CN104682728A - 牵引电力电子变压器、电力电子变压器控制方法及系统 - Google Patents

牵引电力电子变压器、电力电子变压器控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种牵引电力电子变压器，包括：高频滤波电路、级联整流器和DC-DC变换器；其中：所述高频滤波电路与牵引网电连接；所述级联整流器与所述高频滤波电路电连接；所述DC-DC变换器与所述高频滤波电路电连接，通过采用高频滤波电路、级联整流器和DC-DC变换器构成变压器，使得构成的电力电子变压器相对于传统的由铁芯和线圈绕组构成的变压器重量更轻、体积更小。本发明还公开了一种电力电子变压器控制方法及系统。

Description

牵引电力电子变压器、电力电子变压器控制方法及系统
技术领域
本发明涉及电力电子变压器技术领域，尤其涉及一种牵引电力电子变压器、电力电子变压器控制方法及系统。
背景技术
目前，在电力机车、动车组等牵引传动系统中，主要是通过传统的变压器将交流电压降到牵引电机以及其它车载电器工作所适合的电压等级。传统的变压器主要由线圈绕组和铁芯组成，体积和重量都很大。然而，变压器体积和重量的大小对机车的设计有很大的影响，特别是在动力分散的高速动车组中，由于要求的牵引功率和回馈的制动功率大，因此需要能够提供大功率的变压器，变压器的功率增大重量和体积也将随之增大，但是大重量的变压器将直接影响列车的提速；同时由于分散动力的牵引设备不再集中安装在机车上，而是分散安装在列车的车厢里，体积庞大的变压器将增加列车的设计难度，减小载客量。
发明内容
本发明提供了一种牵引电力电子变压器、电力电子变压器控制方法及系统，在提高列车功率和速度的基础上减小了变压器的重量和体积。
本发明提供了一种牵引电力电子变压器，包括：高频滤波电路、级联整流器和DC-DC变换器；其中：
所述高频滤波电路与牵引网电连接；
所述级联整流器与所述高频滤波电路电连接；
所述DC-DC变换器与所述高频滤波电路电连接。
优选地，所述高频滤波电路包括：第一电感、第二电感和第一电容；其中：
所述第一电感和第二电感串联在牵引网和所述级联整流器之间；
所述第一电容和第一电感串联在牵引网和地之间。
优选地，所述级联整流器包括：N个H型桥式功率模块和N个第二电容；其中：
每个第二电容分别与一个H型桥式功率模块并联；
每个H型桥式功率模块之间相互串联，串联后的一端通过所述第一电感和第二电感接入牵引网，另一端接地。
优选地，所述DC-DC变换器包括：N个高频调制电路、N个单相次边双绕组高频变压器和2N个高频整流电路；其中：
每个所述高频调制电路分别与一个所述H型桥式功率模块串联；
每个所述单相次边双绕组高频变压器的原边分别与一个所述高频调制电路串联；
每个所述单相次边双绕组高频变压器的次边分别与一个所述高频整流电路串联。
优选地，所述级联整流器还包括N个储能装置；
所述每个储能装置分别与一个所述第二电容并联。
一种牵引电力电子变压器控制方法，包括：
采集级联整流器的直流电压、牵引网电压、牵引网电流；
将所述级联整流器的直流电压与参考直流电压进行比较，输出电压差值；
将所述电压差值进行PI调节输出给定电网电流幅值；
将所述给定电网电流幅值乘以所述牵引网电压，输出电网电流给定值；
将所述电网电流给定值与牵引网电流进行比较，输出电流差值；
将所述电流差值进行PIR调节，输出基波电压指令；
将所述牵引网电流进行低频谐波控制，输出抑制低次谐波至零的谐波电压；指令
将所述级联整流器的直流电压进行电压微调控制，将电压控制至额定值，输出模块电压指令；
将所述牵引网电压、谐波电压和模块电压与所述基波电压进行比较，输出用于载波移相控制的电压指令。
优选地，所述方法还包括：
采集每个高频调制电路的直流电压和单相次边双绕组高频变压器的次边直流母线电压；
以其中一个高频调制电路的直流电压为参考值，对其余的高频调制电路和单相次边双绕组高频变压器的次边进行PI调节，完成级联整流器中电容的电容电压平衡控制。
优选地，所述方法还包括：
采集单相次边双绕组高频变压器原边绕组交流电流的直流分量；
将所述单相次边双绕组高频变压器原边绕组交流电流的直流分量进行PI调节，完成单相次边双绕组高频变压器的抗饱和控制。
优选地，所述方法还包括：
判断级联整流器的直流电压是否大于第一门槛值，若是，则：
生成第一控制指令，控制储能装置进行充电。
优选地，所述方法还包括：
判断牵引网电压是否为零，若是，则：
判断级联整流器的直流电压是否小于第二门槛值，若是，则：
生成第二控制指令，控制储能装置进行放电。
一种牵引电力电子变压器控制系统，包括：牵引电力电子变压器和牵引电力电子变压器控制器，其中：所述牵引电力电子变压器控制器包括：
第一采集模块，用于采集级联整流器的直流电压、牵引网电压、牵引网电流；
