CN105811790A - 一种牵引电力电子变压器系统 - Google Patents

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CN105811790A CN201610325711.5A CN201610325711A CN105811790A CN 105811790 A CN105811790 A CN 105811790A CN 201610325711 A CN201610325711 A CN 201610325711A CN 105811790 A CN105811790 A CN 105811790A
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李红波
陈涛
张志学
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Abstract

本申请提出了一种牵引电力电子变压器系统，所述系统将二次脉动解耦有源滤波器的输入端与四象限整流器第一桥臂中点相连，并将所述二次脉动解耦有源滤波器的输出端与所述直流母线并联，这样使得二次脉动解耦有源滤波器的输入端连接在交流电网侧，输出端连接在直流母线侧，从而减少直流母线的二次脉动电压对电网系统或牵引电力电子变压器系统的影响，并且该二次脉动解耦有源滤波器即使在较低的开关频率(450Hz)工况下，也能够获得良好的二次脉动电压抑制效果。

Description

一种牵引电力电子变压器系统
技术领域
本发明涉及电力牵引传动领域，尤其涉及一种牵引电力电子变压器系统。
背景技术
二次脉动电压是由单相交流供电系统变换成直流电后在直流母线出现的二倍于电网频率的脉动电压。这种低频脉动电压会向电机引入低频的差频电流，增加电机损耗，使得电机铁芯发热。另外，二次脉动电压也会向电网引入三次谐波污染，同时提高了电力电子牵引变压器系统的开关器件的最大电压和电流的设计要求，同时增大了变压器和变换器的损耗，降低了整个系统的效率。因此需要对直流电压二次脉动进行抑制，消除其对整个系统带来的不利影响。
目前，存在一种直流侧有源滤波的二次脉动解耦方案，该方案是在直流侧并联一个Buck电路，将二次脉动功率导入到储能电容中来抑制直流母线电压的二次脉动，但这种方案工作在电流断续模式下，造成较大的开关电流波纹，增大了开关管应力和电感磁滞损耗。并且储能电容电压包含多种谐波分量，因此在高压大功率场合开关频率受限的情况下，系统难以获得较好的电压二次脉动抑制效果。另一种二次脉动电压有源滤波抑制方案中，在单相交流电网的两端并联增加两个串联的储能电容，两串联的储能电容中点与和直流母线并联的第三桥臂的中点相连。虽然能够有效消除直流电压的二次脉动，但这种方案中的储能电容与电网直接并联，电网的感抗和两电容相互作用，从而引起电网电流产生畸变。
因此，如何有效抑制直流母线二次脉动电压，并且减少对电网系统或整个牵引电力电子变压系统的影响，是目前需要解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种牵引电力电子变压器系统，能够有效地抑制直流母线二次脉动电压，并且减少了对电网系统和整个牵引电力电子变压器系统的影响。
本发明公开了一种牵引电力电子变压器系统，包括：
四象限整流器、二次脉动解耦有源滤波器和直流母线；
所述二次脉动解耦有源滤波器的输入端与所述四象限整流器第一桥臂中点相连；
所述二次脉动解耦有源滤波器的两个输出端与所述直流母线并联；
其中，所述二次脉动解耦有源滤波器将所述系统中固有的二次脉动功率导入到所述二次脉动解耦有源滤波器中进行功率存储，以便对所述直流母线二次脉动电压进行抑制。
优选的，所述二次脉动解耦有源滤波器，包括：
储能元件、第一开关管和第二开关管；
其中，所述储能元件的输入端与所述四象限整流器第一桥臂中点相连，所述储能元件的输出端与第一开关管的第一端口和第二开关管的第二端口相连，用于与所述直流母线不断的进行二次脉动功率交换；
所述第一开关管的第二端口与所述直流母线的正极端连接，用于在所述第一开关管的控制端口的驱动电压为正时导通；
