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电力机车牵引用电力电子变压器概述
作者:王韬  发布时间:2017年7月3日 浏览:1758 次

1 引言

目前,传统的工频变压器广泛分布在电力系统中,发挥电压隔离和电压转换等基本功能。通常,在中高压环境下要解决电能质量问题(如跌落、骤升、闪变和谐波)需要外加多种形式的高开关频率的电力电子变换器,这就导致了整个设备安装体积的增大。然而在机车车辆、风力发电机、船舶、飞行器等安装空间有限的场合运用受到了限制。在低电压应用领域,已经成功采用中高频变压器代替工频变压器,变压器频率的增加其整体的体积大幅减小,使得电力电子转换器设计更紧凑。这种采用中高频变压器环节的电力电子变换器装置即为电力电子变压器(PET)。基于技术原理的可行性,从低压环境的成功应用完全有可能推广到高电压高功率领域应用,特别是对空间尺寸、重量要求高的场合。本文主要介绍电力电子变压器在铁路机车车辆牵引单相供电领域的应用。

研究学者普遍认为,PET这一新技术最有可能在铁路机车车辆牵引供电领域实现成功应用。图1是传统的机车牵引供电原理图,受电弓从高压交流电网取电经过工频变压器降压再经过四象限整流器整流到所需的中间直流母线电压中间直流母线再连接牵引电机逆变器,牵引电机逆变器驱动连接的电机运转实现机车动力牵引功能由于采用传统工频变压器的牵引动力单元优化后的功率密度一般为0.25-0.5 kVA/kg,其效率比较低,大概在90%-92%左右。

 

1 传统的机车牵引供电原理图

变压器的重量在传统的集中动力型机车车辆的牵引系统中要求不严格,因为一定的配重比能够确保机车轴重,提供足够的牵引力可防止机车打滑。然而,在动车组上的应用情况下,牵引系统是分布在整个列车的不同区间位置,这时对变压器的重量要求较高,需要尽量做到轻量化。目前,动车组牵引动力单元能够做到最优的功率密度约为0.5kVA/kg,在现行技术基础上要进一步提升功率密度比较困难。

一种可替代的新技术解决方案是使用电力电子变压器,如图2所示。PET由源边电感滤波器、高压整流器、高频逆变器、中高频变压器、高频逆变器环节组成。PET的高压整流器直接连接到25kV交流接触网,中高频变压器起到电压隔离和变压的功能。

 

2 电力电子变压器牵引供电原理图

目前,由于单个半导体器件的耐压有限,无法直接接触到高压电网,需要采取多模块级联分压以满足器件运用电压水平。图2中的中高频变压器不是单个变压器而是多个变压器组合而成,单个变压器功率的总和就是PET的总功率。中高频变压器的应用能够实现电力电子器件在高开关频率下应用。中高频变压器的次级绕组连接高频整流器,高频整流器整流到所需的中间直流母线电压,中间直流母线再连接牵引电机逆变器,牵引电机逆变器驱动连接的电机运转实现机车动力牵引功能

该类型的高电压技术是随着半导体技术的发展而发展起来的,主要依赖于半导体器件不断提升的开关动作、更高的阻断电压、更高的功率密度以及更高工作频率和更低损耗密度的新型铁心磁性材料的发展等,而且技术仍在不断发展和进步。虽然PET研究始于上世纪七十年代,但是在机车牵引领域目前仍然未见任何市场化的成熟产品的应用报道。

2 电力电子变压器原理

研究学者及工程技术人员一直在研究各种不同装置结构的电力电子变压器,目的是实现在机车牵引供电系统上应用。早期的设备是基于晶闸管的电路拓扑结构,3(a),中高频变压器的原边连接两个反向并联的晶闸管模块H桥,次级连接单相整流H桥。因此,在高压侧输入端是一个周期波形变换器,在低压侧输出端是一个电压源型逆变器

 

  1.              b)

3 (a)采用晶闸管的PET拓扑结构

    b)采用IGBT的PET拓扑结构

该结构中,中高频变压器原边连接整流器,中高频变压器次边绕组连接电压源型逆变器。由于晶闸管的频率限制,中高频变压器的频率一般为几百赫兹。除了频率较低,该结构电路还会产生较高的线路谐波。

为了解决基于晶闸管结构遇到的问题,同时提升中高频变压器的使用频率,提出运用全可控元器件,如IGBT[1]。在图3(a)所示结构中的周期波形变换器采用两个共发射极串联的IGBT替代,使用相同的零电压开关,而电压源型逆变器为一个标准的IGBT半桥变换器。由于,当前商业化的IGBT的最高阻断电压只有6.5kV,要满足高压侧线电压16.5kV或25kV的等级要求,主电路拓扑结构中需要多个IGBT模块进行串联。因此,主电路拓扑结构为模块化组成的一个级联单元,图3(b)所示。该结构,由于次级侧直流电压的电压钳位,通过中高频变压器实现原边不同的单元之间的分压。同时,PET输入端的多电平的电压波形,能够减少线路谐波。该拓扑结构每个级联单元拥有一个高频变压器,每个高频变压器的功率为总额定功率的1/N。

