新型大功率變流系統(tǒng)在磁浮牽引系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

王云飛，韓偉濤，類延霄

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島266111）

磁浮交通系統(tǒng)是一種非接觸式的，依靠電磁力運(yùn)行的新型軌道交通形式，與傳統(tǒng)輪軌車輛不同，因其采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，牽引、導(dǎo)向和支撐均由電磁吸力或斥力實(shí)現(xiàn)，去掉了齒輪箱、輪對(duì)等機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，使得車輛運(yùn)行不受粘著關(guān)系的限制，速度、加速能力均可實(shí)現(xiàn)大幅度提升，具有高效、高速、安全、舒適、環(huán)保、維護(hù)量小等特點(diǎn)。我國通過技術(shù)引進(jìn)，與德國合作建成了上海示范線，其最高運(yùn)營速度可達(dá)430km/h，是目前已投入商業(yè)運(yùn)營的最快陸地交通工具[1]。依托該示范線，我國對(duì)常導(dǎo)高速磁浮牽引技術(shù)進(jìn)行了長達(dá)20 多年的技術(shù)攻關(guān)和關(guān)鍵系統(tǒng)研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)工程化，取得了豐碩的成果。

高速磁浮牽引系統(tǒng)主要由牽引變流系統(tǒng)、牽引控制系統(tǒng)、長定子直線同步電機(jī)以及相應(yīng)地軌旁設(shè)備等組成。其中，變流系統(tǒng)為長定子直線同步電機(jī)提供可變交流電源，驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行，因而其性能直接影響磁浮列車的運(yùn)行速度、加速度，是牽引系統(tǒng)的核心關(guān)鍵技術(shù)。

1 磁浮牽引變流系統(tǒng)

高速磁浮牽引變流系統(tǒng)基本組成單元是牽引變流器單元，其由輸入開關(guān)柜、輸入變壓器、牽引變流器、輸出變壓器、輸出開關(guān)柜組成[2]，其工作流程如下：

（1）輸入變壓器將中壓電源降壓，作為變流器輸入；（2）降壓后的電源經(jīng)過變流器整流單元變?yōu)橹绷麟妷海俳?jīng)逆變單元輸出頻率、相角、幅值可變的三相交流電源（VVVF 電源）；（3）輸出變壓器有直接輸出和變壓器輸出兩種模式，配合輸出開關(guān)柜，將VVVF 電源經(jīng)過輸出至直線電機(jī)，驅(qū)動(dòng)列車運(yùn)行。

2 上海示范線GTO 變流器

上海示范線基于德國常導(dǎo)磁浮技術(shù)，其高功率牽引變流器采用了可關(guān)斷晶閘管器件（GTO）[3]，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為三電平中點(diǎn)箝位（Neutral-Point-Clamped，NPC）結(jié)構(gòu)，中間直流環(huán)節(jié)電壓可通過半可控晶閘管器件來實(shí)現(xiàn)。其結(jié)構(gòu)型式如圖1 所示。

圖1 上海示范線GTO 變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1 整流裝置和直流環(huán)節(jié)

兩個(gè)輸入變壓器次級(jí)分別采用星形、三角形連接，對(duì)應(yīng)地接到整流器一個(gè)三相不可控整流橋和一個(gè)三相全控橋，四個(gè)整流橋串聯(lián)輸出十二脈沖直流電壓，經(jīng)過中間直流環(huán)節(jié)濾波后，產(chǎn)生±2500V 直流電壓（額定值）。

2.2 制動(dòng)斬波和制動(dòng)電阻

列車采用電制動(dòng)模式時(shí)，能量通過電阻消耗；列車制動(dòng)時(shí)，直線電機(jī)處于發(fā)電機(jī)模式，列車動(dòng)能通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生電能，通過逆變器中GTO 上并聯(lián)的反向二極管整流后反送到直流環(huán)節(jié)，使得直流環(huán)節(jié)電壓升高，超過額定值，制動(dòng)斬波器導(dǎo)通，通過制動(dòng)電阻消耗電能。

