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基于碳化硅的轨道车辆一体化变流器系统.pdf
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1、2023 年 28 期创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application基于碳化硅的轨道车辆一体化变流器系统曲建真1,2,张志强1,2,类延霄1,2,高信迈1,2(1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东 青岛 266111;2.高速磁浮运载技术全国重点实验室,山东 青岛 266111)牵引传动技术是铁路机车车辆核心技术之一,虽然我国众多主机厂在牵引传动系统设计时采用不同的技术路线,但基本都由工频牵引变压器和牵引变流器组成。由于工频牵引变压器工作频率较低,其体积和重量较大1。高速列车运行功率越来越高,更高容量的工频变压器在整车重量占比更加突出,限
2、制整车轻量化需求。受限于硅(Si)器件的技术特点,传统牵引变流器在轻量化及节能性能上提升空间不大。铁路机车车辆急需采用新技术促进牵引传动技术的发展,实现牵引系统的轻量化和小型化。电力电子变压器一般是指通过电力电子技术及高频变压器实现的具有但不限于传统工频交流变压器功能的新型电力电子设备。电力电子变压器应用目前主要集中在电力机车牵引用的车载变流器系统、智能电网/能源互联网和分布式可再生能源发电并网系统2-3。相比 Si 器件,在相同开关电压变化率下,碳化硅(SiC)器件可减少 70%的开关损耗。电力电子变压器若采用SiC 器件,其低损耗特性可以降低散热系统的体积和重量,其高开关频率特性可降低无源
3、器件的体积和重量,达到轻量化、小型化、节能减排的目的4。本文将应用级联多电平技术和高频谐振软开关技术,构建基于低压 SiC 器件的电子电力变压器正弦波牵引逆变器一体化系统,以显著提高系统运行效率和功率密度,降低牵引传动系统体积和重量。1一体化变流器系统拓扑结构分析一体化变流器系统方案如图 1 所示,包含 52 个相同的基本功率子单元。该一体化变流器系统可独立驱动 4 台牵引电机,每台牵引电机线电压 2 750 V,线电基金项目:山东省重点研发计划(重大科技创新工程)(2020CXGC010202);超高速磁浮交通技术路径战略研究(2022-XBZD-20-02)第一作者简介:曲建真(1990-
4、),男,博士,工程师。研究方向为电力电子变流器。摘要:为实现轨道车辆牵引传动系统的小型化和轻量化,同时降低车辆高速运行时传统变流器开关频率过低导致的电机电流畸变,提出一种基于碳化硅(SiC)的电力电子变压器正弦波牵引逆变器一体化变流器系统。分别给出基于 SiC 器件的系统实现方案、高频大功率高绝缘耐压磁隔离设计方案,并通过仿真分析该系统的输入输出特性。结果表明,该系统在额定功率 3.25MVA 运行时,输入电流总谐波畸变率(THD)低于 1%,功率因数大于 0.99,输出电压总谐波畸变率(THD)低于 3.50%;系统效率大于97.5%,相比传统牵引传动系统效率提高 3%5%。关键词:碳化硅;
5、电力电子变压器;正弦波牵引逆变器;谐振变换器;软开关中图分类号院U270.38文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤28-00圆愿-0源Abstract:In order to realize the miniaturization and lightweight of the traction drive system of rail vehicles,and to reducethe motor current distortion caused by the low switching frequency of the traditional converter when
6、 the vehicle is running at highspeed,an integrated converter system of power electronic transformer and sine wave traction inverter based on silicon carbide(SiC)is proposed.The realization scheme of the system based on SiC device and the design scheme of high frequency,high power andhigh insulation
7、voltage magnetic isolation are given respectively,and the input and output characteristics of the system areanalyzed by simulation.The results show that when the rated power is 3.25 MVA,the total harmonic distortion(THD)of the inputcurrent is less than 1%,the power factor is more than 0.99,the outpu
8、t voltage THD is less than 3.50%,and the systemefficiency is more than 97.5%,which is 3%5%higher than that of the traditional traction drive system.Keywords:silicon carbide;power electronic transformer;sinusoidal traction inverter;resonant converter;soft switchingDOI:10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.28.
9、00728-创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 28 期流155 A。一体化变流器系统同时提供 4 组三相 380 V交流辅助电源,每路辅助电源额定输出功率 50 kVA。图 1一体化变流器系统方案我国铁路牵引接触网额定电压为 25 kV,而现阶段 SiC 功率器件电压等级为 1.2 kV。考虑到一定的电压裕量及占空比的影响,采用模块化结构,实现高压输入侧的串联分压。应用 SiC 器件实现的一种基本功率子单元如图 2 所示。中间级 DC/DC 变换器采用 CLLC谐振变换器拓扑实现牵引网与列车电气隔离,能量可双向传输,工
10、作于 150 kHz 以显著降低隔离磁单元的体积和重量。图 2基本功率子单元实现方案每台牵引电机由 12 个基本功率子单元组成的级联多电平方案独立控制(轴控方式),可以有效提高黏着利用,同时可用于驱动永磁电机。对于驱动三相电机采用并联二级级联方案,如图 3 所示,此时通态损耗为四级级联方案的 25%。但在三相电机额定功率运行时,基本功率单元直流母线电压需大于 972 V,需要优化直流母线降低寄生电感。图 3一体化变流器系统级联逆变方案2一体化变流器系统控制策略仿真2.1前级级联 PWM 整流仿真一体化变流器输入直接连接牵引网,要求能量双向流动,输入单位功率因数运行。单相 52 级级联 PWM
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