基于固態(tài)變壓器的機(jī)車ac-dc-ac牽引系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于高壓SiC固態(tài)變壓器的高速鐵路機(jī)車AC-DC-AC牽引系統(tǒng)，尤其涉及一種基于固態(tài)變壓器的機(jī)車AC-DC-AC牽引系統(tǒng)及方法。本發(fā)明采用新型的SiC材料構(gòu)成的固態(tài)變壓器模塊，將其輸入側(cè)串聯(lián)、輸出側(cè)并聯(lián)，構(gòu)成高速鐵路機(jī)車AC-DC-AC牽引系統(tǒng)。相比于傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料構(gòu)成的牽引變壓器，SiC材料的固態(tài)變壓器，由于具有良好的功率處理能力和頻率能力，可以減少其體積和重量，較大地減少了機(jī)車的負(fù)載重量，具有良好的經(jīng)濟(jì)性；輸入側(cè)串聯(lián)、輸出側(cè)并聯(lián)，使高鐵機(jī)車牽引系統(tǒng)易于擴(kuò)展，若一個(gè)固態(tài)變壓器模塊的副邊損耗了，在一段時(shí)間內(nèi)機(jī)車還能維持正常運(yùn)行，從而提高了可靠性。
【專利說(shuō)明】基于固態(tài)變壓器的機(jī)車AC-DC-AC牽引系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于高壓SiC固態(tài)變壓器的高速鐵路機(jī)車AC-DC-AC牽引系統(tǒng)，尤其涉及一種基于固態(tài)變壓器的機(jī)車AC-DC-AC牽引系統(tǒng)及方法。

【背景技術(shù)】
[0002]自從20世紀(jì)50年代硅晶閘管問(wèn)世以后，功率半導(dǎo)體器件得到了空前的發(fā)展。早期的大功率變流器，如牽引變流器幾乎都是基于晶閘管的。20世紀(jì)80年代中期，4.5kV的GTO得到廣泛應(yīng)用，成為了后來(lái)十年的大功率變流器首選器件。在80年代后半個(gè)時(shí)期，IGBT復(fù)合器件被研發(fā)出來(lái)；同時(shí)，通過(guò)對(duì)GTO技術(shù)改進(jìn)產(chǎn)生的了 IGCT，它擁有比傳統(tǒng)GTO更加顯著的優(yōu)點(diǎn)，GTO開關(guān)頻率大概為500Hz，而IGCT和大功率IGBT的開通和關(guān)斷損耗都相對(duì)較低，可以工作在l_3kHz的開關(guān)頻率下。2005年，以晶閘管為代表的半控型器件已達(dá)到7X 10W/9000V的水平，全控器件也發(fā)展到了十分高的水平。當(dāng)前，功率半導(dǎo)體器件的水平基本穩(wěn)定在19-1OkiW.Hz左右，已逼近了基于硅技術(shù)的功率器件即將達(dá)到其功率處理和開關(guān)頻率能力的物理極限。
[0003]隨著具有高壓、高頻率、高工作溫度能力的功率半導(dǎo)體器件的需求不斷增長(zhǎng)，作為一種新型的寬禁帶半導(dǎo)體材料，碳化硅因其出色的物理及電特性，正越來(lái)越受到關(guān)注。碳化硅電力電子器件的重要系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)在于具有高壓(達(dá)數(shù)萬(wàn)伏)高溫(大于500°C )特性，突破了硅基功率半導(dǎo)體器件電壓等級(jí)一般低于6.5kV,開關(guān)頻率通常低于1kHz，不能應(yīng)用于高于125°C的電力電子系統(tǒng)這些限制所導(dǎo)致的嚴(yán)重系統(tǒng)局限性；此外，硅功率器件的應(yīng)用場(chǎng)合需要昂貴的冷卻系統(tǒng)和昂貴的緩沖器，大量的硅功率器件都需要并聯(lián)或串聯(lián)工作，鑒于寬禁帶SiC材料具有相對(duì)硅材料十倍的擊穿電場(chǎng)、更高的熱導(dǎo)率和更低的本征載流子濃度，大大減小了電力電子系統(tǒng)的體積和重量。
