電力電子牽引變壓器:電力電子牽引變壓器的工作原理,輸入級數學模型,級聯式矩陣變換器

電力電子牽引變壓器

電力電子牽引變壓器是通過高頻變換技術提高變壓器額定頻率，以實現變壓器的小型化和輕量化，中間側的中(高)頻變壓器主要實現隔離和變壓的功能。給出了電力電子牽引變壓器數學模型包括PETT單元模組數學模型和多模組級聯PETT數學模型。其中級聯PETT是由多個PETT單元模組級聯組成，而每個PETT單元模組由單相AC/DC整流器和雙向隔離型DC-DC變換器組成。

基本介紹

中文名：電力電子牽引變壓器
外文名：Power electronic traction transformer
類型：電力設備
特點：牽引用
領域：能源
學科：電氣工程

電力電子牽引變壓器的工作原理,輸入級數學模型,級聯式矩陣變換器、鐵芯共用的電路結構,級聯式矩陣變換器、鐵芯獨立的電路結構,級聯H橋變換器、鐵芯獨立的電路結構,展望,

電力電子牽引變壓器的工作原理

圖1為典型電力電子變壓器系統，主要包含Ac/Dc單相整流環節，Dc-Dc直流變換環節，以及DC/AC三相逆變環節。其工作過程為:單相工頻交流電壓經單相整流器變換為直流電壓;再通過一個單相全橋逆變電路將輸入直流電壓調製成為高頻方波並載入至高頻變壓器，高頻方波耦合至變壓器副邊，被還原為直流電壓;最後，輸出直流電壓通過牽引逆變器為牽引電機提供所需的三相交流電。

圖1

輸入級數學模型

電力電子變壓器輸入級主要由單相PWM整流器構成，它具有較高的功率因數，可以獲得穩定的直流電壓，四象限運行等諸多優點，其基本結構如圖2所示。其中， grid為網側電壓， ab為VSR交流輸入電壓，R為VSR的等效電阻與線路等效電阻之和，其值很小，可忽略，L為交流濾波電感，C1為直流濾波電容，RL為直流電阻負載，S為功率開關管。

圖2

圖3和圖4分別為變換器等值電路圖與矢量圖。

圖3

級聯式矩陣變換器、鐵芯共用的電路結構

採用級聯式矩陣變換器、變壓器鐵芯共用的電路結構的電力電子牽引變壓器拓撲結構如圖2所示，矩陣變換器實現頻率的升高，中頻變壓器是一個多繞組變壓器，副邊是一個脈衝整流器，將交流電變換為直流電。該直流電可以接三相逆變器，直接控制電機。

但在該種拓撲結構中使用的矩陣變換器為電壓型變換器，為了得到較好的輸入電流，需要在前級加入輸入濾波器。電壓型變換器沒法實現對輸入電流的直接控制，所以該方案也無法實現對輸入電流的直接控制，系統的電流環動態性能差。若採用冗餘設計，由於輸入濾波電容的存在，當一個單元故障時，需要先把濾波電容上的電放掉再將該故障單元切除，嚴重影響故障反應速度。

此外採用該方案時，保證濾波電容上的均壓也非常重要，但在實際套用中，由於器件參數的差異與初始狀態的不同，濾波電容上的電壓很難保證平均，若加入其它均壓器件和控制策略又會加大設備體積重量與控制的複雜性。

該方案的中間變壓器採用的是多繞組輸入單繞組輸入的結構，多繞組變壓器製作工藝較為複雜，製作成本高，可靠性差，不易使用。所以中放棄了該種拓撲結構。

級聯式矩陣變換器、鐵芯獨立的電路結構

採用級聯式矩陣變換器、變壓器鐵芯獨立的電力電子牽引變壓器拓撲結構圖如圖3所示，中頻變壓器的高壓側採用矩陣變換器，實現頻率的升高，中頻變壓器的二次側接一個脈衝整流器，將交流電變換為直流電。該直流電可以接三相逆變器，直接控制電機。

矩陣式變換器是一種交一交電源變換器。可以實現交流電諸參數(相數、相位、幅值、頻率)的變換。和傳統的變換器相比，它具有如下優點:

