可單重四象限整流器運行的牽引變流器主電路損耗與控制研究

張春磊， 杜廣群， 吳強， 潘景宇， 楊志浩

（中車青島四方車輛研究所有限公司，山東青島 266031）

0 引言

城際動車組是服務(wù)于城市群和大都市圈的新型快捷交通工具，有“都市圈里的快捷使者”之稱。城際動車組是在高速動車組技術(shù)平臺的基礎(chǔ)上，融合城軌車輛技術(shù)，具有速度快、起停快等特點，有效滿足城市群內(nèi)的快速通勤需求。同時，許多城市群客流量較小但同樣具有快速通勤需求，運營使用標(biāo)準(zhǔn)8輛編組動車組會浪費運能，增加運營成本。因此，短編組（通常為4輛編組）城際動車組應(yīng)運而生。使用短編組動車組既可充分利用運能，又可縮短發(fā)車間隔，滿足用戶需求；短編組動車組也可重聯(lián)運行，單次載客量加倍，滿足部分城市群大運量的需求。與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)8輛編組動車組不同，短編組動車組動力車數(shù)少，一旦有動力損失，列車會降速運行甚至停車，嚴(yán)重影響列車到達的準(zhǔn)點率，甚至?xí)绊懫渌囕v的運行［1］。

為了減輕故障影響，針對短編組城際動車組的特點，設(shè)計單重四象限整流器（簡稱四象限）獨立工作與單個逆變器獨立工作的方式實現(xiàn)動力最大化利用。此外，車輛啟動時的主從四象限并網(wǎng)設(shè)計還有助于降低牽引變流器損耗［2］。因此，首先對牽引變流器主電路進行優(yōu)化設(shè)計，使其具備可單重四象限運行的硬件基礎(chǔ)；其次對單重四象限運行的控制策略進行闡述。

1 牽引變流器主電路優(yōu)化設(shè)計

要使?fàn)恳兞髌骺蓡沃厮南笙捱\行，首先需對牽引變流器主電路進行優(yōu)化設(shè)計，使其具備可單重四象限運行的硬件基礎(chǔ)。

1.1 現(xiàn)有設(shè)計

現(xiàn)有牽引變流器基本可分為2類：

一類主電路是共用中間直流環(huán)節(jié)的牽引變流器，雙重四象限整流器模塊通過低感母排與牽引逆變器模塊連接，四象限整流器模塊、牽引逆變器模塊和輔助逆變系統(tǒng)共用1個中間直流環(huán)節(jié)。此外，變流器設(shè)計有1套預(yù)充電電路。若其中有某一重四象限整流器模塊發(fā)生故障，就會使?fàn)恳兞髌髡麢C故障停機，該動力車損失全部動力。不具備單重四象限整流器模塊獨立運行的條件。共用中間直流環(huán)節(jié)的牽引變流器主電路簡圖見圖1［3-4］。

圖1 共用中間直流環(huán)節(jié)的牽引變流器主電路簡圖

另一類牽引變流器主電路的中間直流環(huán)節(jié)完全獨立。單重四象限整流器模塊通過低感母排與單個牽引逆變器模塊相連，組成1套牽引子系統(tǒng)，每個牽引變流器由2 套子系統(tǒng)組成，輔助逆變系統(tǒng)可在2 套牽引子系統(tǒng)內(nèi)自由切換。此方案可實現(xiàn)單重四象限運行，且當(dāng)某一重四象限故障時，輔助逆變系統(tǒng)可切換到另一重四象限輸出維持運行，保證輔助負(fù)載的正常工作。但由于2套子系統(tǒng)完全獨立，每套子系統(tǒng)均需獨立采樣檢測回路、故障檢測回路，且輔助系統(tǒng)切換也需通過增加多個接觸器實現(xiàn)。故此類牽引變流器不僅器件數(shù)量變多、占用空間大，且魯棒性也會變差、故障率變高。中間直流環(huán)節(jié)完全獨立的牽引變流器主電路簡圖見圖2［5］。

圖2 中間直流環(huán)節(jié)完全獨立的牽引變流器主電路簡圖

1.2 優(yōu)化設(shè)計

考慮短編組城際動車組特點，需充分利用牽引系統(tǒng)的動力，以減輕動力損失對車輛運行產(chǎn)生的影響，因此對現(xiàn)有牽引變流器主電路設(shè)計進行優(yōu)化，以實現(xiàn)單重四象限整流器運行的設(shè)計目標(biāo)。