2.3 逆變裝置

逆變器三相橋臂分置于3 個(gè)電氣柜中，每一相橋臂均由兩個(gè)逆變模塊串聯(lián)組成，每個(gè)逆變模塊均由主功率部分和緩沖電路部分組成。其中，主功率部分由4 個(gè)GTO 和4 個(gè)4.5kV/1.2kA 的續(xù)流二極管、2 個(gè)同型號(hào)箝位二極管組成。GTO 的通態(tài)電流均方根值為1900A，阻斷電壓峰值為4500V，關(guān)斷電流峰值為4000A，主功率部分占總體積的三分之一。

緩沖電路部分占逆變器總體積的三分之二，包括一些大電容、電感、電阻及二極管等器件，主要作用是保護(hù)主電路，減少GTO 的開關(guān)損耗，降低開關(guān)過程引起的過電壓和過電流。

上海示范線采用的是三電平變流器，單橋臂的拓?fù)浼霸砣鐖D2 所示。上海線的牽引變流系統(tǒng)，采用的是GTO 器件，開關(guān)頻率低，不可控整流、兩象限運(yùn)行、能耗制動(dòng)、中點(diǎn)箝位型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最大容量15.6MVA，最高速度達(dá)到505km/h。

圖2 三電平變流器單橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 新一代高速磁浮IGCT 變流器

新一代高速磁浮高功率變流器采用了集成門極換流晶閘管（IGCT），其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為三電平有源中點(diǎn)箝位（Active Neutral-Point-Clamped，ANPC）結(jié)構(gòu)，在同樣開關(guān)器件下，ANPC 三電平變流器通過選擇“O”狀態(tài)下的電流通路，可以平衡開關(guān)器件的功率損耗，提高變流器的電流輸出能力，從1200A 提升到了1800A，提高變流器功率密度，增強(qiáng)了牽引系統(tǒng)的加速能力，最大容量達(dá)到24MVA，變流器頻率最高可達(dá)356Hz。其結(jié)構(gòu)型式如圖3 所示。

圖3 新一代高速磁浮變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.1 整流和中間直流環(huán)節(jié)

輸入變壓器次邊分別為星形連接和三角形連接，分別與24MVA 變流器模塊的各高功率變流器單元（12MVA IGCT 三電平變流器）相連，兩個(gè)四象限整流器電路串聯(lián)輸出直流電壓，經(jīng)中間直流環(huán)節(jié)電抗器和電容器濾波后，產(chǎn)生穩(wěn)定的直流電壓（額定值為DC 5000V），整流器裝有電壓互感器、電流互感器和接地故障檢測裝置，過壓保護(hù)可通過直流側(cè)的晶閘管實(shí)現(xiàn)，當(dāng)直流側(cè)電壓高于2×3200V 后，直流側(cè)晶閘管導(dǎo)通，能量可通過與之串聯(lián)的電阻發(fā)熱消耗。

3.2 制動(dòng)斬波模塊

與整流及逆變單元一樣，制動(dòng)斬波器采用IGCT 開關(guān)器件，散熱采用水-水換熱方式。對(duì)于每一個(gè)12MVA牽引變流單元，有兩個(gè)IGCT 制動(dòng)模塊及制動(dòng)電阻模塊與所對(duì)應(yīng)的直流環(huán)節(jié)電容器相連。對(duì)于一套24MVA 牽引變流器，共包含4 組制動(dòng)單元及制動(dòng)電阻。

在列車制動(dòng)時(shí)，其動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能回饋到變流器的直流環(huán)節(jié)中，可反饋至電網(wǎng)或在制動(dòng)斬波器的作用下通過制動(dòng)電阻轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉。

