一种高速列车无工频变压器辅助变流系统的制作方法

本发明属于高速列车供电技术领域，特别涉及高速列车辅助设备供电技术。

背景技术：

高速动车组技术是各项复杂技术的集合体，而辅助变流系统是高速动车组的重要组成部分之一。为了保证高速动车组长时间的正常运行，列车需要稳定、高效的辅助变流系统为众多辅助设备提供电源，这些设备包括空气压缩机、冷却通风机、油泵/水泵电机、空气调节系统、采暖、照明、旅客信息系统等。辅助变流系统的优劣直接关系到高速动车组能否正常行驶。

目前,高速动车组的交流供电系统主要有两种形式：交直交型与直交型。交直交型辅助变流系统结构，目前在CRH2型动车组上使用，这一形式成本较低，但只能适用于带有辅助绕组的牵引变压器，且在过分相时辅助变流系统无法正常取电，处于断电状态，对辅助设备的运行和寿命有严重影响。

直交型辅助交流供电系统结构，目前CRH1、CRH3和CRH5均采用这一类结构的辅助变流系统。与交直交型相比，直交型的优点在于省去了牵引变压器的辅助绕组，简化了牵引变压器的设计与制造工作，并且在过分相区的时候可以使用牵引电动机发电，维持牵引回路直流侧的电压，从而保证辅助变流系统不断电。直交型辅助变流系统有两类结构，其中，CRH1和CRH3的辅助变流系统，将直流电压逆变后，经工频变压器降压后输出三相电压；CRH5利用两个隔离型DC-DC变换器级联，将直流电压降压后，经三相逆变器输出三相电压。与CRH1和CRH3的结构相比，CRH5省去了笨重、体积庞大的工频变压器，有效降低列车的自重，一定程度上降低了列车行驶的能耗。但现有CRH5采用的DC-DC降压电路使用器件较多，导致电路结构更加复杂。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种高速列车无工频变压器辅助变流系统，它能有效地解决车载设备轻量化、电路结构简单、增大车厢利用空间的问题。

本发明解决其技术问题，所采用的技术方案为：

一种高速列车无工频变压器辅助变流系统，包括DC-DC变换器、二次纹波滤波装置、三相逆变器和控制电路，DC-DC变换器的低压侧桥臂与三相逆变器相连；DC-DC变换器的高压侧桥臂采用二极管箝位三电平半桥结构，低压侧的桥臂采用二极管箝位三电平半桥或两电平半桥结构；三相逆变器采用两电平结构；DC-DC变换器的低压侧桥臂并联二次纹波滤波装置；DC-DC变换器的高压侧桥臂和低压侧桥臂分别与中高频变压器(MFT)原边T1和副边T2相连；控制电路分别采集低压侧桥臂输出电压V₂、三相逆变器输出端口电压v_a、v_b、v_c进行控制。

所述DC-DC变换器的高压侧桥臂和低压侧桥臂均采用半桥结构。

所述DC-DC变换器的低压侧并联二次纹波滤波装置。

由于DC-DC变换器低压侧输出端电压较低，低压侧桥臂采用两电平半桥结构可以满足开关器件要求，对电路更加简化；而低压侧桥臂采用三电平半桥结构，可以实现低压侧开关器件的软开关，降低开关损耗，更加节能；

本发明辅助变流器的工作原理是：

1、该DC-DC变换器为半桥结构，根据DC-DC变换器低压侧桥臂的结构，其工作原理分为以下两种：

a、低压侧桥臂采用二极管箝位三电平半桥结构

三电平DC-DC变换器的高压侧桥臂的输出电压U₁可以输出+V₁/2、﹣V₁/2、0，即正、负、零三个电平。当S₁₁和S₁₂导通，U₁为正电平；当S₁₂和D₁或S₁₃和D₂导通，U₁为零电平；当S₁₃和S₁₄导通，U₁为负电平。低压侧桥臂的输出电压U₂可以输出+V₂/2、﹣V₂/2、0，即正、负、零三个电平。当S₂₁和S₂₂导通，U₂为正电平，当S₂₂和D₃或S₂₃和D₄导通，U₂为零电平，当S₂₃和S₂₄导通，U₂为负电平。U₁的正、负电平在一个开关周期内的作用时间相同，作用时间与半个开关周期的比为D₁。U₂的正、负电平在一个开关周期内的作用时间相同，作用时间与半个开关周期的比为D₂。电路传输功率受D₁、D₂和影响，其中为U₁与U₂之间的移相角对应的时间与开关周期的比值。不仅影响传输功率的大小，的正负还决定传输功率的方向。