牽引變流器主電路原理見圖3。該電路主要由2 套預(yù)充電回路、2 個四象限模塊、2 個牽引逆變器模塊和1 套輔助逆變系統(tǒng)組成。雙重四象限整流器模塊、2 個牽引逆變器模塊、1個輔助逆變系統(tǒng)共用中間直流電壓回路，同時設(shè)計雙重四象限模塊可獨立控制。當(dāng)某一重四象限整流器模塊發(fā)生故障后，另一重四象限整流器模塊正常運行，輔助逆變系統(tǒng)可實現(xiàn)滿功率正常工作，保證空調(diào)、娛樂等系統(tǒng)正常工作，滿足乘客需求。此外，每個四象限模塊有自己獨立的預(yù)充電回路，使得某一重四象限整流器故障后另一重可重新預(yù)充電啟機。

可單重四象限運行的牽引變流器主電路相較于中間直流環(huán)節(jié)完全獨立的牽引變流器，若中間直流環(huán)節(jié)發(fā)生短路故障，牽引變流器會整機停止工作，而中間直流環(huán)節(jié)完全獨立的牽引變流器可保留一半動力。事實上，牽引變流器密閉腔的防護等級通常設(shè)計不小于IP54，且中間直流環(huán)節(jié)除電氣連接點外，均采用復(fù)合低感母排連接，發(fā)生中間直流環(huán)節(jié)短路故障的概率較小，而中間直流環(huán)節(jié)完全獨立所帶來的器件故障率增加卻難以克服。

圖3 可單重四象限運行的牽引變流器主電路原理

牽引變流器主要工作過程如下：牽引變壓器二次側(cè)繞組接入牽引變流器，主斷閉合后，經(jīng)過預(yù)充電支路將中間直流電壓充到一定值后，主接觸器閉合，預(yù)充電結(jié)束；然后四象限整流器啟動，建立并保持中間直流環(huán)節(jié)電壓穩(wěn)定。牽引變流器采用架控模式，2個牽引逆變器模塊分別向各自轉(zhuǎn)向架上的2 臺電機供電［6］。輔助逆變器系統(tǒng)從中間直流環(huán)節(jié)取電，經(jīng)過輔助預(yù)充電回路及逆變、降壓并濾波后輸出三相交流電。

2 可單重四象限運行的牽引變流器控制策略

可單重四象限運行的牽引變流器，在車輛啟動時設(shè)計主從四象限并網(wǎng)切換控制策略，并在車輛運行時根據(jù)四象限故障情況進行故障處理。

2.1 IGBT損耗對比分析

在大功率牽引傳動系統(tǒng)中，絕緣柵雙極晶體管（IGBT） 開關(guān)頻率通常為 300～800 Hz。IGBT 模塊由IGBT和續(xù)流二極管（FWD）組成。單個IGBT的總損耗PTr為通態(tài)損耗Pcond_Tr與開關(guān)損耗Psw_Tr［7］之和，單個二極管的總損耗PD為通態(tài)損耗Pcond_D與開關(guān)損耗Psw_D之和，即：

式中：fsw為IGBT 開關(guān)頻率；Eon為IGBT 單次脈沖開通損耗；Eoff為單次脈沖關(guān)斷損耗；Erec為單次脈沖反向恢復(fù)損耗；VCE(sat)為IGBT 飽和壓降；VEC為二極管導(dǎo)通壓降；ITr為流過IGBT 的電流；ID為流過二極管的電流；τTr為IGBT占空比；τD為二極管占空比。

以 三 菱 IGBT （CM1500HC-66R） 為 例 ， 其Eon、Eoff、Erec、VEC和VCE(sat)的特性曲線見圖4。當(dāng)車輛分別為單重四象限啟動和雙重四象限并聯(lián)啟動且負(fù)載情況相同時，則在2種不同工況下近似可得：I1≈2I2（I1為單重四象限啟動的輸入電流，I2為雙重四象限并聯(lián)啟動的輸入電流）。