[0004]20世紀(jì)90年代，經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，碳化硅單晶晶圓已經(jīng)取得重大進(jìn)展，正朝著低缺陷、厚外延SiC材料和高壓SiC器件的方向發(fā)展，包括10kVSiCM0SFET、3.1kV門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、13kV絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和4.5kV SiC發(fā)射極可關(guān)斷晶閘管(ETO)。在這些開發(fā)中的高壓SiC器件中，SiCMOSFET的通態(tài)電阻隨著它們的阻斷電壓和工作結(jié)溫的上升而顯著增加，這使得該器件在高壓直流電源O 15kV)供電的應(yīng)用場(chǎng)合不能使用。對(duì)于15-25kV阻斷電壓的高壓功率器件，由于具有優(yōu)越的通態(tài)特性、快速開關(guān)速度和優(yōu)秀的安全工作區(qū)，SiCIGBT技術(shù)變得很有吸引力。與同類的硅器件相比，在更高的工作頻率下，SiC功率器件較高功耗產(chǎn)生更多的自熱，導(dǎo)致在更高的工作結(jié)溫(225°C左右)條件下功率處理能力和頻率能力得到提高，新興的耐高頻高溫能力的高壓SiCIGBT將對(duì)大功率應(yīng)用產(chǎn)生了重大影響，其典型例子就是固態(tài)變壓器取代傳統(tǒng)60Hz配電變壓器。
[0005]固態(tài)變壓器不僅是變壓器，而且是故障電流限制器、無(wú)功功率補(bǔ)償器和電壓暫降恢復(fù)器。這些優(yōu)點(diǎn)使固態(tài)變壓器在未來(lái)電力電子領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。它的工作原理為:輸入的工頻交流信號(hào)經(jīng)整流電路變?yōu)橹绷?，然后?jīng)逆變器調(diào)制為高頻方波，經(jīng)高頻變壓器耦合后，經(jīng)整流電路還原為直流信號(hào)，最后通過(guò)逆變器你變?yōu)樗璧慕涣餍盘?hào)輸出，即先升頻，再降頻。由于變壓器體積大小與磁芯材料在飽和時(shí)的磁通密度及鐵芯和繞組能夠承受的溫度有關(guān)，又因?yàn)榇判撅柡蜁r(shí)的磁通密度與頻率存在反向比例關(guān)系，所以高頻變壓器能更充分的利用鐵芯材料，具有比工頻變壓器小的體積和重量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的等的技術(shù)問(wèn)題；提供了一種相比于傳統(tǒng)的牽引變壓器，體積和重量可以減少三倍，具有良好的經(jīng)濟(jì)性；若一個(gè)固態(tài)變壓器模塊的副邊損耗了，還能維持正常運(yùn)行，提高了可靠性；它的電力電子變換電路可由全控器件構(gòu)成，提高其可控特性的一種基于固態(tài)變壓器的高鐵機(jī)車AC-DC-AC牽引系統(tǒng)及方法。
[0007]本發(fā)明的上述技術(shù)問(wèn)題主要是通過(guò)下述技術(shù)方案得以解決的:
[0008]一種基于固態(tài)變壓器的機(jī)車AC-DC-AC牽引系統(tǒng)，其特征在于，包括至少三個(gè)固態(tài)變壓器，所述固態(tài)變壓器輸入側(cè)串聯(lián)且輸出側(cè)并聯(lián)；每個(gè)固態(tài)變壓器均包括依次連接的AC/DC整流器、DC/DC變換器以及DC/AC逆變器；
[0009]其中，AC/DC整流器將供電臂母線電壓的單相交流電整流成直流電，包括四個(gè)IGBT以及分別與四個(gè)IGBT并聯(lián)的二極管共同組成的H橋電路；支撐電容并連直流母線兩極用以支撐直流母線電壓的作用，在開關(guān)周期內(nèi)為負(fù)載提供續(xù)流回路，減小開關(guān)周期紋波，在切載時(shí)，減小輸出電壓的波動(dòng)；