第一差值比较器，用于将所述级联整流器的直流电压与参考直流电压进行比较，输出电压差值；
第一PI调节器，用于将所述电压差值进行PI调节输出给定电网电流幅值；
乘法器，用于将所述给定电网电流幅值乘以所述牵引网电压，输出电网电流给定值；
PIR调节器，用于将所述电流差值进行PIR调节，输出PIR基波电压指令；
低频谐波控制器，用于将所述牵引网电流进行低频谐波控制，输出抑制低次谐波至零的谐波电压指令；
级联模块电压微调控制器，用于将所述级联整流器的直流电压进行电压微调控制，将电压控制至额定值，输出模块电压指令；
第二差值比较器，用于将所述牵引网电压、谐波电压和模块电压与所述基波电压进行比较，输出用于载波移相控制的电压指令。
优选地，其特征在于，所述牵引电力电子变压器控制器还包括：
第二采集模块，用于采集每个高频调制电路的直流电压和单相次边双绕组高频变压器的次边直流母线电压；
第二PI调节器，用于以其中一个高频调制电路的直流电压为参考值，对其余的高频调制电路和单相次边双绕组高频变压器的次边进行PI调节，完成级联整流器中电容的电容电压平衡控制。
优选地，所述牵引电力电子变压器控制器还包括：
第三采集模块，用于采集单相次边双绕组高频变压器原边绕组交流电流的直流分量；
第三PI调节器，用于将所述单相次边双绕组高频变压器原边绕组交流电流的直流分量进行PI调节，完成单相次边双绕组高频变压器的抗饱和控制。
优选地，所述牵引电力电子变压器控制器还包括：
第一判断模块，用于判断级联整流器的直流电压是否大于第一门槛值；
第一控制器，用于当级联整流器的直流电压大于第一门槛值时，生成第二控制指令，控制储能装置进行放电。
优选地，所述牵引电力电子变压器控制器还包括：
第二判断模块，用于判断牵引网电压是否为零；
第三判断模块，用于当牵引网电压为零时，判断级联整流器的直流电压是否小于第二门槛值；
第二控制器，用于当级联整流器的直流电压小于第二门槛值时，生成第二控制指令，控制储能装置进行放电。
由上述方案可知，本发明提供的一种牵引电力电子变压器，通过采用高频滤波电路、级联整流器和DC-DC变换器构成变压器，使得构成的电力电子变压器相对于传统的由铁芯和线圈绕组构成的变压器重量更轻、体积更小。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例公开的一种牵引电力电子变压器的结构示意图；
图2为本发明实施例公开的一种牵引电力电子变压器的拓扑图；
图3为本发明实施例公开的H型桥式功率模块的电路图；
图4为本发明实施例公开的储能装置的电路图；
图5为本发明实施例公开的一种牵引电力电子变压器的控制方法流程图；
图6为本发明另一实施例公开的一种牵引电力电子变压器的控制方法流程图；
图7为本发明实施例公开的牵引电力电子变压器的控制系统的结构示意图；
图8为本发明实施例公开的一种牵引电力电子变压器控制器的结构示意图；
图9为本发明另一实施例公开的一种牵引电力电子变压器控制器的结构示意图；
图10为本发明实施例公开的牵引电力电子变压器的控制系统的结构示意图；
图11为本发明实施例公开的载波移相控制策略图；
图12为本发明实施例公开的电容电压平衡控制策略图；
图13为本发明实施例公开的抗饱和控制策略图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，为本发明实施例公开的牵引电力电子变压器，包括：高频滤波电路11、级联整流器12和DC-DC变换器13；其中：
高频滤波电路11与牵引网电连接；
级联整流器12与高频滤波电路11电连接；
DC-DC变换器13与高频滤波电路12电连接。
本实施例中，通过高频滤波电路11、级联整流器12和DC-DC变换器13构成电力电子变压器，通过高频滤波器电路11能够滤除掉级联整流器产生的高次谐波电流，通过级联整流器12能够实现对牵引电网进行整流，通过DC-DC变换器13能够实现将经过整流器12整流后的电流耦合成高品质的直流电压，给牵引逆变器、辅助逆变器等提供能量，完成了传统变压器的作用，但相对于传统的由铁芯和线圈绕组构成的变压器重量更轻、体积更小。
如图2所示，为本发明另一实施例公开的牵引电力电子变压器，包括：由第一电感L1、第二电感L2和第一电容C构成的高频滤波电路21，由N个H型桥式功率模块(H11-H1n)、N个第二电容(C11-C1n)和N个储能装置(M11-M1n)构成的级联整流器22，由N个高频调制电路(H21-H2n)、N个单相次边双绕组高频变压器(T1-Tn)和2N个高频整流电路(H2n+1-H4n)构成的DC-DC变换器23；其中：
第一电感L1和第二电感L2串联在牵引网和级联整流器22之间；
第一电容C和第一电感L1串联在牵引网和地之间；
每个第二电容分别与一个H型桥式功率模块并联；