所述第二开关管的第一端口与所述直流母线的负极端连接，用于在所述第二开关管的控制端口的驱动电压为正时导通。
优选的，所述储能元件，包括：储能电容。
优选的，所述二次脉动解耦有源滤波器，还包括：
平波电感；
其中，所述平波电感的第一端口与所述储能电容的第一端口相连，所述平波电感的第二端口与所述四象限整流器第一桥臂中点连接，用于限制所述第一开关管或所述第二开关管导通时所述储能电容电流的上升率。
优选的，所述系统，还包括：
储能电容电压指令闭环校正单元；
其中，所述储能电容电压指令闭环校正单元的输入端与所述牵引电力电子变压器系统的直流侧电容相连，输出端与所述二次脉动解耦有源滤波器相连，用于获取所述直流侧电容的电压检测值，根据所述电压检测值对所述储能电容电压指令进行补偿校正，并将补偿校正后电压指令输出给所述二次脉动解耦有源滤波器。
优选的，所述储能电容电压指令闭环校正单元，包括：
分量提取器、PI控制器和储能电容电压指令计算单元；
其中，所述分量提取器的输入为所述直流侧电容电压的检测值，用于利用离散傅里叶变换对所述直流侧电容电压进行d、q轴脉动电压分量提取，以获得所述直流侧电容的d轴脉动电压分量和q轴脉动电压分量；
所述分量提取器的输出端与所述PI控制器的输入端相连，用于将所述分量提取器获得的直流侧电容的d轴脉动电压分量和q轴脉动电压分量输入到所述PI控制器；
所述PI控制器，用于根据所述获取的所述直流侧电容的d轴脉动电压分量和q轴脉动电压分量计算得到所述储能电容电压指令的补偿分量，并将所述储能电容电压指令的补偿分量输出给所述储能电容电压指令计算单元；
所述储能电容电压指令计算单元的输入端与所述PI控制器的输出端相连，用于接收所述PI控制器输出的储能电容电压指令补偿分量；
所述储能电容电压指令计算单元根据所述储能电容电压指令补偿分量对所述储能电容电压指令进行计算，并将计算得到的储能电容电压指令发送给所述二次脉动解耦有源滤波器。
优选的，所述储能元件，包括：储能电感。
相对于现有技术，本发明的有益效果是：本发明将二次脉动解耦有源滤波器的输入端与四象限整流器第一桥臂中点相连，并将二次脉动解耦有源滤波器的输出端与直流母线并联，这样使得二次脉动解耦有源滤波器的输入端连接在输入交流电网侧，输出端并联在直流母线侧，从而减少对电网系统或牵引电力电子变压系统的影响，并且二次脉动解耦有源滤波器即使在较低的开关频率(450Hz)工况下，也能够获得较好的二次脉动电压抑制效果。
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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例公开的一种牵引电力电子变压器系统的结构图；
图2是本发明另一实施例公开的一种电力牵引变压器系统牵引电力电子变压器系统的结构图；
图3是本发明另一实施例公开的一种牵引电力电子变压器系统的结构图。
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。
本发明公开了一种牵引电力电子变压器系统，参见图1，所述系统，包括：
四象限整流器101、二次脉动解耦有源滤波器102和直流母线103；
其中，所述二次脉动解耦有源滤波器102的输入端与所述四象限整流器101第一桥臂中点相连；所述二次脉动解耦有源滤波器102的输出端与所述直流母线103并联；所述二次脉动解耦有源滤波器用于与所述直流母线进行二次脉动功率交换，，实现所述四象限整流器101交流侧和直流母线103的二次脉动功率解耦，从而有效抑制直流母线103的二次脉动电压。
需要说明的是，所述四象限整流器101的第一桥臂中点连接单相交流供电系统的其中一个端口，所述四象限整流器101的第二桥臂中点连接所述单相交流供电系统的另一端口；所述四象限整流器101的功能是将所述单相交流供电系统提供的单相交流电变换成直流电，为所述电力牵引电力电子变压器系统的LLC谐振软开关变换器113提供直流电压；所述单相交流供电系统向负载输出的功率包含有功功率和二次脉动功率，并且二次脉动功率的峰值略大于有功功率的峰值，因此，需要对所述二次脉动功率进行解耦。