[0010]DC/DC變換器包括高壓H橋電路、輸入端與高壓H橋電路輸出端連接的中間高頻變壓器、以及輸入端與中間高頻變壓器輸出端連接的低壓H橋電路；高壓H橋電路和低壓H橋電路均包括四個(gè)IGBT以及分別與四個(gè)IGBT并聯(lián)的二極管；
[0011]DC/AC逆變器包括三組高壓IGBT組件構(gòu)成的低壓H橋以及與低壓H橋輸出連接的三個(gè)濾波電感；每組高壓IGBT組件均包括兩個(gè)高壓IGBT以及分別與該兩個(gè)高壓IGBT并聯(lián)的二極管；該DC/AC逆變器還包括一個(gè)跨接在DC/AC逆變器輸入端的支撐電容。
[0012]本申請(qǐng)采用這種新型的SiC材料構(gòu)成的固態(tài)變壓器模塊，將其輸入側(cè)串聯(lián)、輸出側(cè)并聯(lián)，構(gòu)成高速鐵路機(jī)車AC-DC-AC牽引系統(tǒng)。相比于傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料構(gòu)成的牽引變壓器，SiC材料的固態(tài)變壓器，由于具有良好的功率處理能力和頻率能力，可以減少其體積和重量，較大地減少了機(jī)車的負(fù)載重量，具有良好的經(jīng)濟(jì)性；輸入側(cè)串聯(lián)、輸出側(cè)并聯(lián)，使高鐵機(jī)車牽引系統(tǒng)易于擴(kuò)展，若一個(gè)固態(tài)變壓器模塊的副邊損耗了，在一段時(shí)間內(nèi)機(jī)車還能維持正常運(yùn)行，從而提高了可靠性。
[0013]單個(gè)固態(tài)變壓器模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示，該結(jié)構(gòu)主要有三個(gè)環(huán)節(jié)組成:第一環(huán)節(jié)為AC/DC整流器，主要由高壓H橋電路構(gòu)成輸入環(huán)節(jié)，將單相交流電轉(zhuǎn)換為直流電。第二環(huán)節(jié)為DC/DC變換器，它是由高壓H橋電路、中間高頻變壓器和低壓H橋電路構(gòu)成。高壓H橋電路具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和易于控制，固態(tài)變壓器運(yùn)行時(shí)，高壓H橋這一電路將輸入環(huán)節(jié)輸出的直流信號(hào)調(diào)制為高頻方波。因?yàn)橛呻娏﹄娮悠骷?gòu)成的電壓源型換流器調(diào)整電壓范圍有限，直接由電力電子器件連接不能實(shí)現(xiàn)電壓等級(jí)的變換，所以須設(shè)計(jì)高頻變壓器模塊能夠?qū)崿F(xiàn)上述要求的功能。通過(guò)高頻變壓器的耦合至副方，將高壓H橋輸出的高頻方波還原為直流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了固態(tài)變壓器的原副邊電位隔離，起到了高頻調(diào)制、同步解調(diào)和電壓等級(jí)變換的作用。加至另一組完全相同的單相全橋變換器，構(gòu)成低壓H橋電路，這組副邊低壓H橋電路與原邊高壓H橋采用相同的控制信號(hào)，以通過(guò)高頻變壓恰好能夠?qū)⒏哳l方波整流為直流信號(hào)。第三環(huán)節(jié)為DC/AC逆變器，主要由低壓H橋構(gòu)成，將高頻DC/DC變換器環(huán)節(jié)輸出的直流電變換為可對(duì)電機(jī)使用的電壓等級(jí)的交流電。
[0014]這種固態(tài)變壓器模塊的優(yōu)勢(shì)在于:1、第二個(gè)環(huán)節(jié)采用DC/DC變換器，實(shí)現(xiàn)了電壓等級(jí)變換、電磁隔離、提供直流并網(wǎng)母線和能量雙向傳輸?shù)裙δ?，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，提高了整機(jī)效率，在大功率場(chǎng)合優(yōu)勢(shì)明顯；2、第三個(gè)環(huán)節(jié)DC/AC逆變器可以為交流負(fù)載用戶提供可靠供電，改善非線性負(fù)載對(duì)電網(wǎng)電壓的影響，對(duì)負(fù)載變化做出快速準(zhǔn)確響應(yīng)；3、提供了低壓側(cè)直流母線，不僅能為直流負(fù)載提供接口，同時(shí)方便了光伏、風(fēng)能等分布式新能源發(fā)電設(shè)備的直流并網(wǎng)。