每个H型桥式功率模块之间相互串联，串联后的一端通过第一电感L1和第二电感L2接入牵引网，另一端接地；
每个高频调制电路分别与一个H型桥式功率模块串联；
每个单相次边双绕组高频变压器的原边分别与一个高频调制电路串联；
每个单相次边双绕组高频变压器的次边分别与一个高频整流电路串联；
每个储能装置分别与一个第二电容并联。
具体的，上述实施例的工作原理为：高频滤波电路21由第一电感L1和第二电感L2和第一电容C组成，其中第一电感L1和第二电感L2串联在牵引网和级联整流器之间，第一电容C和第一电感L1串联在牵引网和地之间。第一电感L1、第二电感L2和第一电容C通过选择适当的参数，对应的高频滤波电路可以用来滤除PWM整流器产生的高次谐波电流。
级联整流器22的高压级通过连接第一电感L1和第二电感L2接入到牵引网中，采用N个相同的H型桥式功率模块(H11-H1n)级联而成，H型桥式功率模块的电路图如图3所示，每个H型桥式功率模块并联相同参数的第二电容(C11-C1n)，第二电容(C11-C1n)有储能和滤波的作用。同时，每个第二电容(C11-C1n)两端还并联有储能装置(M11-M1n)，储能装置用于电容电压的“削峰填谷”，当电容电压过低时，储能装置(M11-M1n)释放能量；当电容电压过高时，储能装置(M11-M1n)吸收能量，储能装置的电路如图4所示。H型桥式功率模块将自身承受的交流电压变换成第二电容两端的直流电压。H型桥式功率模块级联拓扑不仅能够提升变压器的电压等级，还能够弥补单个H型桥式功率模块等级不够的缺陷，还能够通过载波移相PWM控制，提高变压器的等效开关频率，控制牵引网侧的功率因数和谐波。
DC-DC变换器23由高频调制电路(H21-H2n)，单相次边双绕组高频变压器(T1-Tn)和高频整流电路(H2n+1-H4n)组成，高频调制电路将高压级变换过来的直流电压调制成高频方波电压，再由单相次边双绕组高频变压器耦合到次边的两个绕组，送给高频整流电路。高频调制电路采用H桥全桥结构，可以实现能量的双向流动。单相次边双绕组高频变压器的作用主要是隔离电力电子变压器高低电位，保证整个电路的安全，同时也起到了降压的作用，实现了能量的传递。高频整流电路通过将单相次边双绕组高频变压器耦合过来的高频方波还原成高品质的直流电压输出，给牵引逆变器，辅助逆变器和储能装置提供能量。由于输出级采用全控整流，也能够实现能量的双向流动。为了能够实现高压级各分散子模块电容电压的平衡，将每个单相次边双绕组高频变压器采用次边双绕组模式，每个绕组对应一组高频整流电路。然后，将每个单相次边双绕组高频变压器次边第一个绕组对应的高频整流电路输出并联在一起，构成第一个牵引逆变器的输入；每个单相次边双绕组高频变压器次边第二个绕组对应的高频整流电路输出并联在一起，构成第二个牵引逆变器的输入。这样，即使两个牵引逆变器所需要的功率不相等，每个单相次边双绕组高频变压器所提供的功率也相同，从而实现了高压级子模块的功率基本平衡，也实现了子模块的电压基本平衡。
如图5所示，为本发明实施例公开的一种牵引电力电子变压器的控制方法流程图，包括：
S501、采集级联整流器的直流电压、牵引网电压、牵引网电流；
S502、将级联整流器的直流电压与参考直流电压进行比较，输出电压差值；
S503、将电压差值进行PI调节输出给定电网电流幅值；
S504、将给定电网电流幅值乘以所述牵引网电压，输出电网电流给定值；
S505、将电网电流给定值与牵引网电流进行比较，输出电流差值；
S506、将电流差值进行PIR调节，输出基波电压指令；
S507、将牵引网电流进行低频谐波控制，输出抑制低次谐波至零的谐波电压指令；
S508、将级联整流器的直流电压进行电压微调控制，将电压控制至额定值，输出模块电压指令；
S509、将牵引网电压、谐波电压和模块电压与基波电压进行比较，输出用于载波移相控制的电压指令。具体的，上述实施例的工作过程为：在对电力电子变压器进行载波移相控制时，首先采集级联整流器的直流电压、牵引网电压和牵引网电流，然后将级联整流器的直流电压与参考直流电压进行比较，输出电压差值，然后电压差值进行PI调节输出给定电网电流幅值，将给定电网电流幅值乘以所述牵引网电压，输出电网电流给定值，将电网电流给定值与牵引网电流进行比较，输出电流差值，将电流差值进行PIR调节，输出基波电压，将牵引网电流进行低频谐波控制，输出抑制低次谐波至零的谐波电压指令；将级联整流器的直流电压进行电压微调控制，将电压控制至额定值，输出模块电压指令；
将牵引网电压、谐波电压指令和模块电压指令与基波电压指令进行比较，输出用于载波移相控制的电压指令。
