CN110890845B - 一种高铁列车电力电子变压器级联输出均流控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电力电子变压器级联输出均流控制方法，利用N个结构相同的标准化整流模块均匀承担输入电压，所述N个标准化整流模块的输入端串联且输出端并联，其中标准化整流模块包括依次连接的整流电路、全桥逆变电路、高频变压器以及整流滤波电路。本发明的电力电子变压器系统是由多个标准化整流模块通过输入端串联输出端并联的方式构成，即利用分压原理使各标准化整流器模块均匀地承担较低的电压，实现电压的平均切分实现对电力机车牵引变压器的等效功能，以电力电子变压器替代牵引变压器，做到机车减重增效以及提高可维护性。

Description

一种高铁列车电力电子变压器级联输出均流控制方法
技术领域
本发明涉及变压器控制领域，具体而言，尤其涉及一种应用于高铁列车的电力电子变压器级联输出均流控制方法。
背景技术
随着中国铁路机车与动车技术的飞速发展，对铁路机车与动车性能及稳定性的需求也越来越高。目前铁路机车与动车的供电电源采用的是频率50Hz、幅值25kV的单相交流电，由受电弓供给铁路机车与动车的变压器进行降压，作为四象限的输入进行逆变及整流。
目前的变压器产品存在着重量高，体积大，冗余性低等缺点，使得铁路机车与动车的性能难以进一步提高。
2017年，为解决此问题，中国中车成立的先进轨道交通重点专项里成立了一项名为“电力电子变压器及其控制策略研究与应用”的课题，并受国家重点研发计划资助。该课题主要研究方向是采用多模块级联的电力电子变压器来替换传统的变压器，从而使铁路机车与动车的体积及重量大幅下降，同时可以降低能耗，并具备冗余功能，当出现一个模块故障时，其他模块仍可以在满载情况下正常工作，同时对变压器产品的设计，替换以及维护等方面都有大幅度的优化。
目前的铁路机车与动车都是利用传统的大型变压器对电网降压后通过四象限进行整流，输出稳定的直流电压对后端逆变器进行供电。基本的拓扑结构如图1所示。基于此系统的四象限整流算法已经成熟运用在我国各型号产品的机车与动车上，四象限输出稳定直流电压供给后端逆变器进行逆变。该技术稳定成熟，但不涉及级联的均压及均流控制，如果不能实现均流，会导致输出的中间电压纹波过大甚至电压失控，致使后端的逆变器无法正常工作。
另外，而现有的大型变压器的重量占电气设备总重量33％左右，另外其体积大、空载损耗大，因此可以说这种变压器是不适应于目前我国机车及动车的发展路线的。针对产品而言，对这种大重量及体积的变压器进行日常维修及故障更换是十分困难的，而漏油现象更是会污染内部电缆，影响相关设备外观，甚至迫使停电检修，危及行车安全。
发明内容
根据上述提出的输出不能实现均流，会导致输出的中间电压纹波过大甚至电压失控，致使后端的逆变器无法正常工作的技术问题，而提供一种电力电子变压器级联输出均流控制方法。本发明主要通过前端四象限输入串联分担电网电压，后端逆变器并联分担大电流的方式来实现主电路拓扑。
本发明采用的技术手段如下：
一种电力电子变压器级联输出均流控制方法，利用N个结构相同的标准化整流模块均匀承担输入电压，所述N个标准化整流模块的输入端串联且输出端并联，其中N≥2。
进一步地，所述标准化整流模块包括依次连接的整流电路、全桥逆变电路、高频变压器以及整流滤波电路。
进一步地，各所述标准化整流模块的传输功率相等。
进一步地，各所述标准化整流模块以其直流输入电压作为前馈控制，经第一比例积分调节得到直流电流参考值，然后将其输出电流的平均值与所述直流电流参考值比较，再经第二比例积分调节得到该标准化整流模块的移相角。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明研究了用于机车及动车上的电力电子变压器的均流控制策略。一般机车及动车系统如采用电力电子变压器方案，需十余个电力电子变压器小模块级联组成，通过前端四象限输入串联分担电网电压，后端逆变器并联分担大电流的方式来实现主电路拓扑，进而实现对电力机车牵引变压器的等效功能，以电力电子变压器替代牵引变压器，做到机车减重增效以及提高可维护性。
