一种电力电子牵引变压器拓扑结构及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种新型电力电子牵引变压器拓扑结构及其控制方法。该新型电力电子牵引变压器包括N个功率变换单元，功率变换单元包括H桥变换器和中/高频隔离型DC/DC变换单元，N个H桥变换器组成N级级联H桥变换器，中/高频隔离型DC/DC变换单元包括K个DC/DC变换器；N个功率变换单元输入端串联、输出端并联，N级级联H桥变换器的输入端串联连接，输出端互不相连，N个DC/DC变换单元的输入端与N级级联H桥变换器的输出端连接，输出端并联连接；K个DC/DC变换器输入端串联、输出端串联。新型电力电子牵引变压器的功率平衡控制包括三部分：各H桥变换器的直流输出电压平衡控制、各中/高频隔离型DC/DC变换单元的输出电流平衡控制、每个中/高频隔离型DC/DC变换单元中各DC/DC变换器的输入电压平衡控制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于高速动车组牵引传动系统领域，具体涉及一种新型电力电子牵引变压器拓扑结构及其控制方法。
技术介绍
牵引传动系统作为高速动车组的牵引动力和辅助供电系统的能量来源，是高速动车组中最为关键的系统之一。目前，高速动车组普遍采用工频牵引变压器来获取电能，经其降压变换后得到单相工频交流电压，再经过四象限PWM整流器整流得到中间直流电压，最后经牵引逆变器得到可控的三相交流电，进而实现对牵引电机的控制。然而，工频牵引变压器体积、重量大，效率低，功率密度小，导致列车的轴重和牵引能耗增加，从而限制了进一步提高牵引变压器容量的空间。对于动力分散式高速动车组而言，其牵引变压器均位于车体底部，其空间十分有限，若要在其有限的安装空间内进一步提高牵引变压器容量，需要改善牵引变压器的功率密度。在此基础上，电力电子牵引变压器应运而生。电力电子牵引变压器的基本思想是通过电力电子技术，将工频交流电变换为中/高频交流电，同时使用中/高频变压器替代传统工频变压器，从而提高牵引变压器的功率密度。现有的电力电子牵引变压器结构主要分为两类：第一类通过模块化多电平AC/AC变换器直接将工频交流电变换为中、高频交流电，经中/高频变压器隔离降压后，通过AC/DC变换器整流后得到直流电，供给牵引逆变器控制牵引电机，但是该类拓扑结构的各模块功率密度一般较低，整个系统的体积和重量并没有得到明显改善，因此，没有在牵引传统系统领域得到应用；第二类先通过级联AC/DC变换器将工频交流电变换为多单元直流电，再经过多个单元中、高频隔离型DC/DC变换器实现电气隔离和能量传递，在其并联输出侧得到直流电，最终供给牵引逆变器控制牵引电机。该类拓扑结构具有功率密度高，控制简单，方便结构模块化和易于扩展等优点，得到了广泛关注和研究。然而，对于第二类拓扑结构，由于其级联单元数量有限，每个单元的功率和电压等级依然很高。因此，对于隔离型DC/DC变换器，其开关器件的选型通常需要选择6.5kV或3.3kV的高压IGBT，极大限制了开关频率的进一步提升；与此同时，中/高频变压器受绝缘、功率等级和散热等因素的制约，一方面设计较为困难，另一方面牵引变压器的功率密度的提升也并不明显。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的在于针对电力电子牵引变压器的第二类拓扑结构因开关器件、中/高频变压器和滤波电容等因素制约而无法有效实现牵引变压器的功率密度的提升，提出了一种新型电力电子牵引变压器拓扑结构，并基于该结构提出了相应的控制方法。为达到以上目的，本专利技术采取的技术方案是：一种新型电力电子牵引变压器拓扑结构，包括N个功率变换单元；所述功率变换单元包括H桥变换器和中/高频隔离型DC/DC变换单元；所述N个H桥变换器组成N级级联H桥变换器；所述中/高频隔离型DC/DC变换单元包括K个DC/DC变换器；所述N个功率变换单元的输入端串联连接，输出端并联连接；所述N级级联H桥变换器的输入端串联连接，输出端互不相连；所述N个DC/DC变换单元的输入端与N级级联H桥变换器的输出端连接，输出端并联连接；所述K个DC/DC变换器的输入端串联连接，输出端串联连接。