具体的，在对电力电子变压器进行载波移相控制时还可以采用如图11所示的控制策略。如图9所示，将级联整流器中各个H型桥式功率模块的直流电压和的瞬时值经过二倍中频陷波器滤波后与参考直流电压相比较，误差作为电压调节器的输入。电压调节器通过PI调节后输出给定电网电流幅值，乘以牵引网电压经过锁相环后得到的电网电压相位得到电网电流给定值。将电网电流给定值与牵引网电流进行比较，输出电流差值，作为电流调节器的输入，电流调节器通过PIR(比例-积分-谐振)调节后输出基波电压，然后将牵引网电流进行低频谐波控制，输出抑制低次谐波至零的谐波电压；将级联整流器的直流电压进行电压微调控制，将电压控制至额定值，输出模块电压，最后将牵引网电压、谐波电压和模块电压与基波电压进行比较，得到总的电压指令，用于载波移相控制。
如图6所示，为本发明另一实施例公开的一种牵引电力电子变压器的控制方法流程图，包括：
S601、采集级联整流器的直流电压、牵引网电压、牵引网电流；
S602、将级联整流器的直流电压与参考直流电压进行比较，输出电压差值；
S603、将电压差值进行PI调节输出给定电网电流幅值；
S604、将给定电网电流幅值乘以所述牵引网电压，输出电网电流给定值；
S605、将电网电流给定值与牵引网电流进行比较，输出电流差值；
S606、将电流差值进行PIR调节，输出基波电压指令；
S607、将牵引网电流进行低频谐波控制，输出抑制低次谐波至零的谐波电压指令；
S608、将级联整流器的直流电压进行电压微调控制，将电压控制至额定值，输出模块电压指令；
S609、将牵引网电压、谐波电压指令和模块电压指令与基波电压指令进行比较，输出用于载波移相控制的电压指令；S610、采集每个高频调制电路的直流电压和单相次边双绕组高频变压器的次边直流母线电压；
S611、以其中一个高频调制电路的直流电压为参考值，对其余的高频调制电路和单相次边双绕组高频变压器的次边进行PI调节，完成级联整流器中电容的电容电压平衡控制；
S612、采集单相次边双绕组高频变压器原边绕组交流电流的直流分量；
S613、将单相次边双绕组高频变压器原边绕组交流电流的直流分量进行PI调节，完成单相次边双绕组高频变压器的抗饱和控制；
S614、判断级联整流器的直流电压是否大于第一门槛值，若是，则进入步骤S615；
S615、生成第一控制指令，控制储能装置进行充电；
S616、判断牵引网电压是否为零，若是，则进入步骤S617；
S617、判断级联整流器的直流电压是否小于第二门槛值，若是，则进入步骤S618；
S618、生成第二控制指令，控制储能装置进行放电。
具体的，上述实施例的控制过程包括载波移相控制、级联整流器中电容的电容电压平衡控制、单相次边双绕组高频变压器的抗饱和控制、储能装置进行充电控制和储能装置进行放电控制。
在载波移相控制时，首先采集级联整流器的直流电压、牵引网电压和牵引网电流，然后将级联整流器的直流电压与参考直流电压进行比较，输出电压差值，然后电压差值进行PI调节输出给定电网电流幅值，将给定电网电流幅值乘以所述牵引网电压，输出电网电流给定值，将电网电流给定值与牵引网电流进行比较，输出电流差值，将电流差值进行PIR调节，调节后输出基波电压，然后将牵引网电流进行低频谐波控制，输出抑制低次谐波至零的谐波电压；将级联整流器的直流电压进行电压微调控制，将电压控制至额定值，输出模块电压，最后将牵引网电压、谐波电压和模块电压与基波电压进行比较，得到总的电压指令，用于载波移相控制具体的，在对电力电子变压器进行载波移相控制时还可以采用如图11所示的控制策略。如图11所示，将级联整流器中各个H型桥式功率模块的直流电压和的瞬时值经过二倍中频陷波器滤波后与参考直流电压相比较，误差作为电压调节器的输入。电压调节器通过PI调节后输出给定电网电流幅值，乘以牵引网电压经过锁相环后得到的电网电压相位得到电网电流给定值。将电网电流给定值与牵引网电流进行比较，输出电流差值，作为电流调节器的输入，电流调节器通过PIR(比例-积分-谐振)调节后输出基波电压，然后将牵引网电流进行低频谐波控制，输出抑制低次谐波至零的谐波电压；将级联整流器的直流电压进行电压微调控制，将电压控制至额定值，输出模块电压，最后将牵引网电压、谐波电压和模块电压与基波电压进行比较，得到总的电压指令，用于载波移相控制。在级联整流器中电容的电容电压平衡控制时，如图12所示，所有单相次边双绕组高频变压器原边的高频调制电路所对应的直流电压和为级联桥整流器的控制量，因此在电容电压平衡控制中，应以其中一个高频调制电路的电压作为参考，使其他高频调制电路的直流母线电压与其相等，就能将所有高频调制电路的直流母线电压控制在给定值，此时所有单相次边双绕组高频变压器原边发出的功率近似相等。对于单相次边双绕组高频变压器副边的高频整流电路，由于每个单相次边双绕组高频变压器副边两个绕组高频整流电路的直流侧分别相联，单相次边双绕组高频变压器副边只有两个直流母线电压，因此采用相同的参考值，用PI调节器将两个直流母线稳住即可。通过图10的N+1个PI调节器即可实现电容电压的平衡控制，进而实现了单相次边双绕组高频变压器绕组的功率均衡。