ABB公司设计了基于3(b)结构的主电路拓扑PET功能型样机,其设计针对的是15kV,16⅔Hz的铁路供电网,设计额定功率为1.2MVA[1]。该样机拥有16个级联单元,初级和次级采用的是3.3kV的 IGBT,中高频变压器的工作频率为400Hz。采用的级联数主要是与所选半导体的电压等级有关。还有一种主电路拓扑结构如图4所示,其主要特点是拥有一个电容器连接到中高频变压器,是一个非谐振变换器。其输入端为高压四象限整流器,整流器的输出为输入端中间直流环节。DC/DC转换器分别连接到每一级的中间直流环节,发挥直流隔离和电压电平转换功能,二次侧高频逆变器并联连接到输出端中间直流母线。通过控制DC/DC转换器的两侧的矩形波之间的相位来控制功率传递。

 

4 包含DC-DC转换的PET拓扑结构

该结构中串联谐振DC/DC转换器环节能够减少半导体开关损耗(零电压开关(ZVS),零电流开关(ZCS))和增加中高频变压器的工作频率。铁路电网电压为15kV时,应用6.5kV的IGBT器件,大约需要7个级联单元,同时考虑外加2个冗余的级联单元,中高频变压器的频率应用范围在8-10kHz。

分析表明在考虑到故障时间率以及所需要采用的设备的数量,采用6.5KV等级的IGBT器件是最合适的。中高频变压器的原副边是软开关控制的半桥型转换器,串联组成谐振DC/DC变换器,该结构实现了高开关频率,提升了设备在低能量区关断性能,但代价是带来较高的通态电压下降,产生更高的稳态热量传递损失。测试结果表明,在额定功率工况下允许开关频率提高40-50%左右。然而,该类型的元器件还没有商业化,目前只有少量的工程应用样品。

ABB公司研究了PET在牵引领域的应用[2]。电路拓扑结构如图5所示,输入端采用H桥级联,谐振DC/DC变换器采用半桥结构实现功率传递,该结构运用的是LLC谐振变换器。因此,中高频变压器的漏感和磁化电感都参与了谐振。这样的IGBT实现了零电压导通,以及几乎零电流关断。

 

5  LLC谐振变换器的PET拓扑结构

ABB公司研发了低电压的PET原型样机,主要完成了牵引应用特性所要求的控制系统的功能性验证。该低压电力电子变压器所采用的硬件设施与ABB公司后续研发的中高压型全尺寸电力电子变压器完全相同,只是运行在低压环境实现控制功能的技术验证。中高压型全尺寸PET样机,设计容量为1.2MVA,适应电压等级为15kV、16⅔Hz的铁路供电网,中间直流输出电压为1.5kV,拥有8个级联单元(含1个冗余单元),IGBT器件开关频率及高频变压器的额定工作频率为1.8kHz。样机重量约为3100kg,而传统工频变压器重量为6800kg,重量降低高达54%。但是PET样机的制造成本提高了50%,同时在高压侧使用 6.5kV的 IGBT器件其可靠性也有降低[3]

ABB公司的全尺寸PET原型样机已经安装在工程检修机车上,与瑞士联邦铁路公司进行了现场测试试验。2012年初开始,已经进行了为期一年的现场试验测试[3]

3 可靠性和成本

PET技术推广到市场应用比较困难的主要因素是技术的可靠性和成本。实现一个中等电压的多电平转换器,需要大量的半导体,而半导体的合格率一般比较低。同时还要有其他的驱动器、控制系统等,这些因素都是造成电力电子变压器最终可靠性低的因素。提升可靠性的解决办法是采用级联单元的冗余设计,可用性A(见式(1))由平均故障间隔时间(MTBF)和平均修复时间(MTTR)决定。尽可能降低MTTR,可用性A仍然可以保持在较高的水平。

 

                   1)

这意味着,尽可能采取模块化设计,使产生故障的部分可以迅速切换。模块化的设计思路是,在系统中所有的级联单元(最小数为1),在任何一个单元发生故障的情况下,故障单元将在系统中被自动切除,其他无故障的单元继续可以满功率运行。

关于成本问题,PET的设备成本相比传统的技术增加了约50%。但是,电力电子变压器的效率相比于传统牵引系统能够提升2-4%,同时,与工频变压器相比,提高了谐波的性能,提高了电能质量,能够延长后端用电设备的寿命。PET的安装体积和重量比传统的要小,能够提升乘客的舒适度,同时更节能,该项技术在铁路应用中有很强的潜力。由于效率的提高减少了电能损耗可以部分抵消安装成本较高的劣势,如果考虑PET全寿命周期的总拥有成本,可认为和目前工频变压器系统是相当的。具体计算分析将在后续文章中详细阐述。

4 结论

在电力机车牵引供电领域,电力电子变压器重量和体积的减少,同时伴随供电电能的提升等,是替代目前较重的工频牵引变压器的一个可行的解决方案。虽然目前技术还有诸多难点和挑战,但其在轻量化、体积小、效率提升、智能控制、抗电网干扰等方面具有一定的优势。这种技术已经在国外许多研究工作中得到了验证,目前推向市场化的最主要是要提高可靠性和降低成本。对于市场化具有里程碑意义的是ABB公司已经在其工程维护电力机车上成功调试了一台电力电子变压器,并投入运行,这是世界上首台运用电力电子变压器的电力机车。

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