[发明专利]基于固态变压器的机车AC-DC-AC牵引系统及方法

权利要求书

1.一种基于固态变压器的机车AC-DC-AC牵引系统，其特征在于，包括至少三个固态变压器，所述固态变压器输入侧串联且输出侧并联；每个固态变压器均包括依次连接的AC/DC整流器、DC/DC变换器以及DC/AC逆变器；

其中，AC/DC整流器将供电臂母线电压的单相交流电整流成直流电，包括四个IGBT以及分别与四个IGBT并联的二极管共同组成的H桥电路；支撑电容并连直流母线两极用以支撑直流母线电压的作用,在开关周期内为负载提供续流回路,减小开关周期纹波，在切载时,减小输出电压的波动；

DC/DC变换器包括高压H桥电路、输入端与高压H桥电路输出端连接的中间高频变压器、以及输入端与中间高频变压器输出端连接的低压H桥电路；高压H桥电路和低压H桥电路均包括四个IGBT以及分别与四个IGBT并联的二极管；

DC/AC逆变器包括三组高压IGBT组件构成的低压H桥以及与低压H桥输出连接的三个滤波电感；每组高压IGBT组件均包括两个高压IGBT以及分别与该两个高压IGBT并联的二极管；该DC/AC逆变器还包括一个跨接在DC/AC逆变器输入端的支撑电容。

2.一种采用权利要求1所述的基于固态变压器的机车AC-DC-AC牵引系统的控制方法，其特征在于，包括三个阶段：

阶段一：即AC/DC整流阶段，具体操作方法是：T₁～T₄分别表示AC/DC整流器中四个IGBT；若T₁导通，则T₁＝1，若T₁关断，则T₁＝0；则在交流侧产生三电平:V_dc、0、V_dc，通过SPWM调制技术对全控开关器件T₁～T₄进行控制以改变U_ab的幅值和相位，即可控制整流器功率的流向和功率因数角,实现能量双向流动；

阶段二：即DC/DC变换阶段，将整流后的14kV直流电通过高压H桥调制成高频方波，再通过高频变压器耦合到副方，最后通过一个由同步信号控制的低压H桥电路还原成电压的直流电；具体操作方法是：低压H桥电路与原边高压H桥均采用PWM控制，驱动信号为占空比为50％的互补触发脉冲控制信号，相同的控制信号使得，低压H桥能通过高频变压恰好将原边高压H桥调制出的高频方波整流为直流信号，由于电力电子器件构成的电压源型换流器调整电压范围有限，直接由电力电子器件连接不能实现电压等级的变换，所以须设计高频变压器模块能够实现原、副边电位隔离，起到了高频调制、同步解调和电压等级变换的功能，其工作频率为5kHz；其中逆变电路和整流电路均采用PWM控制，驱动信号为占空比为50％的互补触发脉冲，高频变压器工作频率为5kHz，当一次侧逆变器与二次侧整流器的触发脉冲不同步，存在相角差时，有

P0=Vdc_hVdc_l2LfHddc(1-ddc)]]>

P₀为DC-DC单元传输的有功功率；V_{dc_h}为高压侧输入直流电压；f_H为开关频率；L为漏感；V_{dc_l}为低压侧输出直流电压；d_dc为一次、二次调制信号的移相角差；

根据上式，采用根据低压输出电压与参考电压的电压误差，进行PI控制器调整来控制相移角，进而实现调节输出直流电压的控制策略；

阶段三：即DC/AC逆变阶段，将高频DC/DC变换器环节输出的直流电变换为可对电机使用的电压等级的交流电，具体操作方法是：T₅—T₁₀为采用SiC材料制成的高压IGBT全控开关器件,D₅、D₆、D₇、D₈、D₉、D₁₀为分别与之并联的二极管；C₂为支撑电容，每个桥臂上、下桥臂开关轮流闭合，每相以180°的角度导电，各相导电的相位依次相差120°，工作方式是180°导电方式；在逆变器的工作过程中，同一时刻有3个开关器件处于导通状态，当T5导通时，当T5导通时，U_an＝U_d/2，T8导通时，U_an＝-U_d/2，因此U_an的波形是幅值为U_d/2的矩形波；同理可得U_bn、U_cn波形与U_an相同，而相位相差120°；可得线电压U_ab、U_bc、U_ca分别为：U_ab＝U_an-U_bn，U_bc＝U_bn-U_cn，U_ca＝U_cn-U_an；

线电压的开关器件驱动信号之间相差60°，每个开关器件的驱动信号持续180°，即同一时刻有三个开关器件同时导通，导通顺序为T₅、T₆、T₇导通，其他关断；T₆、T₇、T₈导通，其他关断；T₇、T₈、T₉导通，其他关断；T₈、T₉、T₁₀导通，其他关断；T₉、T₁₀、T₅导通，其他关断；T₁₀、T₅、T₆导通，其他关断；

由于三相之间没有耦合关系，每一相都是独立的，可以看成是三个输出电压相位互差120°的单相半桥逆变器的组合，因此可以应用单相逆变器的控制方法；为了保证输出波形的有效值精度，采用电压瞬时值控制，具体方法是：输出电压V₀经整流滤波后得到直流量与给定参考信号的有效值V_rms进行比较，得到的误差信号经外环PI调节器输出后作为内环参考正弦波的幅值，这个幅值与单位正弦波sinωt相乘后作为内环给定信号；内环给定信号与输出电压瞬时值比较，得到的误差信号经PI调节器运算，作为内环的控制信号送入SVPWM发生器。