所述四象限整流器101是由4个绝缘栅双极型晶体管IGBT构成的全桥整流器，其中，IGBT是由双极型三极管BJT和绝缘栅型场效应管MOS组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。所述第一桥臂是由两个IGBT构成的半桥，所述第二桥臂是由另外两个IGBT构成的半桥。
所述直流母线103经所述二次脉动解耦有源滤波器滤波后并联LLC谐振软开关变换器113，实现降压和隔离功能，给牵引系统提供所需直流电。
所述LLC谐振软开关变换器113是由2个全桥变换器和一个中频变压器构成。其中，每个所述全桥变换器由4个绝缘栅双极型晶体管IGBT构成。所述LLC谐振软开关变换器113将所述四象限整流器101输出的直流电压进行降压变换以满足牵引变频系统所需要的直流电压，同时实现了交流电网和牵引变频系统的电气隔离。
本实施例中，通过对所述二次脉动解耦有源滤波器102拓扑结构的改进，即将所述二次脉动解耦有源滤波器102的输入端与所述四象限整流器101第一桥臂中点相连，并将所述二次脉动解耦有源滤波器102的输出端与所述直流母线103并联。这样使得所述二次脉动解耦有源滤波器102的一端连接在单相交流电网侧，另一端连接在所述直流母线103上。所述二次脉动解耦有源滤波器用于与所述直流母线进行二次脉动功率交换，在对二次脉动电压进行有效抑制的同时，阻止二次脉动功率流向LLC谐振变换器，减少对电网系统或牵引电力电子变压器系统的影响。
优选的，另一实施例中，参见图2，所述二次脉动解耦有源滤波器102，包括：
储能电容104、平波电感105、第一开关管106和第二开关管107；
其中，所述储能电容104和所述平波电感105串联，即所述储能电容104的第一端口和所述平波电感105的第一端口相连；所述平波电感105的第二端口与所述四象限整流器101的第一桥臂中点相连，用于缓冲二次脉动功率；所述储能电容104的第二端口与所述第一开关管106的第一端口和第二开关管107的第二端口相连；
所述第一开关管106的第二端口与所述直流母线103的正极端连接，用于在所述第一开关管106的控制端口的驱动电压为正时导通；
所述第二开关管107的第一端口与所述直流母线103的直流侧负极端连接，用于在所述第二开关管107的控制端口的驱动电压为正时导通。
需要说明的是，所述二次脉动解耦有源滤波器102通过所述第一开关管106和第二开关管107的交替导通，将所述储能电容104的电压控制成与电网同频率的交流电压；当所述储能电容104的电压与电流为关联方向时，所述储能电容104开始从直流母线103上吸收二次脉动功率，当所述储能电容104的电压与电流为非关联方向时，所述储能电容104将回馈二次脉动功率给直流母线103；所述储能电容104通过不断地与所述直流母线103进行二次脉动功率的交换，进而实现对直流母线103二次脉动电压的抑制。
所述平波电感105的作用是限制所述第一开关管106或所述第二开关管107导通时所述储能电容104的电流上升率，从而保护所述第一开关管106和所述第二开关管107。并且在满足电流波纹要求的情况下，所述平波电感105越小越能提高所述牵引电力电子变压器系统的功率密度。所述第一开关管106或所述第二开关管107的第三端口为控制端口，用于当所述控制端口输入驱动电压时导通，所述驱动电压有辅助电路提供。
本实施例中，所述二次脉动解耦有源滤波器102中以储能电容104作为储能元件，将二次脉动功率引入所述储能电容104中，从而起到抑制二次脉动电压的作用。并且在所述二次脉动解耦有源滤波器102中串接一个平波电感105，限制所述第一开关管106或所述第二开关管107导通时所述储能电容104的电流上升率，从而保护所述第一开关管106和所述第二开关管107。本实施例公开的二次脉动解耦有源滤波器102在对二次脉动电压进行过滤时即使在较低的开关频率(450Hz)工况下，也能够有效地抑制直流母线103电压的二次脉动。由于有效抑制所述直流母线103电压的二次脉动，这样减小了所述牵引电力电子变压器系统中滤波电容，从而提高了所述牵引电力电子变压器系统的功率密度，并且有利于减小所述牵引电力电子变压器系统中LLC谐振软开关变换器112在软开关条件下的关断电流峰值，从而降低变换器和变压器的损耗，提高所述牵引电力电子变压器系统的效率。
