[发明专利]一种永磁牵引系统用混合多电平逆变器及其控制方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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Regina C2008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。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明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。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

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f_c；

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，V_{a_ref}、V_{b_ref}、V_{c_ref}分别为A、B、C相的参考调制波信号；V_dc为直流母线电压；t为时间；