在单相次边双绕组高频变压器的抗饱和控制时，对于高频变压器隔离部分，一个重要的附加控制策略是高频变压器的抗饱和控制。由于IGBT器件参数的不一致、驱动电路参数的不一致、驱动信号延迟、占空比的细微差异、直流电压波动、死区等均可能导致绕组电压的直流偏置，使高频变压器饱和，同时使IGBT器件的电流应力升高，必须采用一定的方法消除高频变压器的直流偏置。具体措施是检测高频变压器原边绕组上的交流电流的直流分量，采用PI调节器控制高频方波正负半周的分配，从而消除绕组交流电流的直流分量，达到消除磁饱和的目的。
图13所示，系统中2N个高频变压器绕组需要2N个PI调节器来控制。输出的电压指令ucompare叠加在高频变压器调制指令中，交流电流的直流分量大于零时，减小高频方波的正半周时间；反之交流电流的直流分量小于零时，增大高频方波的正半周时间。
在储能装置充电控制时，当牵引电机处于牵引状态时，功率潮流由牵引网流向电牵引机；当牵引电机处于制动状态时，功率潮流由牵引电机流向牵引网。制动时，级联整流器的电容电压持续升高，通过电容电压平衡控制，控制功率潮流由高频变压器次边向原边流动，能量通过高频调制电路，流入级联整流器的H型桥式功率模块电容，导致H型桥式功率模块电容电压持续升高，因此当判断级联整流器的直流电压大于第一门槛值时，生成第一控制指令，控制储能装置进行充电，将导致电容电压升高的能量充入储能装置。
在储能装置放点控制时，当机车过分相时，牵引电力电子变压器系统与牵引网分离，电网电压为零。这时，传统的电力机车采用的方法是停止牵引系统，机车依靠惯性渡过分相无电区。牵引电力电子变压器在过分相时采用的方法是：当检测到电网电压为零或级联整流器电容电压持续下降时，生成第二控制指令，控制储能装置处于放电状态以维持级联整流器电容电压，DC-DC变换器和牵引逆变器持续正常工作；当检测到电网电压恢复正常时，关闭储能装置，能量由牵引网提供，DC-DC变换器和牵引逆变器持续正常工作。
如图7所示，为本发明实施例公开的牵引电力电子变压器的控制系统，包括由级联整流器、储能装置、DC-DC变换器等构成的牵引电力电子变压器和牵引电力电子变压器控制器。具体的，牵引电力电子变压器控制器如图8所示，包括：第一采集模块801、第一差值比较器802、第一PI调节器803、乘法器804、PIR调节器805、低频谐波控制器806、级联模块电压微调控制器807和第二差值比较器808；其中：
第一采集模块801，用于采集级联整流器的直流电压、牵引网电压、牵引网电流；
第一差值比较器802，用于将级联整流器的直流电压与参考直流电压进行比较，输出电压差值；
第一PI调节器803，用于将电压差值进行PI调节输出给定电网电流幅值；
乘法器804，用于将所述给定电网电流幅值乘以所述牵引网电压，输出电网电流给定值；
PIR调节器805，用于将电流差值进行PIR调节，输出基波电压指令；
低频谐波控制器806，用于将牵引网电流进行低频谐波控制，输出抑制低次谐波至零的谐波电压指令；
级联模块电压微调控制器807，用于将级联整流器的直流电压进行电压微调控制，将电压控制至额定值，输出模块电压指令；
第二差值比较器808，用于将牵引网电压、谐波电压和模块电压与基波电压进行比较，输出用于载波移相控制的电压指令。
具体的，上述实施例的工作原理为：在对电力电子变压器进行载波移相控制时，首先通过第一采集模块801采集级联整流器的直流电压、牵引网电压和牵引网电流，然后通过第一差值比较器802将级联整流器的直流电压与参考直流电压进行比较，输出电压差值，然后通过第一PI调节器803将电压差值进行PI调节，输出给定电网电流幅值，通过乘法器804将给定电网电流幅值乘以所述牵引网电压，输出电网电流给定值，通过PIR调节器805将电流差值进行PIR调节，输出基波电压，通过低频谐波控制器806将牵引网电流进行低频谐波控制，输出抑制低次谐波至零的谐波电压；通过级联模块电压微调控制器807，将级联整流器的直流电压进行电压微调控制，将电压控制至额定值，输出模块电压；通过第二差值比较器808，将牵引网电压、谐波电压和模块电压与基波电压进行比较，输出用于载波移相控制的电压指令。
具体的，在对电力电子变压器进行载波移相控制时还可以采用如图11所示的控制策略。如图11所示，将级联整流器中各个H型桥式功率模块的直流电压和的瞬时值经过二倍中频陷波器滤波后与参考直流电压相比较，误差作为电压调节器的输入。电压调节器通过PI调节后输出给定电网电流幅值，乘以牵引网电压经过锁相环后得到的电网电压相位得到电网电流给定值。将电网电流给定值与牵引网电流进行比较，输出电流差值，作为电流调节器的输入，电流调节器通过PIR(比例-积分-谐振)调节后输出基波电压，然后将牵引网电流进行低频谐波控制，输出抑制低次谐波至零的谐波电压；将级联整流器的直流电压进行电压微调控制，将电压控制至额定值，输出模块电压，最后将牵引网电压、谐波电压和模块电压与基波电压进行比较，得到总的电压指令，用于载波移相控制。
