考虑开关损耗的城轨车辆辅助变流器及运行策略优化方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑开关损耗的城轨车辆辅助变流器运行策略优化方法，城轨车辆辅助变流器包括依次连接的电源输入端、LLC谐振变换器、逆变电路、输出滤波网络和三相负载。LLC谐振变换器包括斩波电路、谐振网络和整流电路，通过谐振网络使得负载从零到满载都可以工作在零开关状态，同时利用谐振网络减小了开关管的开关损耗，抑制了尖峰电流和尖峰电压。斩波电路由半桥三电平电路构成，使得开关管的电压应力减小。本发明专利技术采用移相控制和变频控制相结合的方法，控制能量高效转化的基础上，实现较窄的变频范围，从而获得较宽的直流电压增益。

【技术实现步骤摘要】
考虑开关损耗的城轨车辆辅助变流器及运行策略优化方法
本专利技术涉及轨道交通领域，特别是涉及一种考虑开关损耗的城轨车辆辅助变流器及运行策略优化方法。
技术介绍
随着城市化进程的推进、人们生活质量的提升，城市交通的压力逐渐增大。而轨道交通车辆作为人们的出行方式之一，大大缓解了城市交通压力，为实现节能减排、绿色出行做出重要贡献。辅助变流系统作为城市轨道交通的重要组成部分之一，负责将直流牵引网引入的1500V直流电转换为380V三相交流电，为辅助用电设备供电，如冷却风机、空调、电加热、充电机、空压机等交流负载。其中充电机为蓄电池组供电，并为车载各系统控制电路、电动车门及直流照明等直流负载供电。因此，辅助变流器是轨道交通不可或缺的关键电气设备之一。随着电力电子技术的不断发展，辅助变流器逐渐呈现出了模块化和数字化的特点，同时具备了较好的输出能力和带负载能力。在其进一步发展的同时也面临着一些问题：由于诸如地铁辅助变流器从牵引网取1500V的直流电，但是其波动范围可以在1000V～1800V，甚至峰值电压可以达到1950V。为了让地铁辅助变流器做到适应不同的地铁运行工况，在设计上就要使其在输入电压波动范围较大的情况下保持稳定的输出。并且，当负载突然发生变化时，为避免输出电压波动较大，如何使辅助变流器可以稳定的提供电能也是目前所面临的问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种考虑开关损耗的城轨车辆辅助变流器及运行策略优化方法，降低开关损耗的同时，降低元器件的高电压应力，以及解决输入电压范围波动变化情况下输出难稳定的问题。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种考虑开关损耗的城轨车辆辅助变流器，包括依次连接的LLC谐振变换器、逆变电路和输出滤波网络；所述LLC谐振变换器包括依次连接的斩波电路、谐振网络和整流电路；所述斩波电路与电源连接；所述整流电路连接所述逆变电路。所述斩波电路采用半桥三电平电路；优选地，所述斩波电路用于将直流电压变为方波电压。所述谐振网络包括高频变压器T、谐振电感Lr、励磁电感Lm和谐振电容Cr；所述高频变压器T包括三个绕组，第一绕组n1作为原边绕组，第二绕组n2和第三绕组n3串联作为副边绕组；所述第一绕组n1与励磁电感Lm并联，谐振电感Lr的一端与第一绕组n1的同名端连接，谐振电感Lr的另一端与第二开关管Q2的发射极连接；所述谐振电容Cr的一端与第一绕组n1的非同名端连接，所述谐振电容Cr的另一端与第一分压电容C12、第二分压电容C32的中点连接。所述整流电路采用全波整流电路，用于将方波电压整流为直流电压。本专利技术还提供了一种上述辅助变流器的运行策略优化方法，当输入电压大于DC1500V时，采用移相调制方法控制辅助变流器工作；当输入电压小于DC1500V时，采用变频调制方法控制辅助变流器工作。当采用移相调制方法时，斩波电路依次串联的四个开关管占空比相同，第一开关管Q1相对于第二开关管Q2提前开通，第四开关管Q4相对于第三开关管Q3提前开通；通过控制所述移相角θ的大小，控制所述辅助变流器输出电压的大小；其中，第一开关管Q1相对于第二开关管Q2提前开通的开通时间、第四开关管Q4相对于第三开关管Q3提前开通的开通时间称为移相角θ。当采用移相调制方法时，斩波电路以最大开关频率fs工作。当采用变频调制方法时，利用基波分析法得到开关频率和增益的关系表达式：其中，M为电压增益；fn为归一化开关频率，为开关频率fs与谐振频率f1的比值；λ为电感比，为励磁电感Lm与谐振电感Lr的比值；Q为品质因数，其中，Lr为谐振电感，Cr为谐振电容，R1实际电阻R0折算到变压器原边侧的交流等效阻抗，其中n为变压器的变比。当采用变频调制方法时，所述斩波电路中的四个开关管Q1～Q4的移相角均为零；斩波电路开关频率fs介于最大开关频率和最小开关频率之间。相应地，本专利技术还提供了一种考虑开关损耗的城轨车辆辅助变流器的运行策略优化方法，当输入电压大于DC1500V时，采用移相调制方法控制斩波电路四个开关管的开通和关断；当输入电压小于DC1500V时，采用变频调制方法控制斩波电路四个开关管的开通和关断；优选地，在移相控制方法下，四个开关管占空比相同，第一开关管Q1相对于第二开关管Q2提前开通，第四开关管Q4相对于第三开关管Q3提前开通；通过控制所述移相角θ的大小，控制所述辅助变流器输出电压的大小；其中，第一开关管Q1相对于第二开关管Q2提前开通的开通时间、第四开关管Q4相对于第三开关管Q3提前开通的开通时间称为移相角θ；当采用变频调制方法时，所述斩波电路中的四个开关管Q1～Q4的移相角均为零；斩波电路开关频率fs介于最大开关频率和最小开关频率之间。与现有技术相比，本专利技术所具有的有益效果为：1、在空载或负载很小的情况下，LLC谐振变换器要达到输出电压稳定的目的，就要提高开关频率来降低增益值。但当开关频率提高到一定的值时，开关频率对增益值的变化不敏感。这时，需要很大范围变化的开关频率才可以改变增益值，同时，也增加了磁性元件设计的难度。而本专利技术的变频控制方法有低开关损耗，效率高的优点。2、本专利技术为达到稳定输出电压的目的，采用混合控制策略，有效的结合变频控制方法和移相控制方法的优点，在定频控制能量高效转化的基础上，实现较窄的变频范围，从而获得较宽的直流电压增益。3、本专利技术辅助变流器前端DC-DC电路采用三电平半桥结构，减小了开关管电压应力；4、本专利技术辅助变流器前端DC-DC电路的变压器副边采用全波整流网络，拓扑结构的元器件数量减少，实现了地铁车辆电气设备设计轻量化的目的，节约了成本。附图说明图1为本专利技术地铁车辆辅助变流器的拓扑结构图。图2为本专利技术占空比D<0.5时，斩波电路依次串联的四个开关管Q1～Q4的驱动信号和辅助变流器前端LLC谐振型DC-DC电路的主要工作波形图。其中，为开关管Q1、开关管Q4的开关状态，为开关管Q2、Q3的开关状态；iD为变压器副边整流二极管D21、D22的电流；VCE1为开关管Q1的漏源极电压，VCE2为开关管Q2的漏源极电压，VCE3为开关管Q3的漏源极电压，VCE4为开关管Q4的漏源极电压；ir为谐振电感电流；UAB为开关管Q2和开关管Q3的中点A与分压电容C12和分压电容C32的中点B的电势差。图3为本专利技术所述的定频移相调制方法下半桥LLC谐振变换器的工作模态图。其中，(a)为定频移相调制方法下，阶段[t0之前]半桥LLC谐振变换器的模态图；(b)为定频移相调制方法下，阶段[t0-t1]半桥LLC谐振变换器的模态图；(c)为定频移相调制方法下，阶段[t1,t2]半桥LLC谐振变换器的模态图；(d)为定频移相调制方法下，阶段[t2,t3]半桥LLC谐振变换器的模态图；(e)为定频移相调制方法下，阶段[t3,t4]半桥LLC谐振变换器的模态图；(f)为定频移相调制方法下，阶段[t4,t5]半桥LLC谐振变换器的模本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑开关损耗的城轨车辆辅助变流器，其特征在于，包括依次连接的LLC谐振变换器、逆变电路和输出滤波网络；所述LLC谐振变换器包括依次连接的斩波电路、谐振网络和整流电路；所述斩波电路与电源连接；所述整流电路接所述逆变电路。/n

