一种永磁牵引系统用混合多电平逆变器及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种混合多电平逆变器及其控制方法和高铁永磁牵引系统，逆变器包括至少一个单相桥臂及给单相桥臂提供直流电压的直流输入电路；每个单相桥臂包括级联的高压低频单元和低压高频单元，高压低频单元包括串联耦合的两电平上桥臂和两电平下桥臂；两电平上桥臂和两电平下桥臂中的功率开关器件运行于基频模式；低压高频单元包括依次级联而成的中间连接单元和至少一个T型三电平单元，中间连接单元由两个互补的功率开关器件构成，每个低压高频单元的最后一个T型三电平单元与一个独立的输出相连接；中间连接单元与两电平上桥臂和两电平下桥臂的中点级联；中间连接单元和T型三电平单元的功率开关器件运行于高频开关模式。

A hybrid multilevel inverter for permanent magnet traction system and its control method

【技术实现步骤摘要】
一种永磁牵引系统用混合多电平逆变器及其控制方法
本专利技术涉及高铁中的牵引系统，具体涉及一种混合多电平逆变器及其控制方法和高铁永磁牵引系统。
技术介绍
牵引系统作为高速列车的“心脏”，其性能决定着列车的启动、制动及最高速度。高速列车牵引系统经历了从直流电机到交流异步电机传动的换代，而相较于感应电机驱动，永磁同步电机因其具有损耗低、效率高、功率密度大、启动特性好、加速性能强及噪声低等显著优势，具有逐步取代交流感应电机的技术潜力。永磁牵引系统主要包含牵引变压器、牵引变流器(整流器、逆变器和中间直流环节)、永磁牵引电机和牵引传动控制系统。其中，牵引逆变器作为直接驱动永磁同步电机运转的装置，是牵引变流系统的核心构成部件，高功率密度、高效率、高性能及高可靠性始终是其技术发展和革新的核心要求。目前，在国内外牵引传动应用领域，两电平牵引逆变器拓扑依然占据了很大比例，如庞巴迪公司的ReginaC2008型，西门子公司的ICE3型，国内的CRH1A动车组。为了提高牵引系统在低开关频率下的电能输出质量，一些动车组采用三电平逆变器，典型代表为我国技术引进的CRH2型动车组。现有的高铁牵引逆变器电平数较低，存在输出电流谐波含量高，电磁干扰大，功率损耗高，故障容错能力较差等问题。
技术实现思路
针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供的一种混合多电平逆变器及其控制方法和高铁永磁牵引系统解决了现有逆变器开关频率低、体积和重量大、容错能力差的问题。为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：<br>第一方面，提供一种混合多电平逆变器，其包括至少一个单相桥臂及给单相桥臂提供直流电压的直流输入电路；每个单相桥臂包括级联的高压低频单元和低压高频单元，高压低频单元包括串联耦合的两电平上桥臂和两电平下桥臂；两电平上桥臂和两电平下桥臂中的功率开关运行于基频模式；低压高频单元包括依次级联而成的中间连接单元和至少一个T型三电平单元，每个低压高频单元的最后一个T型三电平单元与一个独立的输出相连接；中间连接单元与两电平上桥臂和两电平下桥臂的中点级联；中间连接单元和T型三电平单元的功率开关运行于高频开关模式。第二方面，提供一种混合多电平逆变器的飞跨电容电压平衡控制方法，混合多电平逆变器包括一个T型三电平单元，飞跨电容电压平衡控制方法包括：S1、获取高铁永磁牵引系统中的控制目标，所述控制目标包括调制度m、初相角φ0和载波频率fc；S2、根据所述控制目标，通过电压、电流和功率控制环产生混合多电平逆变器A、B、C相的参考调制波信号：其中，Va_ref、Vb_ref、Vc_ref分别为A、B、C相的参考调制波信号；Vdc为直流母线电压；t为时间；S3、获取逆变器的运行模式，采用同相层叠的多载波SPWM调制算法比较参考调制波信号与三角载波信号，并产生运行模式下逆变器的期望输出电平Lx，x为A相、B相或C相，l为运行模式，l＝5、7、9，期望输出电平与输出电压vx的关系为：S4、检测x相电流ix的电流方向和电解电容Cfx1和Cfx2的电压vfx1和vfx2，并计算电解电容Cfx1、Cfx2的电压vfx1、vfx2的偏差信号ΔVfx1、ΔVfx2：ΔVfx1＝vfx1-Vdc/(n-1)，ΔVfx2＝vfx2-Vdc/(n-1)；S5、根据x相电流ix、期望输出电平vx及偏差信号ΔVfx1，ΔVfx2，控制功率开关管T3、T11、T12、T1和T2的开通和关断状态。