SiC牽引逆變器技術(shù)在地鐵中的應(yīng)用研究

萬 金 施?，q 戴 琦

(1.西安中車永電捷通電氣有限公司 陜西 西安 710016； 2.上海地鐵維護(hù)保障有限公司車輛分公司 上海 200235)

0 引言

近年來，我國軌道交通行業(yè)蓬勃發(fā)展。軌道交通主要的能耗是電能，電費(fèi)約占整個(gè)運(yùn)營成本的30%。如何進(jìn)一步降低能耗，對于做好節(jié)能減排工作，落實(shí)節(jié)能減排目標(biāo)具有重要意義。牽引系統(tǒng)是最主要的用電負(fù)載，節(jié)能空間最大。圍繞節(jié)能降耗，以碳化硅(SiC)為代表的新一代半導(dǎo)體器件應(yīng)用對牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展有重要意義[1]。

目前在地鐵中廣泛應(yīng)用的牽引逆變器，主要為基于Si材料的IGBT功率器件，與傳統(tǒng)Si材料器件相比，SiC作為半導(dǎo)體材料具有優(yōu)異的性能，尤其是用于功率轉(zhuǎn)換和控制的功率元器件，在擊穿場強(qiáng)、禁帶寬度、電子飽和速度、熔點(diǎn)以及熱導(dǎo)率方面都有優(yōu)勢，因此可以實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻、開關(guān)頻率高和耐高溫高壓條件下工作[2]。

本文以SiC牽引逆變器為研究對象，比較了混合SiC和Si的功率器件損耗，通過更換功率器件、配套新型牽引控制單元以及新PWM控制算法，減少功率器件的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，同時(shí)優(yōu)化控制算法抑制電流諧波降低電機(jī)損耗。最后，通過現(xiàn)車測試，驗(yàn)證SiC牽引逆變器實(shí)際的節(jié)能效果。

1 牽引損耗說明

圖1為牽引逆變器主電路損耗和電機(jī)損耗分類餅狀圖，可以看出在主要電氣品中，電機(jī)損耗占大部分，所以降低電機(jī)損耗十分重要[3]，而電機(jī)損耗中，因逆變器的轉(zhuǎn)換控制而產(chǎn)生的諧波損失占17%。

圖1 主電路損耗和電機(jī)損耗分類

圖2為傳統(tǒng)Si模塊與SiC模塊的二極管恢復(fù)波形和IGBT開通波形的損耗對比，可以看出二極管恢復(fù)損耗減小至1/10，IGBT開通損耗減小至1/2，功率單元損耗減小至65%[4]，效果顯著。

圖2 功率器件損耗對比

圖3為傳統(tǒng)PWM控制與SiC配套新型節(jié)能控制的電機(jī)電流波形對比，可以看出電流諧波減小，電機(jī)損耗降低5%。

圖3 電機(jī)損耗對比

圖4為根據(jù)上海地鐵6號(hào)線、8號(hào)線實(shí)際線路進(jìn)行仿真節(jié)能對比，計(jì)算單位為kWh/car/km，每個(gè)車廂每公里的耗電量，仿真計(jì)算結(jié)果可以看出相較于Si逆變器，SiC逆變器可以節(jié)能2.17%～2.41%。

圖4 線路仿真節(jié)能對比

綜上，通過SiC功率器件的應(yīng)用，以及配套新型控制算法優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。

2 主電路及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

牽引逆變器主電路采用兩電平電壓型直-交逆變電路(見圖5)。列車通過高壓回路將DC1 500 V直流電供給牽引逆變器，經(jīng)牽引逆變器變換成頻率、電壓均可調(diào)的三相交流電，向異步牽引電動(dòng)機(jī)供電。牽引逆變器由6個(gè)混合SiC的IGBT組成三相逆變單元[5]，采用1臺(tái)牽引逆變器驅(qū)動(dòng)4臺(tái)牽引電動(dòng)機(jī)的工作方式。牽引主電路主要由濾波電路、充放電電路、逆變單元、斬波單元、檢測元件以及牽引電動(dòng)機(jī)等設(shè)備組成，其中將IGBT斬波單元與三相逆變單元集成在一起組成功率單元。當(dāng)電網(wǎng)電壓在1 000 V～1 800 V之間波動(dòng)時(shí)，主電路都成正常工作，并可方便實(shí)現(xiàn)牽引-制動(dòng)的無節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換。