令k＝nV₂/V₁，其中n为变压器变比，有以下情况：

当的范围在[-0.5,(1-k)/2]时，

当的范围在时，

当的范围在时,D₁＝1，D₂＝1。

为了使得DC-DC变换器输出端电压V₂稳定可控，控制电路采集低压侧直流电压V₂，将其与参考电压V_2ref做差后得到电压误差信号ΔV₂，经由PI控制器得到将其输入开关信号产生模块，根据计算得到D₁和D₂的大小，并产生对应的开关信号以控制DC-DC变换器工作。

低压侧桥臂采用两电平半桥结构

DC-DC变换器高压侧桥臂的输出电压U₁可以输出正、负、零三个电平。当S₁₁和S₁₂导通，U₁为正电平；当S₁₂和D₁或S₁₃和D₂导通，U₁为零电平；当S₁₃和S₁₄导通，U₁为负电平。U₁的正、负电平在一个开关周期内的作用时间相同，作用时间与半个开关周期的比为D₁。低压侧桥臂的输出电压U₂仅输出正、负两个电平，U₂的正、负电平在一个开关周期内的作用时间相同。电路传输功率受D₁和影响，其中为U₁与U₂之间的移相角对应的时间与开关周期的比值。不仅影响传输功率的大小，的正负还决定传输功率的方向。

令k＝nV₂/V₁，其中n为变压器变比，有以下情况：

当的范围在时，

当的范围在时，

当的范围在时，D₁＝1。

为了使得DC-DC变换器输出端电压V₂稳定可控，控制电路采集低压侧直流电压V₂，将其与参考电压V_2ref做差后得到电压误差信号ΔV₂，经由PI控制器得到将其输入开关信号产生模块，根据计算得到D₁的大小，并产生对应的开关信号以控制DC-DC变换器工作。

2、三相逆变电路为两电平结构，采用SPWM调制方法，输出幅值稳定可控的三相工频交流电压。控制电路采集逆变电路输出端三相相电压v_a、v_b、v_c，求取其有效值之后，将其平均有效值与参考电压有效值做差得到电压误差信号ΔV，经由PI控制器得到初始调制度m1。

针对三相负载可能存在的不平衡情况，将逆变电路输出端三相相电压v_a、v_b、v_c的有效值分别与参考电压有效值做差得到3路电压误差信号，分别经由PI控制器得到每一相对应的调制度补偿量m_2i(i＝a，b，c)，将m₁与m_2i相加得到每一相的调制度m_i(i＝a，b，c)。随后，经由SPWM调制模块得到三相逆变器的开关信号。

本发明与现有技术相比的优点和效果：

本发明在CRH5辅助变流系统的基础上，设计一种改进型系统结构。该系统与CRH5辅助变流系统相比，在直流降压环节可以实现器件的软开关，减小电路开关能耗，电路结构更加简化，可以进一步减少电力电子器件等元件数量，减轻系统体积、重量，大大降低成本，并且更加环保节能。

附图说明

图1是本发明在CRH5牵引供电系统中连接关系结构图

图2是本发明低压侧桥臂1b采用三电平半桥结构的辅助变流系统拓扑图

图3是本发明低压侧桥臂1b采用两电平半桥结构的辅助变流系统拓扑图

具体实施方式

本发明的具体实施方式为：一种高速列车无工频变压器辅助变流系统，包括DC-DC变换器1、二次纹波滤波装置2、三相逆变器3和控制电路4，其中：

a、DC-DC变换器低压侧桥臂1b与三相逆变器3相连；

b、DC-DC变换器1的高压侧桥臂1a采用二极管箝位三电平半桥结构，低压侧桥臂1b采用二极管箝位三电平半桥或两电平半桥结构；三相逆变器3采用两电平结构；

c、DC-DC变换器低压侧桥臂1b并联二次纹波滤波装置2；DC-DC高压侧桥臂1a和低压侧桥臂1b分别与中高频变压器(MFT)原边T1和副边T2相连；

d、控制电路4分别采集低压侧桥臂1b输出电压V₂、三相逆变器3输出端口电压v_a、v_b、v_c进行控制。