在上述方案的基础上，所述N级级联H桥变换器的输入端口P11通过分离接触器4、电感、网侧断路器2和受电弓1与接触网6连接；输入端口Q1N与钢轨7连接。在上述方案的基础上，所述分离接触器4与充电接触器3和预充电电阻的串联支路并联。在上述方案的基础上，所述N级级联H桥变换器的输入端口按P11-Q11-P12-Q12-…-P1N-Q1N的顺序级联；所述N级级联H桥变换器的输入端口P1j与Q1j之间设有旁路接触器5，其中j＝1,2,…,N。在上述方案的基础上，所述N级级联H桥变换器的输出端口Po21、Qo21，Po22、Qo22，…，Po2N、Qo2N分别与中/高频隔离型DC/DC变换单元的输入端口Pi21、Qi21，Pi22、Qi22，…，Pi2N、Qi2N连接；中/高频隔离型DC/DC变换单元的输出端口P31，P32，…，P3N与牵引逆变器的输入侧正极连接，输出端口Q31，Q32，…，Q3N与牵引逆变器的输入侧负极连接。在上述方案的基础上，所述每个中高/频隔离型DC/DC变换单元输入端连接有输入支撑电容Ci，输出端连接有输出支撑电容Co；所述输入支撑电容Ci为H桥变换器的输出滤波电容；所述K个DC/DC变换器的输入端分别连接有输入支撑电容Ci1～CiK；所述K个DC/DC变换器的输出端分别连接有输出滤波电容Co1～CoK。在上述方案的基础上，所述DC/DC变换器的拓扑结构为全桥LLC谐振型DC/DC变换器或双有源桥式DC/DC变换器。在上述方案的基础上，所述全桥LLC谐振型DC/DC变换器包括两组全桥电路，原边全桥电路与谐振电感Lr、谐振电容Cr和变压器励磁电感Lm串联连接，并通过中/高频变压器与副边全桥电路连接。在上述方案的基础上，所述双有源桥式DC/DC变换器包括两组全桥电路，原边全桥电路与电感Lk串联连接，并通过中/高频变压器与副边全桥电路连接。一种新型电力电子牵引变压器拓扑结构的功率平衡控制方法，包括：N级级联H桥变换器的功率平衡控制步骤以及N个中/高频隔离型DC/DC变换单元的功率平衡控制步骤，所述N级级联H桥变换器的功率平衡通过控制N级级联H桥变换器的直流输出电压平衡来实现；所述N个中/高频隔离型DC/DC变换单元的功率平衡通过控制N个中/高频隔离型DC/DC变换单元的输出电流平衡以及每个中/高频隔离型DC/DC变换单元中的K个DC/DC变换器的输入电压平衡来实现。在上述方案的基础上，所述N级级联H桥变换器的直流输出电压平衡控制包括以下步骤：步骤1：计算N级级联H桥变换器的输出直流电压vdc1，vdc2…vdcN的总输出电压为将总输出电压与总参考电压Nvdc_ref进行比较，将比较结果经H桥变换器电压控制器调节后得到参考电流幅值，同时将输入电压vg通过锁相环进行处理，得到输入电压vg的相位信息，将输入电压vg的相位信息与参考电流幅值相乘，得到与输入电压vg同相位的参考电流ig,ref；步骤2：将输入电流ig与参考电流ig,ref进行比较，将比较结果经H桥变换器电流控制器调节后，与输入电压vg进行比较，比较后得到N级级联H桥变换器的总PWM电压参考值Vconv_ref，总PWM电压参考值Vconv_ref除以N得到平均PWM电压参考值Vconv_ref/N；步骤3：计算总输出电压的平均值，得到平均电压并作为各个H桥变换器的参考指令，将各个H桥变换器的输出直流电压分别与平均电压进行比较，比较后的结果经H桥变换器均压控制器调节后与平均PWM电压参考值Vconv_ref/N相乘，相乘得到的结果再与平均PWM电压参考值Vconv_ref/N相加，最后分别除以各级H桥变换器的输出直流电压vdc1，vdc2…vdcN，得到各个H桥变换器用于实现电压平衡控制的调制波vctrx，其中x＝1,2,…,N。在上述方案的基础上，所述N个中/高频隔离型DC/DC变换单元的功率平衡控制包括以下步骤：步骤1：将输出电压vo和输出参考电压vo_ref进行比较，比较后的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型电力电子牵引变压器拓扑结构，其特征在于，包括N个功率变换单元；所述功率变换单元包括H桥变换器和中/高频隔离型DC/DC变换单元；所述N个H桥变换器组成N级级联H桥变换器；所述中/高频隔离型DC/DC变换单元包括K个DC/DC变换器；所述N个功率变换单元的输入端串联连接，输出端并联连接；所述N级级联H桥变换器的输入端串联连接，输出端互不相连；所述N个DC/DC变换单元的输入端与N级级联H桥变换器的输出端连接，输出端并联连接；所述K个DC/DC变换器的输入端串联连接，输出端串联连接。