[0015]一般電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的電壓為27.5kV,而目前世界上最高的額定電壓的商業(yè)化半導(dǎo)體只有1kV左右，所以這么高的電壓等級(jí)對(duì)于由IGBT這種半導(dǎo)體器件構(gòu)成的固態(tài)變壓器來(lái)說(shuō)過(guò)高，所以本申請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)的高鐵機(jī)車牽引系統(tǒng)采用3個(gè)功能相同的固態(tài)變壓器模塊，將其輸入側(cè)串聯(lián)、輸出側(cè)并聯(lián)而成，如圖2所示。輸入級(jí)采用多級(jí)固態(tài)變壓器功率模塊串聯(lián)，將輸入側(cè)的高壓均分到每一個(gè)固態(tài)變壓器模塊上，從而減小了單個(gè)固態(tài)變壓器功率模塊上所承受的電壓，提高了可輸入的電壓等級(jí)；在輸出側(cè)通過(guò)固態(tài)變壓器功率模塊的并聯(lián)提高了輸出電流等級(jí)，從而使固態(tài)變壓器的低壓功率器件能夠在高鐵機(jī)車牽引系統(tǒng)中完成電能變換。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)有:擴(kuò)展性良好，能夠?qū)崿F(xiàn)功率雙向流動(dòng)并且維護(hù)方便，具有廣泛的應(yīng)用；可靠性高，即使一個(gè)固態(tài)變壓器模塊損耗了，還可以在一段時(shí)間內(nèi)維持正常運(yùn)行。
[0016]—種米用基于固態(tài)變壓器的機(jī)車AC-DC-AC牽引系統(tǒng)的控制方法,其特征在于,包括三個(gè)階段:
[0017]階段一:即AC/DC整流階段，具體操作方法是:1'1~1'4分別表示八(:/1)(:整流器中四個(gè)IGBT ;若1\導(dǎo)通，則T1 = 1，若！\關(guān)斷，則T1 = O ;則在交流側(cè)產(chǎn)生三電平:Vdc;、0、Vd。，通過(guò)SPWM調(diào)制技術(shù)對(duì)全控開關(guān)器件T1~T4進(jìn)行控制以改變Uab的幅值和相位，即可控制整流器功率的流向和功率因數(shù)角，實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)；
[0018]階段二:即DC/DC變換階段，將整流后的14kV直流電通過(guò)高壓H橋調(diào)制成高頻方波，再通過(guò)高頻變壓器耦合到副方，最后通過(guò)一個(gè)由同步信號(hào)控制的低壓H橋電路還原成電壓的直流電；具體操作方法是:低壓H橋電路與原邊高壓H橋均采用PWM控制，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為占空比為50%的互補(bǔ)觸發(fā)脈沖控制信號(hào)，相同的控制信號(hào)使得，低壓H橋能通過(guò)高頻變壓恰好將原邊高壓H橋調(diào)制出的高頻方波整流為直流信號(hào)，由于電力電子器件構(gòu)成的電壓源型換流器調(diào)整電壓范圍有限，直接由電力電子器件連接不能實(shí)現(xiàn)電壓等級(jí)的變換，所以須設(shè)計(jì)高頻變壓器模塊能夠?qū)崿F(xiàn)原、副邊電位隔離，起到了高頻調(diào)制、同步解調(diào)和電壓等級(jí)變換的功能，其工作頻率為5kHz。其中逆變電路和整流電路均采用PWM控制，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為占空比為50%的互補(bǔ)觸發(fā)脈沖，高頻變壓器工作頻率為5kHz，當(dāng)一次側(cè)逆變器與二次側(cè)整流器的觸發(fā)脈沖不同步，存在相角差時(shí)，有