(1)輸入電流和輸出電壓正弦度好，諧波含量少，無低次諧波;

(2)採用的開關器件為雙向開關，能量能夠雙向傳遞，可四象限運行;

(3)輸入功率因數可調，且與負載功率因數無關;

(4)無中間直流環節，動態回響快，設備體積小，結構緊湊，傳輸效率高;

(5)控制自由度大，輸出電壓的幅值、頻率、相位均可調節。

雖然周波變換器有以上多種優點，但至今還沒有工業產品問世，這是因為矩陣變換器還有一些具體問題還需要解決，譬如:

(1)需保證雙向開關可靠換流與控制;

(2)需突破電壓傳輸率(輸出輸入電壓比)等於0.866的限制，以滿足最高輸出電壓達到額定值的要求;

(3)應研製可雙嚮導通的功率開關模組，使變換器的裝置更加緊湊。

此外，該拓撲結構可以實現冗餘設計，當某個單元出現故障不能正常工作時，將該單元切除，剩餘單元仍然能保證整個電力電子變壓器的正常運行。

ABB公司在2007年基於該拓撲結構製作了一款電力電子變壓器樣機，但是矩陣變換器的控制較為複雜，在之後的電力電子變壓器設計中放棄了該拓撲結構。

為了保證設計的可行性與可靠性，放棄了該種拓撲結構。

矩陣式變換器是一種交一交電源變換器。可以實現交流電諸參數(相數、相位、幅值、頻率)的變換。和傳統的變換器相比，它具有如下優點

(1)輸入電流和輸出電壓正弦度好，諧波含量少，無低次諧波;

(2)採用的開關器件為雙向開關，能量能夠雙向傳遞，可四象限運行;

(3)輸入功率因數可調，且與負載功率因數無關;

(4)無中間直流環節，動態回響快，設備體積小，結構緊湊，傳輸效率高;

(5)控制自由度大，輸出電壓的幅值、頻率、相位均可調節。

雖然周波變換器有以上多種優點，但至今還沒有工業產品問世，這是因為矩陣變換器還有一些具體問題還需要解決，譬如:

(1)需保證雙向開關可靠換流與控制;

(2)需突破電壓傳輸率(輸出輸入電壓比)等於0.866的限制，以滿足最高輸出電

壓達到額定值的要求;

(3)應研製可雙嚮導通的功率開關模組，使變換器的裝置更加緊湊。

此外，該拓撲結構可以實現冗餘設計，當某個單元出現故障不能正常工作時，將該單元切除，剩餘單元仍然能保證整個電力電子變壓器的正常運行。

ABB公司在2007年基於該拓撲結構製作了一款電力電子變壓器樣機，但是矩陣變換器的控制較為複雜，在之後的電力電子變壓器設計中放棄了該拓撲結構。

為了保證設計的可行性與可靠性，放棄了該種拓撲結構。

級聯H橋變換器、鐵芯獨立的電路結構

採用級聯H橋變換器、變壓器鐵芯獨立的電路結構的電力電子牽引變壓器,中頻變壓器高壓側採用有直流環節的AC/DC/AC變換器，實現頻率的升高;中頻變壓器副邊是一個脈衝整流器，將交流電變換為直流電。該盲流申.可以榕三相逆變器，直接控制電機。

該拓撲結構可以實現冗餘設計，當某個單元出現故障不能正常工作時，將該單元切除，剩餘單元仍然能保證整個電力電子變壓器的正常運行。

該拓撲結構由變壓器和IGBT構成的H橋構成，可集成性強，易於工業化生產，且控制方法經過多年研究己經較為成熟。ALSTOM公司和ABB公司已經將該拓撲結構用於鐵路運營，是唯一裝車運行的拓撲結構。

由以上分析對比可知，中頻變壓器的高壓側採用間接變換器的方案可控性強、結構簡單，可以實現冗餘設計，具有良好的實用性。

通過以上對三種電力電子牽引變壓器主電路拓撲結構的分析比較，可以得到各個拓撲方案的特性以及優缺點，具體見圖5。

圖5