考慮IGBT存在導(dǎo)通電壓，當(dāng)IGBT工作電流不超過1 000 A時，由圖4（a）、（c）近似可得：

圖4 三菱IGBT（CM1500HC-66R）特征曲線

式中：kon為單次脈沖開通損耗比例系數(shù)；koff為單次脈沖關(guān)斷損耗比例系數(shù)；kce為IGBT 飽和壓降的線性比例系數(shù)。

同理，考慮二極管存在導(dǎo)通電壓，當(dāng)二極管工作電流不超過1 000 A時，由圖4（a）、（b）近似可得：

式中：Erec2為雙重四象限運行模式下工作電流為I2的單次脈沖反向恢復(fù)損耗；Erec1為單重四象限運行模式下工作電流為I1的單次脈沖反向恢復(fù)損耗；kec為二極管導(dǎo)通壓降的線性比例系數(shù)。

相同負(fù)載情況下，計算可得雙重四象限運行時的IGBT 損耗2·PTr2與單重四象限運行時的IGBT 損耗PTr1關(guān)系、雙重四象限運行時的二極管損耗2·PD2與單重四象限運行時的IGBT損耗PD1關(guān)系如下：

式中：Eon2為雙重四象限運行模式下工作電流為I2的單次脈沖開通損耗；Eon1為單重四象限運行模式下工作電流為I1的單次脈沖開通損耗；Eoff2為雙重四象限運行模式下工作電流為I2的單次脈沖關(guān)斷損耗；Eoff1為單重四象限運行模式下工作電流為I1的單次脈沖關(guān)斷損耗。

2.2 主從四象限并網(wǎng)切換控制策略

由式（12）、式（13）可知，當(dāng)車輛啟動運行時，相同負(fù)載情況下，牽引變流器單重四象限運行較雙重四象限同時啟動的損耗要小，有利于牽引變流器的冷卻散熱。因此，在車輛啟動時還根據(jù)車速設(shè)計了牽引變流器主從四象限并網(wǎng)切換運行的控制策略。

可單重四象限運行的牽引變流器，雙重四象限模塊采用主從并網(wǎng)切換的控制策略，根據(jù)車速滯環(huán)調(diào)節(jié)。一重四象限模塊為主四象限模塊，二重四象限模塊為從四象限模塊。一重四象限模塊和二重四象限模塊均無故障時，車輛啟動后主四象限模塊單重運行，車速超過10 km/h 后，由主四象限模塊單重運行切換為雙重四象限模塊并聯(lián)運行；車速小于7 km/h 時，雙重四象限模塊并聯(lián)運行切換為主四象限模塊單重運行；主四象限模塊發(fā)生故障時，變流器自動切換為從四象限模塊運行。

2.3 單重四象限故障處理

車輛正常運行且車速超過10 km/h 時，雙重四象限模塊并網(wǎng)運行。此時如果單重四象限模塊發(fā)生故障，則牽引變流器由雙重四象限運行切換為單重四象限運行，不需牽引變流器斷電重新啟機。此故障處理方案能夠最大限度保持車輛動力，同時允許輔助系統(tǒng)滿載工作，從而最大限度滿足乘客和運行需求。單重四象限故障處理方法如下：當(dāng)任意一個牽引逆變器模塊故障時，故障牽引逆變器模塊切除，另一個牽引逆變器模塊和輔助逆變系統(tǒng)可正常工作；若任意一重四象限整流器模塊故障時，封鎖故障四象限整流器模塊脈沖，斷開故障四象限整流器模塊對應(yīng)主接觸器，封鎖對應(yīng)故障四象限整流器模塊的牽引逆變器模塊脈沖，將該牽引逆變器模塊切除，另一個牽引逆變器模塊和輔助逆變系統(tǒng)可以正常工作［8-9］。單重四象限整流器故障處理流程見圖5。

圖5 單重四象限整流器故障處理流程

2.4 載波移相控制

可單重四象限運行的牽引變流器仍采用載波移相角動態(tài)調(diào)整的方法。牽引變流器利用列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過計算列車編組內(nèi)正常工作的牽引變流器總數(shù)，并確定變流器自身相對位置，根據(jù)設(shè)定的載波移相角表確定移相角。當(dāng)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通信異常時，牽引變流器通過出廠設(shè)定的內(nèi)部硬線信號確定牽引變流器的自身位置，并根據(jù)設(shè)定的載波移相角表確定移相角。