第三方面，提供一种高铁永磁牵引系统，其包括直流输入单元、四台牵引电机、四台隔离接触器和四台混合多电平逆变器，四台混合多电平逆变器均与直流输入单元级联，每一台混合多电平逆变器分别通过隔离接触器与一台牵引电机连接；牵引电机为永磁同步电机，永磁同步牵引电机的转速与供电频率成正比。本专利技术的有益效果为：本方案通过高压低频单元和低压高频单元中的两电平上桥臂和两电平下桥臂及T型三电平单元的相互结合，使得逆变器能够输出多个电压电平，当其中部分功率开关损坏了，其可以通过选取最优的冗余开关状态来控制内部功率开关的通断，使逆变器仍然运行于多电平输出模式，确保逆变器具有较高的容错能力。相比于传统的多电平逆变器拓扑(如二极管中点钳位型、级联H桥型及飞跨电容型多电平拓扑)，在输出相同电平数时，本方案的混合多电平逆变器省去了大量的隔离电源和钳位二极管，降低了飞跨电容的数量，同时增加了冗余路径和控制自由度，更有利于飞跨电容电压的平衡控制、多模式运行及故障容错运行，使得本专利技术所公开的混合多电平逆变器在高铁永磁牵引系统中应用具有潜在的结构简单、控制灵活、电磁兼容性能好及容错能力强等优良特性。另外，本方案高压低频单元的所有功率开关采用硅器件，而低压高频单元的所有功率开关采用碳化硅器件，使得逆变器兼顾了碳化硅器件的成本劣势，在开关频率较高的地方使用碳化硅器件，在开关频率较低的地方使用传统的硅器件，充分发挥碳化硅器件在高开关频率下功率损耗低的优势，提高了逆变器的效率，获得接近于全碳化硅器件逆变器的性能的同时大幅降低系统的成本，同时碳化硅模块相比于硅器件体积大幅度减小，因此该拓扑结构可以使得永磁列车更加轻量化且运行效率更高。附图说明图1为单相混合多电平逆变器拓扑结构图。图2为三相混合多电平逆变器拓扑结构图。图3为混合多电平逆变器推广到更高电平的拓扑结构图。图4为基于混合多电平逆变器的高铁永磁同步电机牵引系统框图。图5为飞跨电容电压平衡控制方法的流程图。其中，1、直流输入电路；2、单相桥臂；21、高压低频单元；211、两电平上桥臂；212、两电平下桥臂；22、低压高频单元；221、中间连接单元；222、T型三电平单元。具体实施方式下面对本专利技术的具体实施方式进行描述，以便于本
的技术人员理解本专利技术，但应该清楚，本专利技术不限于具体实施方式的范围，对本
的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本专利技术的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本专利技术构思的专利技术创造均在保护之列。如图1和图3所示，混合多电平逆变器包括至少一个单相桥臂2及给单相桥臂2提供直流电压的直流输入电路1；实施时，本方案优选直流侧输入电路包括串联耦合的电解电容Cd1和电解电容Cd2，电解电容Cd1的正极性端与正母线端相连，电解电容Cd1的负极性端与电解电容Cd2的正极性端相连，电解电容Cd1的负极性端与负母线端相连。在该逆变器投入运行前，本方案首先通过母线直流源对直流输入电路1的电解电容进行充电。每个单相桥臂2包括级联的高压低频单元21和低压高频单元22，高压低频单元21包括串联耦合的两电平上桥臂211和两电平下桥臂212；两电平上桥臂211和两电平下桥臂212中的功率开关运行于基频模式。在本专利技术的一个实施例中，两电平上桥臂211、两电平下桥臂212分别包括串联耦合的功率开关管T1、T1'及串联耦合的功率开关管T2、T2'；功率开关本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.混合多电平逆变器，其特征在于，包括至少一个单相桥臂及给单相桥臂提供直流电压的直流输入电路；每个单相桥臂包括级联的高压低频单元和低压高频单元，所述高压低频单元包括串联耦合的两电平上桥臂和两电平下桥臂；两电平上桥臂和两电平下桥臂中的功率开关运行于基频模式；/n所述低压高频单元包括依次级联而成的中间连接单元和至少一个T型三电平单元，每个低压高频单元的最后一个T型三电平单元与一个独立的输出相连接；所述中间连接单元与两电平上桥臂和两电平下桥臂的中点级联；所述中间连接单元和T型三电平单元的功率开关运行于高频开关模式。/n

【技术特征摘要】
1.混合多电平逆变器，其特征在于，包括至少一个单相桥臂及给单相桥臂提供直流电压的直流输入电路；每个单相桥臂包括级联的高压低频单元和低压高频单元，所述高压低频单元包括串联耦合的两电平上桥臂和两电平下桥臂；两电平上桥臂和两电平下桥臂中的功率开关运行于基频模式；
所述低压高频单元包括依次级联而成的中间连接单元和至少一个T型三电平单元，每个低压高频单元的最后一个T型三电平单元与一个独立的输出相连接；所述中间连接单元与两电平上桥臂和两电平下桥臂的中点级联；所述中间连接单元和T型三电平单元的功率开关运行于高频开关模式。