3.3 逆變裝置

逆變器的主要功能是將直流環(huán)節(jié)的直流電壓由逆變器產(chǎn)生可變頻率、可變幅度和可調(diào)相位的電源。新一代逆變器每一相也是由兩個(gè)逆變模塊串聯(lián)組成，每個(gè)逆變模塊均由主功率部分和緩沖電路部分兩部分組成。主功率部分為三電平有源中點(diǎn)箝位拓?fù)湫问剑俭w積較小，包括6 個(gè)大功率IGCT（4500V/4000A）和6 個(gè)與IGCT 反并聯(lián)的續(xù)流二極管以及觸發(fā)信號(hào)變換單元和內(nèi)水冷卻系統(tǒng)。為減少IGCT 的開關(guān)損耗，降低開關(guān)過程中引起的過電壓和過電流，每個(gè)模塊采用了占該模塊體積比例較大的緩沖電路，緩沖電路包括較大的電容、電阻和電感及二極管。

因此，新一代高速磁浮的牽引變流系統(tǒng)，采用的是IGCT 器件，開關(guān)頻率高，可實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行、能耗制動(dòng)、中點(diǎn)箝位型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最大容量為24MVA，最高輸出頻率為356Hz，最高速度可達(dá)660km/h。

4 分析比較

本節(jié)從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功率器件性能、產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)等方面，對(duì)上海示范線GTO 變流器與新一代大功率IGCT 變流器進(jìn)行對(duì)比。

4.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

上海示范線采用高功率變流器，由兩個(gè)7.5MVA 變流器模塊組成，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用的是非四象限運(yùn)行的能耗制動(dòng)方式，節(jié)能效果差。每個(gè)變流器模塊的整流裝置由一個(gè)三相不可控整流橋和一個(gè)三相全控橋組成，故一個(gè)高功率變流器的整流側(cè)由四個(gè)整流橋串聯(lián)輸出12 脈沖的直流電壓，因?yàn)榇嬖诓豢煽卣鳂?，其諧波污染嚴(yán)重。

針對(duì)如上問題，新一代大功率IGCT 變流器采用了四象限、ANPC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的IGCT 大功率變流器，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)功率器件功率損耗低，可實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回饋，節(jié)能效果好。整流側(cè)采用可控整流，諧波污染小。

4.2 功率器件性能

上海示范線GTO 變流器，其元件面臨淘汰，且GTO具有非均勻關(guān)斷特性，需要較為龐大的緩沖（吸收）電路，導(dǎo)致體積重量增加，同時(shí)降低了可靠性。

IGCT 功率器件將IGBT 與GTO 的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，其容量與GTO 相當(dāng)，但開關(guān)速度比GTO 快10 倍，器件損耗低，而且可以省去GTO 應(yīng)用時(shí)龐大而復(fù)雜的緩沖電路，門極驅(qū)動(dòng)電路集成在IGCT 內(nèi)，體積小、重量輕，抗干擾能力強(qiáng)，已取代GTO 成為大功率電力電子設(shè)備的主流功率元件[4]。

4.3 性能指標(biāo)

新一代大功率牽引變流器，其輸出容量、輸出頻率、功率密度等主要技術(shù)指標(biāo)較上海示范線GTO 變流器均有大幅提升，且滿足時(shí)速600 公里的運(yùn)行需求，其指標(biāo)對(duì)比如表1 所示。

表1 上海示范線與新一代高速磁浮變流器技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

5 結(jié)論

上海示范線牽引功率模塊采用4.5kV/4kA GTO 元件，拓?fù)錇槿娖街悬c(diǎn)箝位結(jié)構(gòu)，功率密度低，最大功率僅15.6MVA，且無法實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)；新一代磁浮系統(tǒng)功率模塊采用4.5kV/4kA IGCT 元件，拓?fù)錇槿娖接性粗悬c(diǎn)箝位結(jié)構(gòu)，損耗低、效率高，功率密度大，最大容量可達(dá)24MVA，可實(shí)現(xiàn)全制動(dòng)功率回饋，適合時(shí)速600 公里以上速度等級(jí)的超高速磁浮牽引系統(tǒng)。