圖5 牽引逆變器主電路

牽引逆變器功率單元選用的混合SiC功率器件型號(hào)為MBN1800F33F-C3，規(guī)格為3 300 V/1 800 A ,廠家為日立公司，采用軟門極控制，具有低功耗、高性能、低噪音、高耐熱疲勞性等特點(diǎn)[6]。具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 SiC功率器件技術(shù)參數(shù)表

SiC牽引逆變器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

(1)由牽引逆變器箱體、高壓電路和低壓控制電路組成，安裝在車輛下方，安裝方式為托裝。

(2)分為開放室和密閉室兩部分，需要大量散熱的設(shè)備經(jīng)絕緣處理后安裝在開放室進(jìn)行自然冷卻，對防塵要求較高的零部件，則安裝在密閉室內(nèi)。

(3)半導(dǎo)體功率元件混合SiC的IGBT的冷卻采用熱管散熱器，功率元件安裝在密閉室，通過散熱基板、熱管散熱器(內(nèi)含冷媒)將熱量散發(fā)到車輛側(cè)的通風(fēng)部分。

牽引逆變器三維結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

1—牽引控制單元；2—線路接觸器；3—高速斷路器；4—預(yù)充電回路；5—放電電阻；6—功率模塊。圖6 牽引逆變器布置圖

3 控制算法優(yōu)化

SiC功率器件配套控制算法能夠減少功率器件的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，同時(shí)優(yōu)化控制算法，抑制電流諧波，降低電機(jī)損耗。節(jié)能控制算法優(yōu)化具體如圖7所示。

圖7 節(jié)能控制算法優(yōu)化

根據(jù)速度的不同階段，采用三種不同的PWM控制算法，在低速階段，用HIP調(diào)制代替異步PWM調(diào)制，可以得到更高的直流母線電壓利用率，電流正弦度更高，減少電流諧波損耗。

在中速階段，由于SiC牽引逆變器安裝了搭載高性能微處理器的新型無接點(diǎn)控制單元(VL6)，可以實(shí)現(xiàn)比以往更加高速的PWM運(yùn)算處理，以應(yīng)對優(yōu)化的PWM控制。相較于以往的同步PWM控制，新低畸變同步PWM(HOP調(diào)制)在一個(gè)運(yùn)算周期內(nèi)可以得到更多的調(diào)制分段，減少電流畸變[7]如圖8所示。

圖8 中速節(jié)能控制算法優(yōu)化

在高速階段，采用最優(yōu)同步3脈沖調(diào)制替代傳統(tǒng)的單脈沖方波調(diào)制[8]，雖會(huì)增加逆變器損耗，但采用低損耗SiC模塊，可抑制逆變器損耗的增加，實(shí)現(xiàn)在保持逆變器損耗不變的前提下，優(yōu)化了PWM控制算法，大大減小了電流諧波，減少了牽引電機(jī)的損耗。圖9為損耗對比，以Si模塊的同步單脈沖PWM控制算法為基準(zhǔn)，采用最優(yōu)同步3脈沖調(diào)制后，傳統(tǒng)Si模塊損耗將增加51%，而SiC模塊能夠抑制損耗的增加，保持損耗基本不變。

圖9 高速優(yōu)化PWM損耗對比

4 樣機(jī)試驗(yàn)

研制的SiC牽引逆變器樣機(jī)如圖10所示，根據(jù) IEC61287-1:2014 《軌道交通 機(jī)車車輛用電力變流器 第1部分：特性和試驗(yàn)方法》進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。完成SiC牽引逆變器電氣性能試驗(yàn)的同時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注了逆變器溫升試驗(yàn)，電磁兼容試驗(yàn)和沖擊振動(dòng)試驗(yàn)等。樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該SiC牽引逆變器可以滿足設(shè)計(jì)要求。