优选的，另一实施例中，参见图3，所述牵引电力电子变压器系统，还包括：
储能电容电压指令闭环校正单元108；所述储能电容电压指令闭环校正单元108的输入端与所述牵引电力电子变压器系统的直流侧电容111相连，输出端与所述二次脉动解耦有源滤波器102相连，用于获取所述直流侧电容111的电压检测值，根据所述电压检测值对所述储能电容104电压指令进行补偿校正，并将补偿校正后电压指令输出给所述二次脉动解耦有源滤波器102。
其中，所述储能电容电压指令闭环校正单元108，包括：
分量提取器109、PI控制器110和储能电容电压指令计算单元112；
所述分量提取器109的输入为所述牵引电力电子变压器系统的直流侧电容111的实际电压检测值；所述分量提取器109用于利用离散傅里叶变换对所述直流侧电容111电压进行d、q轴脉动电压分量提取，以获得所述直流侧电容的d轴脉动电压分量和q轴脉动电压分量；
所述分量提取器109的输出端与所述PI控制器110的输入端相连，用于将所述分量提取器109获得的所述直流侧电容111的d轴脉动电压分量和q轴脉动电压分量输入到所述PI控制器110中；所述PI控制器110根据获得的直流侧电容111的d轴脉动电压分量和q轴脉动电压分量计算所述储能电容104电压指令值的补偿分量，并将所述储能电容电压指令的补偿分量输出给所述储能电容电压指令计算单元112；
所述储能电容电压指令计算单元112的输入端与所述PI控制器110的输出端相连，用于接收所述PI控制器110输出的储能电容电压指令补偿分量；然后所述PI控制器110根据所述储能电容电压指令补偿分量对所述储能电容104电压指令进行计算，并将计算得到的储能电容104电压指令发送给所述二次脉动解耦有源滤波器102，使其对所述直流母线的二次脉动电压进行抑制。
需要说明的是，在实际控制过程中，由于死区、电压、电流的测量误差、量化误差、采样延时、控制延时以及线路和开关损耗等因素的影响，所述二次脉动解耦有源滤波器102的电容电压指令值的计算会出现偏差，特别是相位角出现较大偏差时甚至会加剧直流侧电压的二次脉动，因此需要对所述储能电容1104电压指令值进行自校正，以便较好的抑制所述直流母线103的电压二次脉动。
所述直流侧电容111的d轴脉动电压分量和q轴脉动电压分量中，所述d轴表示坐标轴，以电网电压矢量作为基准，与所述电网电压矢量同向的坐标轴为d轴，超前所述电网电压矢量90度的坐标轴为q轴。所述分量提取器109利用离散傅里叶变换对所述直流侧电容111电压进行d轴和q轴脉动电压分量提取，从而获得d轴脉动电压分量和q轴脉动电压分量；然后将所述d轴脉动电压分量和q轴脉动电压分量与对应的预设值分别做差，获得差值；所述PI控制器110根据所述差值计算所述储能电容104的电压指令值的补偿量，所述补偿量包含幅值补偿量和相位补偿量。所述储能电容电压指令计算单元112接收所述PI控制器110输出的储能电容电压指令补偿分量并对电容电压指令进行计算，之后将计算所得储能电容104电压指令发送给所述二次脉动解耦有源滤波器102，使其对所述直流母线103的二次脉动电压进行抑制，从而使得直流侧电压二次脉动衰减到零。
当所述直流母线103的直流侧完全没有二次脉动电压时，所述储能电容的电压指令值为一与电网同频率的稳定的正弦量。
本实施例中的储能电容电压指令闭环校正单元108有一个输入量，为所述直流侧电容111电压的实际检测值。所述储能电容电压指令闭环校正单元108输出为补偿校正后的储能电容104电压指令。通过储能电容电压指令闭环校正单元108通过前馈的方式对所述储能电容104电压指令值进行校正。本实施例通过所述储能电容电压指令闭环校正单元108进一步提高了所述二次脉动解耦有源滤波器102抑制所述直流母线103电压二次脉动的效果，从而提高二次脉动电压的抑制精度。
优选的，另一实施例中，所述储能元件为储能电感；
其中，所述储能电感的输入端与所述四象限整流器101的第一桥臂中点连接，所述储能电感的输出端与所述第一开关管106的第一端口和第二开关管107的第二端口相连，从而构成本实施例的二次脉动解耦有源滤波器。