如图9所示，为本发明公开的另一种牵引电力电子变压器控制器，包括：第一采集模块901、第一差值比较器902、第一PI调节器903、乘法器904、PIR调节器905、低频谐波控制器906、级联模块电压微调控制器907、第二差值比较器908、第二采集模块909、第二PI调节器910、第三采集模块911、第三PI调节器912、第一判断模块913、第一控制器914、第二判断模块915、第三判断模块916和第二控制器917；其中：
第一采集模块901，用于采集级联整流器的直流电压、牵引网电压、牵引网电流；
第一差值比较器902，用于将级联整流器的直流电压与参考直流电压进行比较，输出电压差值；
第一PI调节器903，用于将电压差值进行PI调节输出给定电网电流幅值；
乘法器904，用于将所述给定电网电流幅值乘以所述牵引网电压，输出电网电流给定值；
PIR调节器905，用于将电流差值进行PIR调节，输出基波电压指令；
低频谐波控制器906，用于将牵引网电流进行低频谐波控制，输出抑制低次谐波至零的谐波电压指令；
级联模块电压微调控制器907，用于将级联整流器的直流电压进行电压微调控制，将电压控制至额定值，输出模块电压指令；
第二差值比较器908，用于将牵引网电压、谐波电压指令和模块电压指令与基波电压指令进行比较，输出用于载波移相控制的电压指令；
第二采集模块909，用于采集每个高频调制电路的直流电压和单相次边双绕组高频变压器的次边直流母线电压；
第二PI调节器910，用于以其中一个高频调制电路的直流电压为参考值，对其余的高频调制电路和单相次边双绕组高频变压器的次边进行PI调节，完成级联整流器中电容的电容电压平衡控制；
第三采集模块911，用于采集单相次边双绕组高频变压器原边绕组交流电流的直流分量；
第三PI调节器912，用于将单相次边双绕组高频变压器原边绕组交流电流的直流分量进行PI调节，完成单相次边双绕组高频变压器的抗饱和控制；
第一判断模块913，用于判断级联整流器的直流电压是否大于第一门槛值；
第一控制器914，用于当级联整流器的直流电压大于第一门槛值时，生成第二控制指令，控制储能装置进行放电；
第二判断模块915，用于判断牵引网电压是否为零；
第三判断模块916，用于当牵引网电压为零时，判断级联整流器的直流电压是否小于第二门槛值；
第二控制器917，用于当级联整流器的直流电压小于第二门槛值时，生成第二控制指令，控制储能装置进行放电。
具体的，上述实施例的控制系统包括载波移相控制、级联整流器中电容的电容电压平衡控制、单相次边双绕组高频变压器的抗饱和控制、储能装置进行充电控制和储能装置进行放电控制。
在载波移相控制时，首先第一采集模块901采集级联整流器的直流电压、牵引网电压和牵引网电流，然后通过第一差值比较器902将级联整流器的直流电压与参考直流电压进行比较，输出电压差值，然后通过第一PI调节器903将电压差值进行PI调节，输出给定电网电流幅值，通过乘法器904将给定电网电流幅值乘以所述牵引网电压，输出电网电流给定值，通过PIR调节器905将电流差值进行PIR调节，输出PIR基波电压，通过低频谐波控制器906将牵引网电流进行低频谐波控制，输出抑制低次谐波至零的谐波电压；通过级联模块电压微调控制器907，将级联整流器的直流电压进行电压微调控制，将电压控制至额定值，输出模块电压；通过第二差值比较器908，将牵引网电压、谐波电压和模块电压与基波电压进行比较，输出用于载波移相控制的电压指令。
具体的，在对电力电子变压器进行载波移相控制时还可以采用如图11所示的控制策略。如图11所示，将级联整流器中各个H型桥式功率模块的直流电压和的瞬时值经过二倍中频陷波器滤波后与参考直流电压相比较，误差作为电压调节器的输入。电压调节器通过PI调节后输出给定电网电流幅值，乘以牵引网电压经过锁相环后得到的电网电压相位得到电网电流给定值。将电网电流给定值与牵引网电流进行比较，输出电流差值，作为电流调节器的输入，电流调节器通过PIR(比例-积分-谐振)调节后输出
基波电压，然后将牵引网电流进行低频谐波控制，输出抑制低次谐波至零的谐波电压；将级联整流器的直流电压进行电压微调控制，将电压控制至额定值，输出模块电压，最后将牵引网电压、谐波电压和模块电压与基波电压进行比较，得到总的电压指令，用于载波移相控制。
在级联整流器中电容的电容电压平衡控制时，如图12所示，所有单相次边双绕组高频变压器原边的高频调制电路所对应的直流电压和为级联桥整流器的控制量，因此在电容电压平衡控制中，应以其中一个高频调制电路的电压作为参考，使其他高频调制电路的直流母线电压与其相等，就能将所有高频调制电路的直流母线电压控制在给定值，此时所有单相次边双绕组高频变压器原边发出的功率近似相等。对于单相次边双绕组高频变压器副边的高频整流电路，由于每个单相次边双绕组高频变压器副边两个绕组高频整流电路的直流侧分别相联，单相次边双绕组高频变压器副边只有两个直流母线电压，因此采用相同的参考值，用第二PI调节器910将两个直流母线稳住即可。通过图12的N+1个PI调节器即可实现电容电压的平衡控制，进而实现了单相次边双绕组高频变压器绕组的功率均衡。
