辅助变流器控制方法及设计方法与流程

本技术涉及电源系统，尤其涉及一种辅助变流器控制方法及设计方法。

背景技术：

1、辅助变流器，作为一种直流转交流的隔离逆变电源，是现有轨道交通车辆如铁路机车、高铁动车及地铁车辆等最为关键的电源设备之一，其主要作用之一是实现1500v等高压直流到三相380vac交流电的逆变变换及隔离变换，为车辆机电设备，如照明、空调、压缩机、风机等等运行提供交流电源。

2、既有的辅助变流器产品，其核心电源变换技术，传统成熟产品技术多采用高压、大电流igbt开关器件、专用大功率隔离变压器等来进行。一台辅助变流器，通常包含一套大功率电源变换单元，其开关逆变模块、变压器、电感、电容组件等各电气部件分散于整机电气系统。存在的缺点是，因igbt开关器件开关频率低，功率密度低，磁性元件、电容部件等元件、组件庞大，各器件、组件分散布置于大机柜中，不仅使得整机体积、重量特别大，并且难以拆装、维护；进一步，因其电源转换效率低，已然无法满足轨道交通车辆轻量化、高效节能的要求。

3、近年，随着碳化硅开关器件的成熟，基于碳化硅的高频变换电源也在轨道交通行业开始应用发展，但当下其具体的产品技术方案仍然不成熟，存在如单个功率模块体积仍然较大，功率模块定制性强、仍采用了高压大容量集成碳化硅模块，相比传统igbt的应用模式，仅提高了开关频率，其它电路构成、控制方法及结构形式仍然与以往基本相同，因此除了效率有所提升，重量有所降低，但其开发及生产成本很高、维护仍然不太方便。

4、总体而言，既有方案的主要缺点包括：(1)单个电源变换的功率模块体积仍然较大、较重，维护维修困难；(2)应对轨道交通车辆的多样需求，其模块标准化工程设计不成熟，整机开发成本高，开发周期长；(3)传统控制应对轨道交通宽输入电压范围时，难以保证高效率变换。上述诸多缺点，是得产品目前仍难以实现规模应用。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术实施例提供一种辅助变流器控制方法及设计方法，可以有效解决现有辅助变流器转换效率低、成本高以及维护难的问题等。

2、第一方面，本技术实施例提供一种辅助变流器控制方法，所述方法适用于辅助变流器，所述辅助变流器包括至少一个标准变流器模块，各所述标准变流器模块并联；所述标准变流器模块包括前级变换模块和后级逆变模块；所述前级变换模块和所述后级逆变模块通过中间母线连接；所述前级变换模块包括三相交错串联的3个llc谐振dcdc隔离单元；所述后级逆变模块包括三电平dcac逆变单元，包括：

3、在所述辅助变流器工作时，对所述前级变换模块采用开环调频控制；对后级逆变模块采用闭环控制；其中，所述开环调频控制通过控制频率来控制所述前级变换模块进行变换工作；所述频率根据所述前级变换模块的输入电压和所述后级逆变模块的输出电压制式而确定，且所述频率与所述输入电压成正比例关系。

4、在一些实施例中，所述输出电压制式包括380vac制式和440vac制式；

5、所述频率根据所述前级变换模块的输入电压和所述后级逆变模块的输出电压制式而确定，且所述频率与所述输入电压成正比例关系，包括：

6、若输出电压制式为440vac制式，则所述前级变换模块的工作频率采用第一计算公式得到；否则，所述前级变换模块的工作频率采用第二计算公式得到；

7、其中，第一计算公式为：

8、f(t)＝fs+(uin-uin_max)*k1-f1

9、第二计算公式为：

10、f(t)＝fs+(uin-uin_max)*k1

11、且第一计算公式和第二计算公式两公式均满足以下条件：

12、f(t)＞f0

13、uin≤uin_max，f(t)＜fs

14、uin＞uin_max，f(t)≥fs

15、其中，f(t)为前级变换模块的工作频率，fs为根据前级变换模块的设计而确定的谐振频率点；f0为前级变换模块允许工作的频率下限值；f1为采用440vac制式时，相比采用380vac制式时前级变换模块额外降低的工作频率值，uin为前级变换模块的输入电压，uin_max为前级变换模块的最大输入电压。

16、在一些实施例中，在采用多个所述标准变流器模块交流并联运行时，对于所述后级逆变模块采用基于有功功率、无功功率的pq下垂控制算法进行并机控制；

17、其中，所述pq下垂控制算法为有功调频率/相位、无功调幅值的交流并机基本算法，且将输入电压或输入电压的变化作为计算因子，以参与计算所述辅助变流器的频率。

18、在一些实施例中，所述pq下垂控制算法为有功调频率/相位、无功调幅值的交流并机基本算法，且将输入电压或输入电压的变化作为计算因子，以参与计算所述辅助变流器的频率，包括：

19、在采用交流输出时，采用以下公式计算所述辅助变流器的输出电压和频率：

20、uo(t)＝uref-kq*q

21、f(t)＝f_ref-kp1*p-km*udc

22、其中，uo(t)表示输出电压幅值，uref表示三相输出最大电压幅值，kq表示无功功率的调节系数，q表示无功功率，f_ref表示三相输出最大频率，p表示有功功率，kp1为基于kp的修改系数，kp1＜kp，kp表示有功功率调节系数，udc表示中间母线电压，km为基于中间母线电压设定的调节系数，用于替代kp至kp1部分的下垂效果。