另外，本发明公开的二次脉动电压抑制拓扑结构不仅适用于轨道交通牵引电力电子变压器系统的二次脉动抑制应用场合，对于任何单相交流供电系统如单相光伏发电并网系统、单相不间断电源UPS系统或者三相交流不平衡系统等直流侧电压存在的二次脉动场合的同等替换或改进均包含在本发明的保护范围之内。
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 (7)

1.一种牵引电力电子变压器系统，其特征在于，包括：
四象限整流器、二次脉动解耦有源滤波器和直流母线；
所述二次脉动解耦有源滤波器的输入端与所述四象限整流器的第一桥臂中点相连；
所述二次脉动解耦有源滤波器的两个输出端与所述直流母线并联；
其中，所述二次脉动解耦有源滤波器用于与所述直流母线进行二次脉动功率交换，以对所述直流母线二次脉动电压进行抑制。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述二次脉动解耦有源滤波器，包括：
储能元件、第一开关管和第二开关管；
其中，所述储能元件的输入端与所述四象限整流器的第一桥臂中点相连，所述储能元件的输出端分别与第一开关管的第一端口和第二开关管的第二端口相连，用于与所述直流母线进行二次脉动功率交换；
所述第一开关管的第二端口与所述直流母线的正极端连接，用于在所述第一开关管的控制端口的驱动电压为正时导通；
所述第二开关管的第一端口与所述直流母线的负极端连接，用于在所述第二开关管的控制端口的驱动电压为正时导通。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述储能元件，包括：储能电容。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述二次脉动解耦有源滤波器，还包括：
平波电感；
其中，所述平波电感的第一端口与所述储能电容的第一端口相连，所述平波电感的第二端口与所述四象限整流器第一桥臂中点连接，用于限制所述第一开关管或所述第二开关管导通时所述储能电容电流的上升率。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：
储能电容电压指令闭环校正单元；
其中，所述储能电容电压指令闭环校正单元的输入端与所述牵引电力电子变压器系统的直流侧电容相连，输出端与所述二次脉动解耦有源滤波器相连，用于获取所述直流侧电容的电压检测值，根据所述电压检测值对所述储能电容电压指令进行补偿校正，并将补偿校正后电压指令输出给所述二次脉动解耦有源滤波器。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述储能电容电压指令闭环校正单元，包括：
分量提取器、PI控制器和储能电容电压指令计算单元；
其中，所述分量提取器的输入为所述直流侧电容电压的检测值，用于对所述直流侧电容电压进行d、q轴脉动电压分量提取，以获得所述直流侧电容的d轴脉动电压分量和q轴脉动电压分量；
所述分量提取器的输出端与所述PI控制器的输入端相连，用于将所述分量提取器获得的直流侧电容的d轴脉动电压分量和q轴脉动电压分量输入到所述PI控制器；
所述PI控制器，用于根据所述获取的所述直流侧电容的d轴脉动电压分量和q轴脉动电压分量计算得到所述储能电容电压指令的补偿分量，并将所述储能电容电压指令的补偿分量输出给所述储能电容电压指令计算单元；
所述储能电容电压指令计算单元的输入端与所述PI控制器的输出端相连，用于接收所述PI控制器输出的储能电容电压指令补偿分量；
所述储能电容电压指令计算单元根据所述储能电容电压指令补偿分量对所述储能电容电压指令进行计算，并将计算得到的储能电容电压指令发送给所述二次脉动解耦有源滤波器。
7.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述储能元件，包括：储能电感。
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