【技术特征摘要】
1.一种新型电力电子牵引变压器拓扑结构，其特征在于，包括N个功率变换单元；所述功率变换单元包括H桥变换器和中/高频隔离型DC/DC变换单元；所述N个H桥变换器组成N级级联H桥变换器；所述中/高频隔离型DC/DC变换单元包括K个DC/DC变换器；所述N个功率变换单元的输入端串联连接，输出端并联连接；所述N级级联H桥变换器的输入端串联连接，输出端互不相连；所述N个DC/DC变换单元的输入端与N级级联H桥变换器的输出端连接，输出端并联连接；所述K个DC/DC变换器的输入端串联连接，输出端串联连接。2.如权利要求1所述的新型电力电子牵引变压器拓扑结构，其特征在于，所述N级级联H桥变换器的输入端口P11通过分离接触器(4)、电感、网侧断路器(2)和受电弓(1)与接触网(6)连接；输入端口Q1N与钢轨(7)连接。3.如权利要求2所述的新型电力电子牵引变压器拓扑结构，其特征在于，所述分离接触器(4)与充电接触器(3)和预充电电阻的串联支路并联。4.如权利要求1所述的新型电力电子牵引变压器拓扑结构，其特征在于，所述N级级联H桥变换器的输入端口按P11-Q11-P12-Q12-…-P1N-Q1N的顺序级联；所述N级级联H桥变换器的输入端口P1j与Q1j之间设有旁路接触器(5)，其中j＝1,2,…,N。5.如权利要求1所述的新型电力电子牵引变压器拓扑结构，其特征在于，所述N级级联H桥变换器的输出端口Po21、Qo21，Po22、Qo22，…，Po2N、Qo2N分别与中/高频隔离型DC/DC变换单元的输入端口Pi21、Qi21，Pi22、Qi22，…，Pi2N、Qi2N连接；中/高频隔离型DC/DC变换单元的输出端口P31，P32，…，P3N与牵引逆变器的输入侧正极连接，输出端口Q31，Q32，…，Q3N与牵引逆变器的输入侧负极连接。6.如权利要求1所述的新型电力电子牵引变压器拓扑结构，其特征在于，所述每个中高/频隔离型DC/DC变换单元输入端连接有输入支撑电容Ci，输出端连接有输出支撑电容Co；所述输入支撑电容Ci为H桥变换器的输出滤波电容；所述K个DC/DC变换器的输入端分别连接有输入支撑电容Ci1～CiK；所述K个DC/DC变换器的输出端分别连接有输出滤波电容Co1～CoK。7.如权利要求1所述的新型电力电子牵引变压器拓扑结构，其特征在于，所述DC/DC变换器的拓扑结构为全桥LLC谐振型DC/DC变换器或双有源桥式DC/DC变换器。8.如权利要求7所述的新型电力电子牵引变压器拓扑结构，其特征在于，所述全桥LLC谐振型DC/DC变换器包括两组全桥电路，原边全桥电路与谐振电感Lr、谐振电容Cr和变压器励磁电感Lm串联连接，并通过中/高频变压器与副边全桥电路连接。9.如权利要求7所述的新型电力电子牵引变压器拓扑结构，其特征在于，所述双有源桥式DC/DC变换器包括两组全桥电路，原边全桥电路与电感Lk串联连接，并通过中/高频变压器与副边全桥电路连接。10.一种新型电力电子牵引变压器拓扑结构的功率平衡控制方法，应用上述权利要求1-9任一权利要求所述的新型电力电子牵引变压器拓扑结构，其特征在于，包括：N级级联H桥变换器的功率平衡控制步骤以及N个中/高频隔离型DC/DC变换单元的功率平衡控制步骤，所述N级级联H桥变换器的功率平衡通过控制N级级联H桥变换器的直流输出电压平衡来实现；所述N个中/高频隔离型DC/DC变换单元的功率平衡通过控制N个中/高频隔离型DC/DC变换单元的输出电流平衡以及每个中/高频隔离型DC/DC变换单元中的K个DC/DC变换器的输入电压平衡来实现。11.如权利要求10所述的新型电力电子牵引变压器拓扑结构的功率平衡控制方法，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘建强，张捷频，杨景熙，赵楠，符里，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京;11