【權(quán)利要求】
1.一種基于固態(tài)變壓器的機(jī)車AC-DC-AC牽引系統(tǒng)，其特征在于，包括至少三個(gè)固態(tài)變壓器，所述固態(tài)變壓器輸入側(cè)串聯(lián)且輸出側(cè)并聯(lián)；每個(gè)固態(tài)變壓器均包括依次連接的AC/DC整流器、DC/DC變換器以及DC/AC逆變器； 其中，AC/DC整流器將供電臂母線電壓的單相交流電整流成直流電，包括四個(gè)IGBT以及分別與四個(gè)IGBT并聯(lián)的二極管共同組成的H橋電路；支撐電容并連直流母線兩極用以支撐直流母線電壓的作用，在開關(guān)周期內(nèi)為負(fù)載提供續(xù)流回路，減小開關(guān)周期紋波，在切載時(shí)，減小輸出電壓的波動(dòng)； DC/DC變換器包括高壓H橋電路、輸入端與高壓H橋電路輸出端連接的中間高頻變壓器、以及輸入端與中間高頻變壓器輸出端連接的低壓H橋電路；高壓H橋電路和低壓H橋電路均包括四個(gè)IGBT以及分別與四個(gè)IGBT并聯(lián)的二極管； DC/AC逆變器包括三組高壓IGBT組件構(gòu)成的低壓H橋以及與低壓H橋輸出連接的三個(gè)濾波電感；每組高壓IGBT組件均包括兩個(gè)高壓IGBT以及分別與該兩個(gè)高壓IGBT并聯(lián)的二極管；該DC/AC逆變器還包括一個(gè)跨接在DC/AC逆變器輸入端的支撐電容。
2.一種采用權(quán)利要求1所述的基于固態(tài)變壓器的機(jī)車AC-DC-AC牽引系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，包括三個(gè)階段: 階段一:即AC/DC整流階段，具體操作方法是=T1?T4分別表示AC/DC整流器中四個(gè)IGBT ;若1\導(dǎo)通，則T1 = 1，若1\關(guān)斷，則T1 = O ;則在交流側(cè)產(chǎn)生三電平H Vd。，通過(guò)SPWM調(diào)制技術(shù)對(duì)全控開關(guān)器件T1?T4進(jìn)行控制以改變Uab的幅值和相位，即可控制整流器功率的流向和功率因數(shù)角，實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)； 階段二:即DC/DC變換階段，將整流后的14kV直流電通過(guò)高壓H橋調(diào)制成高頻方波，再通過(guò)高頻變壓器耦合到副方，最后通過(guò)一個(gè)由同步信號(hào)控制的低壓H橋電路還原成電壓的直流電；具體操作方法是:低壓H橋電路與原邊高壓H橋均采用PWM控制，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為占空比為50 %的互補(bǔ)觸發(fā)脈沖控制信號(hào)，相同的控制信號(hào)使得，低壓H橋能通過(guò)高頻變壓恰好將原邊高壓H橋調(diào)制出的高頻方波整流為直流信號(hào)，由于電力電子器件構(gòu)成的電壓源型換流器調(diào)整電壓范圍有限，直接由電力電子器件連接不能實(shí)現(xiàn)電壓等級(jí)的變換，所以須設(shè)計(jì)高頻變壓器模塊能夠?qū)崿F(xiàn)原、副邊電位隔離，起到了高頻調(diào)制、同步解調(diào)和電壓等級(jí)變換的功能，其工作頻率為5kHz ;其中逆變電路和整流電路均采用PWM控制，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為占空比為50%的互補(bǔ)觸發(fā)脈沖，高頻變壓器工作頻率為5kHz，當(dāng)一次側(cè)逆變器與二次側(cè)整流器的觸發(fā)脈沖不同步，存在相角差時(shí)，有 Addc) P0為DC-DC單元傳輸?shù)挠泄β?