn为设定输出阻抗，其由电阻和电感两部分组成，考虑10kV 电网短路阻抗此处可以简化为只含有电感。

根据以上分析电压源控制系统框图如图4 所示，相比图2 只是增加了虚拟阻抗部分。

图4

被测逆变器采用电流源方式工作，按照电流设定输出有功电流，从而在测试系统中形成有功环流，此外考虑到测试系统运行时电压源输入侧会产生一定无功电流和谐波电流，因此被测逆变器还需要完成无功和谐波补偿[7，8]。

根据以上分析被测逆变器不仅要输出有功电流还需要输出无功电流和谐波电流，考虑电流指令为不同频率的正弦交流电流，常用的PI 控制器由于在50Hz及其倍频处增益较小难以实现对交流量的无静差跟踪，而基于dq 坐标的有功无功电流解耦控制需要经过多次坐标变换计算量大，比例谐振控制器具有计算简单并且在谐振频率处增益较大的优点，本文最终采用比例谐振控制器完成对电流的闭环控制。

3 结论

高压链式逆变器测试系统可以通过有功环流的方式对被测逆变器进行额定有功功率下的测试，具有损耗小的优点，并且增加虚拟阻抗算法的电压源可以对电网电压波动以及不同短路阻抗下电网电压进行模拟，从而对被测逆变器整流部分性能进行完整测试，此外还可以通过被测逆变器的无功和谐波输出功能补偿电压源运行时产生的无功电流和谐波电流，提高电能质量。