圖10 SiC牽引逆變器樣機(jī)

在額定負(fù)載、額定網(wǎng)壓DC1 500 V條件下，對SiC牽引變流器的牽引、制動(dòng)特性進(jìn)行了試驗(yàn)，圖11為逆變器實(shí)測波形，包含了架線電壓、架線電流、濾波電容電壓、調(diào)制率、電機(jī)電流等。

5 正線節(jié)能測試

5.1 測試方案

SiC牽引逆變器需要裝車進(jìn)行節(jié)能測試，影響牽引逆變器節(jié)能測試的因素有以下幾種：

(1)牽引時(shí)間、電制時(shí)間、惰行時(shí)間的比例(依據(jù)牽引、制動(dòng)指令)；

(2)擋位量(依據(jù)牽引、制動(dòng)時(shí)級(jí)位給定)；

(3)載重(依據(jù)乘客數(shù)量)；

(4)空轉(zhuǎn)、滑行時(shí)的牽引力、電制動(dòng)力減小(依據(jù)天氣、軌面情況)；

(5)同一供電區(qū)間的車輛數(shù)量(依據(jù)客流量高低峰)；

(6)傳感器精度(制造偏差)。

以上條件不一致時(shí)，會(huì)對車輛的牽引能耗和再生制動(dòng)回饋能量造成很大波動(dòng)，無法準(zhǔn)確驗(yàn)證SiC牽引逆變器的節(jié)能效果[9]。

考慮到上述條件對SiC牽引逆變器和Si牽引逆變器節(jié)能測試對比影響，最好的方案為兩種逆變器混裝在同一列車上，減少逆變器本身性能外的因素影響能耗數(shù)據(jù)記錄，可以消除上述中第1條至第5條的影響。

此外，第6條制造偏差造成的傳感器測量精度對能耗數(shù)據(jù)的影響，本次牽引逆變器采用的傳感器精度在0.5%以內(nèi)，在對傳感器進(jìn)行單體試驗(yàn)時(shí)，從中挑選測量數(shù)據(jù)精度最高的單體用于測試車輛牽引逆變器的生產(chǎn)組裝，最大限度減小傳感器對節(jié)能測試結(jié)果的影響。

基于以上分析，裝車方案如下。

具體安裝方式如圖12所示，本次裝車測試在上海地鐵8號(hào)線車輛進(jìn)行，8號(hào)線車輛為5M2T的7編組形式，因此安裝3臺(tái)Si牽引逆變器(2車/4車/5車)，2臺(tái)SiC牽引逆變器(3車/6車)，進(jìn)行混裝方式，通過對比測試，真實(shí)體現(xiàn)SiC牽引逆變器的節(jié)能效果。

5.2 測試結(jié)果

按照上述方案完成SiC牽引逆變器裝車后，開始進(jìn)行正線載客運(yùn)營節(jié)能測試，牽引逆變器具有能耗記錄功能，可以記錄牽引能耗、再生能耗以及制動(dòng)電阻能耗。能耗數(shù)據(jù)每十天采集一次，目前已收集到5個(gè)月的能耗數(shù)據(jù)，累積運(yùn)營36 000 km，能耗數(shù)據(jù)如表2所示。

從表中可以看出，3臺(tái)Si牽引逆變器的平均能耗為53 851 kWh，2臺(tái)SiC牽引逆變器的平均能耗為52 116 kWh，平均節(jié)能3.22%，滿足了初期設(shè)計(jì)的節(jié)能2%～3%的目標(biāo)。

6 結(jié)束語

研究新一代SiC功率器件在牽引系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，為軌道交通牽引系統(tǒng)商業(yè)推廣提供助力，帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，提高國內(nèi)自主設(shè)計(jì)開發(fā)能力及技術(shù)產(chǎn)品水平，進(jìn)一步降低研發(fā)采購成本，同時(shí)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)突破，降低牽引系統(tǒng)能耗，也為軌道交通領(lǐng)域節(jié)能減排作出貢獻(xiàn)，具有重要的社會(huì)效益[10]。