；Vd。h為高壓側(cè)輸入直流電壓；fH為開關(guān)頻率；L為漏感；Vd?！篂榈蛪簜?cè)輸出直流電壓；dd。為一次、二次調(diào)制信號(hào)的移相角差； 根據(jù)上式，采用根據(jù)低壓輸出電壓與參考電壓的電壓誤差，進(jìn)行PI控制器調(diào)整來(lái)控制相移角，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出直流電壓的控制策略； 階段三:即DC/AC逆變階段，將高頻DC/DC變換器環(huán)節(jié)輸出的直流電變換為可對(duì)電機(jī)使用的電壓等級(jí)的交流電，具體操作方法是:T5—T1(I為采用SiC材料制成的高壓IGBT全控開關(guān)器件，d5、d6、D7、D8、D9、D10為分別與之并聯(lián)的二極管；C2為支撐電容，每個(gè)橋臂上、下橋臂開關(guān)輪流閉合，每相以180°的角度導(dǎo)電，各相導(dǎo)電的相位依次相差120°，工作方式是180°導(dǎo)電方式；在逆變器的工作過(guò)程中，同一時(shí)刻有3個(gè)開關(guān)器件處于導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)T5導(dǎo)通時(shí)，當(dāng)T5導(dǎo)通時(shí)，Uan = Ud/2，T8導(dǎo)通時(shí)，Uan = -U/2，因此Um的波形是幅值為Ud/2的矩形波；同理可得UbnAa^形與Uan相同，而相位相差120° ;可得線電壓Ubc^Uca分別為:Uab = Uan-Ubn, Ubc = Ubn-Ucn, Uca = Ucn-Uan ； 線電壓的開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間相差60°，每個(gè)開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)持續(xù)180°，即同一時(shí)刻有三個(gè)開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通，導(dǎo)通順序?yàn)棣?、Τ6、Τ7導(dǎo)通，其他關(guān)斷；Τ6、Τ7、Τ8導(dǎo)通，其他關(guān)斷；T7、T8、T9導(dǎo)通，其他關(guān)斷；T8、T9、T10導(dǎo)通，其他關(guān)斷；T9、T10, T5導(dǎo)通，其他關(guān)斷；T1Q、τ5、τ6導(dǎo)通，其他關(guān)斷； 由于三相之間沒(méi)有耦合關(guān)系，每一相都是獨(dú)立的，可以看成是三個(gè)輸出電壓相位互差120°的單相半橋逆變器的組合，因此可以應(yīng)用單相逆變器的控制方法；為了保證輸出波形的有效值精度，采用電壓瞬時(shí)值控制，具體方法是:輸出電壓Vtl經(jīng)整流濾波后得到直流量與給定參考信號(hào)的有效值Vniis進(jìn)行比較，得到的誤差信號(hào)經(jīng)外環(huán)PI調(diào)節(jié)器輸出后作為內(nèi)環(huán)參考正弦波的幅值，這個(gè)幅值與單位正弦波Sincot相乘后作為內(nèi)環(huán)給定信號(hào)；內(nèi)環(huán)給定信號(hào)與輸出電壓瞬時(shí)值比較，得到的誤差信號(hào)經(jīng)PI調(diào)節(jié)器運(yùn)算，作為內(nèi)環(huán)的控制信號(hào)送入SVPWM發(fā)生器。
【文檔編號(hào)】H02M7/00GK104201908SQ201410493224
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月24日
【發(fā)明者】袁佳歆, 曾雯珺, 趙震, 陳立, 陳柏超 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)