此外，本发明利用分压原理，将输入的高压直流电加载在串联连接的N个完全相同的标准化整流模块上，从而使各标准化整流器模块均匀地承担较低的电压，实现电压的平均切分；然后，各标准化整流器模块交流电经过整流电路—全桥逆变电路—高频变压器—整流滤波电路，并联输出直流电。通过对全桥逆变部分的调节控制，可实现输出直流电压、电流的调节。
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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有机车与动车变流系统拓扑图。
图2为本发明电力电子变压器方案拓扑结构。
图3为本发明整流模块控制策略。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
大型变压器的重量大体积大、空载损耗大，不适应于目前我国机车及动车的发展路线的。
针对上述问题，本发明提供了一种电力电子变压器级联输出均流控制方法，如图2-3所示，利用N个结构相同的标准化整流模块均匀承担输入电压，所述N个标准化整流模块的输入端串联且输出端并联，其中N≥2。其中标准化整流模块包括依次连接的整流电路、全桥逆变电路、高频变压器以及整流滤波电路。
具体地，本发明中电力电子变压器的作用是通过受电弓和隔离开关箱输入高压单相交流电，经内部整流转化为可供后端电机及辅助系统所用的稳定直流电，其独特的拓扑结构如图2所示。本发明的电力电子变压器系统是由多个标准化整流模块通过输入端串联输出端并联的方式构成，即利用分压原理，将输入的高压直流电加载在串联连接的N个完全相同的标准化整流模块上，从而使各标准化整流器模块均匀地承担较低的电压，实现电压的平均切分；然后，各标准化整流器模块交流电经过整流电路—全桥逆变电路—高频变压器(DC/DC变换器)—整流滤波电路，并联输出直流电。通过对全桥逆变部分的调节控制，可实现输出直流电压、电流的调节。
进一步地，各所述标准化整流模块的传输功率相等。各所述标准化整流模块以其直流输入电压作为前馈控制，经第一比例积分调节得到直流电流参考值，然后将其输出电流的平均值与所述直流电流参考值比较，再经第二比例积分调节得到该标准化整流模块的移相角。
为了电力电子变压器系统中各标准化整流模块输入均压和输出均流问题，本发明采用如图3所示的输出级标准化整流模块控制策略，其中U1，U2，…，Un分别为对应各单元输入直流电压；io1，io2，…，ion为输出电流平均值；Uo为输出直流电压；
Figure BDA0002307062830000041
分别对应各DC/DC变换器进行移相控制的移相角。以直流输入电压作为前馈控制，经PI调节得到直流电流参考值Iref，各单元输出电流的平均值与其比较，再经PI调节得到对应单元的移相角，从而控制各单元的传输功率相等，同时稳定直流输出电压。由控制框图可知，在控制中引入了DC/DC变换器的输入电压作为前馈控制，经过一个PI电压调节器输出直流电流的参考值Iref，各单元输出电流的平均值与对应的参考电流进行比较，再经过一个PI电流调节器得到对应单元的移相角，从而控制各单元的传输功率相等，同时给负载提供稳定的输出电压。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (2)

1.一种电力电子变压器级联输出均流控制方法，其特征在于，利用N个结构相同的标准化整流模块均匀承担输入电压，所述N个标准化整流模块的输入端串联且输出端并联，其中N≥2；
各所述标准化整流模块以其直流输入电压作为前馈控制，将所述直流输入电压与输出电压做比较，经第一比例积分调节得到直流电流参考值，然后将其输出电流的平均值与所述直流电流参考值比较，再经第二比例积分调节得到该标准化整流模块的移相角；所述标准化整流模块包括依次连接的整流电路、全桥逆变电路、高频变压器以及整流滤波电路，通过对全桥逆变部分的调节控制，实现输出直流电压、电流的调节。
2.根据权利要求1所述的电力电子变压器级联输出均流控制方法，其特征在于，各所述标准化整流模块的传输功率相等。
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