23、在一些实施例中，根据输出电压制式确定采用svpwm或者spwm调制方式来调控所述后级逆变模块。

24、在一些实施例中，所述输出电压制式包括380vac制式和440vac制式；

25、所述根据输出电压制式确定采用svpwm或者spwm调制方式来调控所述后级逆变模块，包括：

26、若所述输出电压制式为380vac制式，则全程选择spwm调制；

27、若所述输出电压制式为440vac制式，则根据中间母线电压确定采用svpwm或者spwm调制方式。

28、在一些实施例中，所述根据中间母线电压确定采用svpwm或者spwm调制方式，包括：

29、若所述中间母线电压小于第一电压值大于第二电压值，则选择spwm调制；

30、若所述中间母线电压小于等于第三电压值大于第四电压值，则选择svpwm调制；

31、否则，保持调制方式不变。

32、第二方面，本技术实施例提供一种适用于轨道交通行业的辅助变流器设计方法，所述方法适用于辅助变流器，所述辅助变流器包括至少一个标准变流器模块；所述标准变流器模块包括前级变换模块和后级逆变模块；所述前级变换模块和所述后级逆变模块通过中间母线连接；所述前级变换模块包括三相交错串联的3个llc谐振dcdc隔离单元；所述后级逆变模块包括三电平dcac逆变单元；包括：

33、所述后级逆变模块配置成两种输出电压制式输出；所述两种输出电压制式分别为380vac制式和440vac制式；

34、所述标准变流器模块设计为高档功率类型和低档功率类型；

35、其中，所述标准变流器模块的功率取值范围为[30kw,40kw]；高档功率对应的功率大于所述低档功率对应的功率；所述标准变流器模块中包括的开关器件均采用碳化硅mos单体；

36、根据单机或整机辅助变流器的功率确定所述标准变流器模块的数量和功率类型，并将多个所述标准变流器模块并联连接，得到所述辅助变流器。

37、在一些实施例中，在轨道交通行业，单机或整机辅助变流器的功率取值范围为[60kw，240kw]，其中，高档功率类型的标准变流器模块的功率取值为40kw；低档功率类型对应的标准变流器模块的功率取值为30kw。

38、在一些实施例中，所述根据单机或整机辅助变流器的功率确定所述标准变流器模块的数量和功率类型包括：

39、若单机或整机辅助变流器的功率取值为60kw，则采用2组低档功率类型的标准变流器模块并联组合；

40、若单机或整机辅助变流器的功率取值为80kw，则采用2组高档功率类型的标准变流器模块并联组合；

41、若单机或整机辅助变流器的功率取值为100kw，则采用4组低档功率类型的标准变流器模块并联组，或者采用3组高档功率类型的标准变流器模块并联组合满足功率要求，或者采用2组低档功率类型、1组高档功率类型标准变流器模块并联组合；

42、若单机或整机辅助变流器的功率取值为180kw，则采用6组低档功率类型的标准变流器模块并联组合满足功率要求；

43、若单机或整机辅助变流器的功率取值为240kw，则采用6组高档功率或者8组低功率类型的标准变流器模块并联组合满足功率要求。

44、在一些实施例中，所述高档功率类型和所述低档功率类型对应的所述标准变流器模块具有相同的结构尺寸、电气接口、控制通信接口。

45、在一些实施例中，所述标准变流器模块采用以下方式设计得到：

46、所述标准变流器模块中包括的线路器件按照高档功率类型的要求进行设计配置；所述线路器件包括连接器件、线路、测量控制电路、辅助电路和磁性元件；

47、对于所述标准变流器模块中采用碳化硅mos单体，根据功率类型不同，选择对应容量型号的碳化硅mos单体；所述碳化硅mos单体采用相同的封装且可拆卸。

48、本技术的实施例具有如下有益效果：

49、第一方面，本技术根据输入电压及输出电压制式确定llc的工作频率，然后由该频率范围的限定设计，决定了其高效率变换。

50、本技术辅助变流器采用了两级变换，前级变换模块采用开环调频控制，后级逆变模块采用闭环控制的方式。其中，前级变换模块的开环调频控制是基于输入电压以及输出电压制式的特定算法而进行的，可以轻松避免多级闭环控制时的竞争问题、避免易出现的调节震荡问题；并且，随输入电压而调节频率，可降低母线波动范围。进一步，采用直接控制前级变换模块的变换频率的方法，更容易保证前级变换模块在llc变换全程中工作频率处于最佳频率段，即llc变换效率能保持最高。

51、第二方面，本技术提供的适用于轨道交通行业的辅助变流器设计方法，根据轨道交通行业的应用场景定义了标准化的两个功率类型模块，即低档功率类和高档功率类型，然后结合串并联组合连接得到辅助变流器。而且所述标准变流器模块中包括的开关器件均采用碳化硅mos单体，相比现有技术中碳化硅模组，本技术经济性好，可很好的应对轨道交通辅助逆变电源轻量化、高效率、方便维护的应用要求。此外，由于设计的高低两档功率的标准变流器模块，使得标准化更为容易，并利于持续扩展升级，工程化方便，通过高低两个功率类型的标准变流器模块随意组合可以得到不同功率的电源系统，经济性好。