在单相次边双绕组高频变压器的抗饱和控制时，对于高频变压器隔离部分，一个重要的附加控制策略是高频变压器的抗饱和控制。由于IGBT器件参数的不一致、驱动电路参数的不一致、驱动信号延迟、占空比的细微差异、直流电压波动、死区等均可能导致绕组电压的直流偏置，使高频变压器饱和，同时使IGBT器件的电流应力升高，必须采用一定的方法消除高频变压器的直流偏置。具体措施是通过第三采集模块911采集高频变压器原边绕组上的交流电流的直流分量，通过第三PI调节器912采用PI调节器控制高频方波正负半周的分配，从而消除绕组交流电流的直流分量，达到消除磁饱和的目的。
图13所示，系统中2N个高频变压器绕组需要2N个PI调节器来控制。输出的电压指令ucompare叠加在高频变压器调制指令中，交流电流的直流分量大于零时，减小高频方波的正半周时间；反之交流电流的直流分量小于零时，增大高频方波的正半周时间。
在储能装置充电控制时，当牵引电机处于牵引状态时，功率潮流由牵引网流向电牵引机；当牵引电机处于制动状态时，功率潮流由牵引电机流向牵引网。制动时，级联整流器的电容电压持续升高，通过电容电压平衡控制，控制功率潮流由高频变压器次边向原边流动，能量通过高频调制电路，流入级联整流器的H型桥式功率模块电容，导致H型桥式功率模块电容电压持续升高，因此当第一判断模块913判断级联整流器的直流电压大于第一门槛值时，第一控制器8914生成第一控制指令，控制储能装置进行充电，将导致电容电压升高的能量充入储能装置。
在储能装置放点控制时，当机车过分相时，牵引电力电子变压器系统与牵引网分离，电网电压为零。这时，传统的电力机车采用的方法是停止牵引系统，机车依靠惯性渡过分相无电区。牵引电力电子变压器在过分相时采用的方法是：当通过第二判断模块915判断电网电压为零，通过第三判断模块916判断级联整流器电容电压小于第二门槛值时，通过第二控制器917生成第二控制指令，控制储能装置处于放电状态以维持级联整流器电容电压，DC-DC变换器和牵引逆变器持续正常工作；当检测到电网电压恢复正常时，关闭储能装置，能量由牵引网提供，DC-DC变换器和牵引逆变器持续正常工作。
如图10所示，为本发明公开的牵引电力电子变压器控制系统的结构示意图，通过牵引电力电子变压器控制器中的模拟量采集板、数字量采集板等采集牵引电力电子变压器中的IO信号、电压信号和电流信号等，并将采集后的数据进行数据处理后，通过控制板DSP1、DSP2实现载波移相控制、级联整流器中电容的电容电压平衡控制、单相次边双绕组高频变压器的抗饱和控制、储能装置进行充电控制和储能装置进行放电控制。
本实施例方法所述的功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算设备可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算设备(可以是个人计算机，服务器，移动计算设备或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (15)

1.一种牵引电力电子变压器，其特征在于，包括：高频滤波电路、级联整流器和DC-DC变换器；其中：
所述高频滤波电路与牵引网电连接；
所述级联整流器与所述高频滤波电路电连接；
所述DC-DC变换器与所述高频滤波电路电连接。
2.根据权利要求1所述的牵引电力电子变压器，其特征在于，所述高频滤波电路包括：第一电感、第二电感和第一电容；其中：
所述第一电感和第二电感串联在牵引网和所述级联整流器之间；
所述第一电容和第一电感串联在牵引网和地之间。
3.根据权利要求2所述的牵引电力电子变压器，其特征在于，所述级联整流器包括：N个H型桥式功率模块和N个第二电容；其中：
每个第二电容分别与一个H型桥式功率模块并联；
每个H型桥式功率模块之间相互串联，串联后的一端通过所述第一电感和第二电感接入牵引网，另一端接地。
4.根据权利要求3所述的牵引电力电子变压器，其特征在于，所述DC-DC变换器包括：N个高频调制电路、N个单相次边双绕组高频变压器和2N个高频整流电路；其中：
每个所述高频调制电路分别与一个所述H型桥式功率模块串联；
每个所述单相次边双绕组高频变压器的原边分别与一个所述高频调制电路串联；
每个所述单相次边双绕组高频变压器的次边分别与一个所述高频整流电路串联。
5.根据权利要求4所述的牵引电力电子变压器，其特征在于，所述级联整流器还包括N个储能装置；
所述每个储能装置分别与一个所述第二电容并联。