【技术特征摘要】
1.一种考虑开关损耗的城轨车辆辅助变流器，其特征在于，包括依次连接的LLC谐振变换器、逆变电路和输出滤波网络；所述LLC谐振变换器包括依次连接的斩波电路、谐振网络和整流电路；所述斩波电路与电源连接；所述整流电路接所述逆变电路。


2.根据权利要求1所述的考虑开关损耗的城轨车辆辅助变流器，其特征在于，所述斩波电路采用半桥三电平电路；优选地，所述斩波电路用于将直流电压变为方波电压。


3.根据权利要求1所述的考虑开关损耗的城轨车辆辅助变流器，其特征在于，所述谐振网络包括高频变压器T、谐振电感Lr、励磁电感Lm和谐振电容Cr；所述高频变压器T包括三个绕组，第一绕组n1作为原边绕组，第二绕组n2和第三绕组n3串联作为副边绕组；所述第一绕组n1与励磁电感Lm并联，谐振电感Lr的一端与第一绕组n1的同名端连接，谐振电感Lr的另一端与第二开关管Q2的源极连接；所述谐振电容Cr的一端与第一绕组n1的非同名端连接，所述谐振电容Cr的另一端与第一分压电容C12、第二分压电容C32的中点连接。


4.根据权利要求1～3之一所述的考虑开关损耗的城轨车辆辅助变流器，其特征在于，所述整流电路采用全波整流电路，用于将方波电压整流为直流电压。


5.一种权利要求1～4之一所述的考虑开关损耗的城轨车辆辅助变流器运行策略优化方法，其特征在于，当输入电压大于DC1500V时，采用移相调制方法控制辅助变流器工作；当输入电压小于DC1500V时，采用变频调制方法控制辅助变流器开关管的开通和关断，从而控制辅助变流器的输出电压。


6.根据权利要求5所述的优化方法，其特征在于，当采用移相调制方法时，斩波电路依次串联的四个开关管占空比相同，第一开关管Q1相对于第二开关管Q2提前开通，第四开关管Q4相对于第三开关管Q3提前开通；通过控制所述移相角θ的大小，控制所述辅助变流器输出电压的大小；其...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭霞，李蔚，张文璐，于越，黄权威，张泽，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43