3 仿真與試驗

優(yōu)化主電路設(shè)計后的牽引變流器主從四象限控制策略在實際車輛進行了試驗驗證。相關(guān)仿真試驗結(jié)果如下。

3.1 損耗仿真

以CRH6A-A 城際動車組牽引系統(tǒng)為例，該動車組采用2 動2 拖的編組形式，每輛動車配置4 臺電機。牽引變壓器二次側(cè)線圈額定電壓有效值為970 V，牽引變流器額定中間直流電壓為1 800 V，單電機恒功區(qū)牽引功率為345 kW，恒功區(qū)起點為61 km/h，單四象限額定容量為882 kVA，輔助額定功率約為200 kW。當(dāng)車輛滿轉(zhuǎn)矩啟動時，考慮輔助變流系統(tǒng)滿載輸出和四象限功率因數(shù)接近為1，在列車速度為10 km/h 的主從四象限模塊并網(wǎng)切換點時的四象限輸入容量為：

式中：Pm-v為某速度點下的電機功率，此處速度為10 km/h；ηm為牽引電機效率，取0.94；ηinv為牽引逆變器效率，取0.985；ηaux為輔助系統(tǒng)效率，取0.93；Paux為輔助額定功率，為200 kW；η4qc為四象限效率，取0.985。

使用功耗計算軟件MELCOSIM，在相同負(fù)載條件下，分別對單重四象限運行和雙重四象限運行做功耗仿真，仿真結(jié)果匯總見表1。

表1 仿真結(jié)果匯總 W

由表1 可知，單重四象限運行時，IGBT 損耗約為1 144 W×4=4 576 W；雙重四象限并網(wǎng)運行時，IGBT 損耗約為2×628 W×4=5 024 W，損耗降低約448 W，車輛啟動過程中的損耗降低約8.9%。

3.2 車輛啟動時主從四象限并網(wǎng)切換

車輛啟動運行和制動減速時的主從四象限并網(wǎng)切換波形見圖6—圖8。其中，1-1 為電網(wǎng)電壓波形；1-2為主四象限模塊輸入電流；1-3為從四象限模塊輸入電流；Cursor A、Cursor B為運行切換點；2-2為車速；2-4、3-1為逆變器模塊輸出電流；3-2為中間直流母線電壓。可見，根據(jù)車速滯環(huán)調(diào)節(jié)的雙重四象限采用主從并網(wǎng)切換的控制策略，切換過程平滑，母線波動小。不僅減小了IGBT 功率損耗，還可有效利用四象限整流器的設(shè)計能力，降低整機故障率。

圖6 車輛啟動運行時和制動減速時主從四象限并網(wǎng)切換波形

圖7 車輛啟動時單重四象限切換為雙重四象限波形

圖8 制動減速時雙重四象限切換為單重四象限波形

3.3 車輛運行時單重四象限故障

車輛正常運行且車速超過10 km/h 時，一重四象限出現(xiàn)故障后的試驗波形見圖9。其中，1-2 為一重四象限模塊輸入電流；1-3 為二重四象限模塊輸入電流；Cursor A、Cursor B 為運行切換點；2-4、3-1 為逆變器模塊輸出電流；3-2 為中間直流母線電壓。當(dāng)Cursor A處一重四象限模塊過熱故障，封鎖一重四象限脈沖，二重四象限模塊繼續(xù)運行；然后封鎖一架逆變器脈沖，二架逆變器正常工作，輔助逆變系統(tǒng)正常工作。

圖9 一重四象限故障時刻波形

3.4 整車等效干擾電流

以4 輛編組的CRH6A-A 動車組為例，在環(huán)行鐵道試驗線對不同工況下的等效干擾電流進行試驗。試驗結(jié)果見圖10?？梢?，動車組在不同工況、不同功率時，整車等效干擾電流≤2.5 A，符合動車組的評定要求。在車輛低速低功率運行時，動車組的整車等效干擾電流約為2.0 A。

圖10 CRH6A-A動車組等效干擾電流與動車組取用功率關(guān)系散點圖

4 結(jié)束語

針對短編組城際動車組的特點，優(yōu)化設(shè)計了可單重四象限運行的主電路，并提出其主從四象限并網(wǎng)控制策略。仿真和計算結(jié)果表明，列車在低速運行工況時，單重四象限運行可有效降低四象限模塊的IGBT 損耗。對正常工況下的主從四象限并網(wǎng)切換過程和一重四象限故障時的單重四象限工作過程進行了試驗驗證。試驗結(jié)果表明，采用主從并網(wǎng)切換的控制策略，切換過程平滑，母線波動小，可提高牽引變流器的動力可用性。