6.一种牵引电力电子变压器控制方法，其特征在于，包括：
采集级联整流器的直流电压、牵引网电压、牵引网电流；
将所述级联整流器的直流电压与参考直流电压进行比较，输出电压差值；
将所述电压差值进行PI调节输出给定电网电流幅值；
将所述给定电网电流幅值乘以所述牵引网电压，输出电网电流给定值；
将所述电网电流给定值与牵引网电流进行比较，输出电流差值；
将所述电流差值进行PIR调节，输出基波电压指令；
将所述牵引网电流进行低频谐波控制，输出抑制低次谐波至零的谐波电压指令；
将所述级联整流器的直流电压进行电压微调控制，将电压控制至额定值，输出模块电压指令；
将所述牵引网电压、谐波电压指令和模块电压指令与所述基波电压指令进行比较，输出用于载波移相控制的电压指令。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：
采集每个高频调制电路的直流电压和单相次边双绕组高频变压器的次边直流母线电压；
以其中一个高频调制电路的直流电压为参考值，对其余的高频调制电路和单相次边双绕组高频变压器的次边进行PI调节，完成级联整流器中电容的电容电压平衡控制。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：
采集单相次边双绕组高频变压器原边绕组交流电流的直流分量；
将所述单相次边双绕组高频变压器原边绕组交流电流的直流分量进行PI调节，完成单相次边双绕组高频变压器的抗饱和控制。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：
判断级联整流器的直流电压是否大于第一门槛值，若是，则：
生成第一控制指令，控制储能装置进行充电。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：
判断牵引网电压是否为零，若是，则：
判断级联整流器的直流电压是否小于第二门槛值，若是，则：
生成第二控制指令，控制储能装置进行放电。
11.一种牵引电力电子变压器控制系统，其特征在于，包括：牵引电力电子变压器和牵引电力电子变压器控制器，其中：所述牵引电力电子变压器控制器包括：
第一采集模块，用于采集级联整流器的直流电压、牵引网电压、牵引网电流；
第一差值比较器，用于将所述级联整流器的直流电压与参考直流电压进行比较，输出电压差值；
第一PI调节器，用于将所述电压差值进行PI调节输出给定电网电流幅值；
乘法器，用于将所述给定电网电流幅值乘以所述牵引网电压，输出电网电流给定值；
PIR调节器，用于将所述电流差值进行PIR调节，输出PIR基波电压；
低频谐波控制器，用于将所述牵引网电流进行低频谐波控制，输出抑制低次谐波至零的谐波电压；
级联模块电压微调控制器，用于将所述级联整流器的直流电压进行电压微调控制，将电压控制至额定值，输出模块电压；
第二差值比较器，用于将所述牵引网电压、谐波电压和模块电压与所述基波电压进行比较，输出用于载波移相控制的电压指令。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述牵引电力电子变压器控制器还包括：
第二采集模块，用于采集每个高频调制电路的直流电压和单相次边双绕组高频变压器的次边直流母线电压；
第二PI调节器，用于以其中一个高频调制电路的直流电压为参考值，对其余的高频调制电路和单相次边双绕组高频变压器的次边进行PI调节，完成级联整流器中电容的电容电压平衡控制。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述牵引电力电子变压器控制器还包括：
第三采集模块，用于采集单相次边双绕组高频变压器原边绕组交流电流的直流分量；
第三PI调节器，用于将所述单相次边双绕组高频变压器原边绕组交流电流的直流分量进行PI调节，完成单相次边双绕组高频变压器的抗饱和控制。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述牵引电力电子变压器控制器还包括：
第一判断模块，用于判断级联整流器的直流电压是否大于第一门槛值；
第一控制器，用于当级联整流器的直流电压大于第一门槛值时，生成第二控制指令，控制储能装置进行放电。
15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述牵引电力电子变压器控制器还包括：
第二判断模块，用于判断牵引网电压是否为零；
第三判断模块，用于当牵引网电压为零时，判断级联整流器的直流电压是否小于第二门槛值；
第二控制器，用于当级联整流器的直流电压小于第二门槛值时，生成第二控制指令，控制储能装置进行放电。
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