2.根据权利要求1所述的混合多电平逆变器，其特征在于，所述直流侧输入电路包括串联耦合的电解电容Cd1和电解电容Cd2，所述电解电容Cd1的正极性端与正母线端相连，电解电容Cd1的负极性端与电解电容Cd2的正极性端相连，电解电容Cd1的负极性端与负母线端相连。


3.根据权利要求1所述的混合多电平逆变器，其特征在于，两电平上桥臂、两电平下桥臂分别包括串联耦合的功率开关管T1、T1'及串联耦合的功率开关管T2、T2'；功率开关管T1的集电极与正母线端P耦合；功率开关管T1的发射极与功率开关管T1'的集电极耦合；
功率开关管T1'的发射极和功率开关管T2的集电极均耦合至直流母线中点O，功率开关管T2的发射极与功率开关管T2'的集电极相连，功率开关管T2'的发射极连接至负母线端N。


4.根据权利要求3所述的混合多电平逆变器，其特征在于，所述中间连接单元包括功率开关管T3、T3'；所述T型三电平单元包括四个功率开关管Tn1、Tn1'、Tn2'、Tn2及两个串联耦合的电解电容Cfn1、Cfn2，n为T型三电平单元的总个数；电解电容Cfn1、Cfn2构成飞跨电容；
功率开关管T3的漏极耦合至两电平上桥臂的中点M，功率开关管T3的源极连接至电解电容Cf11的正极性端P1，功率开关管T3'的源极连接至两电平下桥臂的中点F，功率开关管T3'的漏极连接至电解电容Cf12的负极性端N1；
功率开关管Tn1的漏极连接至电解电容Cfn1的正极性端Pn，功率开关管Tn2'的源极连接至电解电容Cfn2的负极性端Nn，Tn2的源极连接至电解电容Cfn1、Cfn2的中点On，Tn2的漏极与Tn1'的源极相连；
Tn1的源极与Tn2'的漏极相连并连接至输出端；Tn1'的漏极连接至输出端；
当n≥2时，T(n-1)1的源极与连接至电解电容Cfn1的正极性端Pn，T(n-1)1'的漏极连接至电解电容Cfn1、Cfn2的中点On，T(n-1)2'的漏极连接至电解电容Cfn2的负极性端Nn；
功率开关管T1和T1'，功率开关管T2和T2'均互补开通和关断；功率开关管T3和T3'，功率开关管Tn1和Tn1'，功率开关管Tn2和Tn2'均互补开通和关断。


5.根据权利要求4所述的混合多电平逆变器，其特征在于，所述功率开关管T1、T1'及功率开关管T2、T2'均为硅材料的绝缘栅双极性晶闸管IGBT；
所述功率开关管T3、T3'及功率开关管Tn1、Tn1'、Tn2'、Tn2均选取碳化硅材料的场效应晶体管MOSFET。


6.根据权利要求1-5任一所述的混合多电平逆变器，其特征在于，所述混合多电平逆变器包括三个单相桥臂，分别为A、B、C相。


7.根据权利要求1-5任一所述的混合多电平逆变器，其特征在于，直流输入电路中电解电容Cd1、Cd2的电压均为直流母线电压Vdc的一半；电解电容Cfn1和Cfn2的电压为直流母线电压Vdc的1/4，1/6或1/8，Cfn1和Cfn2的电压使混合多电平逆变器运行于三种模式，A相输出端电压为：



其中，S1、S3、Sn1和Sn2分别为功率开关管T1、T3、Tn1和Tn2的开关函数；vfn1和vfn2分别为电解电容Cfn1和Cfn2的电压；Vdc为直流母线电压。


8.一种权利要求5-7任一所述的混合多电平逆变器的控制方法，其特征在于，所述混合多电平逆变器包括一个T型三电平单元，所述飞跨电容电压平衡控制方法包括：
S1、获取高铁永磁牵引系统中的控制目标，所述控制目标包括调制度m、初相角φ0和载波频率fc；
S2、根据所述控制目标，通过电压、电流和功率控制环产生混合多电平逆变器A、B、C相的参考调制波信号：



其中，Va_ref、Vb_ref、Vc_ref分别为A、B、C相的参考调制波信号；Vdc为直流母线电压；t为时间；
S3、获取逆变器的运行模式，采用同相层叠的多载波SPWM调制算法比较参考调制波信号与三角载波信号，并产生运行模式下逆变器的期望输出电平Lx，期望输出电平与输出电压vx的关系为：



其中，x为A相、B相或C相，l为运行模式，l＝5、7...

【专利技术属性】
技术研发人员：马光同，徐帅，孙振耀，张晗，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川;51