列车牵引传动系统中ANPC型三电平逆变器及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种列车牵引传动系统中ANPC型三电平逆变器及其控制方法，通过建立了列车牵引传动系统功率模块杂散电感参数模型以及不同换流路径对ANPC型三电平逆变器影响的数学模型，采用功率损耗热平衡的方法实现了具有鲁棒性能的控制器设计，基于热平衡管理的方式并配合鲁棒重复控制去稳定的切换实际换流路径，避免了列车运行过程中不同运行工作状态临界点反复切换所造成系统的失稳，并且利用内外管及箝位管的能量交换实现系统平衡控制。内外管及箝位管的能量交换实现系统平衡控制。内外管及箝位管的能量交换实现系统平衡控制。

【技术实现步骤摘要】
列车牵引传动系统中ANPC型三电平逆变器及其控制方法


[0001]本专利技术涉及电力电子控制技术，特别是一种列车牵引传动系统中ANPC型三电平逆变器及其控制方法。

技术介绍

[0002]随着大功率电气传动的不断发展，三电平逆变器在轨道交通工业领域开始广泛应用。相比于两电平逆变器，牵引传动系统ANPC型三电平逆变器具有输出电压电流谐波小以及功率器件所承受的电压与损耗降低等优势。虽然在数量上功率开关器件增加了，但可以通过优化控制策略的方式来均衡功率管的损耗，实现提高电压等级大容量传输，系统总体设计仍优于同功率等级的两电平变流器。三电平拓扑结构可以实现更高性能的电能变换。
[0003]传统控制策略容易导致牵引传动系统中逆变器的单相桥臂内外管发热严重不均，从而影响到逆变器工作稳定性及实际输出功率大小。目前ANPC(有源中点箝位)的三电平拓扑，随着需要控制的开关管数目增多，中点换流路径的多样化及控制过程的复杂性，都可能导致电压与电流不平衡，以及部分功率管承受过电压或者过电流，甚至发生严重故障时会造成逆变器模块失效。增加检测装备对逆变器的电压，电流和温度等参数的状态进而在线获取，这会增加逆变器设计的体积以及维护成本，且可靠性也会降低。
[0004]为保障列车牵引系统运行达到节能的目的，逆变器功率等级的提升将成为主流铁路发展模式。因此在功率模块设计上提升功率密度及优化控制策略对提高整个列车三电平逆变器系统的效率与运行可靠性至关重要。
[0005]现有的牵引传动系统中逆变器仍存在一些功率器件过电压及不均流等问题，且列车在长时间运行复杂路况下，如经过曲线、隧道、坡道路段存在附加阻力的变化。若考虑外部风速的变化、机械与电气部件的老化以及网压波动等条件，在列车进行牵引
‑
巡航
‑
惰行
‑
制动等运行工况切换过程中，还会导致逆变器的功率器件承受的功率损耗不均衡，限制逆变器模块的功率密度的提升。如何控制好功率器件的电压和电流，确保三电平ANPC拓扑能稳定运行，是亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种列车牵引传动系统中ANPC型三电平逆变器及其控制方法，避免临界点反复切换造成的系统失稳现象，并实现功率模块平衡控制。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种列车牵引传动系统中ANPC型三电平逆变器控制方法，ANPC型三电平逆变器输入侧与ANPC型三电平整流器连接；ANPC型三电平逆变器输出侧通过LCL滤波器与多个电机连接；该方法包括：
[0008]利用下式控制ANPC型三电平逆变器的输出电压：
[0009]和/或，
[0010]利用下式控制ANPC型三电平逆变器的输出电流：
[0011]其中，u
d u
q
分别为ANPC型三电平逆变器输出电压d轴和q轴上的分量；i
d
、i
q
分别表示ANPC型三电平逆变器输出电流在d轴和q轴上的分量，i
d
、i
q*
分别表示i
d
、i
q
的给定值，R表示LCL滤波器等效电阻值，L表示LCL滤波器等效电感值，u
gd
、u
gq
分别为电机端的输出电压u
g
在d轴上的分量和q轴上的分量；e为跟踪误差，e＝i
*
‑
i，i表示电机的输出电流，i
*
表示参考电流；T
*e
代表电机的电磁转矩值，2n为电机的极对数，Ψ为电机的磁链幅值；为母线电压给定值，v
dc
为母线电压(即电容支路两端的电压)；K
v
为电压控制环节增益，τ
s
为电压控制环节时间常数，T
v
设定为电压控制环节时间常数的N倍，N为常数；s为复变量；L
s
为ANPC型三电平逆变器杂散电感总和；
[0012]第一权重系数ξ的确定过程包括：若ANPC型三电平逆变器上半桥臂杂散电感值与下半桥臂杂散电感值相等，则ξ设置为第一预设值；若ANPC型三电平逆变器上半桥臂杂散电感值小于下半桥臂杂散电感值，则ξ设置为第二预设值；若ANPC型三电平逆变器上半桥臂杂散电感值大于下半桥臂杂散电感值，则ξ设置为第三预设值；其中，第二预设值＜第二预设值＜第三预设值；
[0013]第二权重系数μ的确定过程包括：若ANPC型三电平逆变器上半桥臂所有开关管的壳温之和与下半桥臂所有开关管的壳温之和相等，则μ设置为第一预设值；若ANPC型三电平逆变器上半桥臂所有开关管的壳温之和小于下半桥臂所有开关管的壳温之和，则μ设置为第二预设值；若ANPC型三电平逆变器上半桥臂所有开关管的壳温之和大于下半桥臂所有开关管的壳温之和，则μ设置为第三预设值。
[0014]本专利技术引入ξ和μ两个权重系数参数优化控制性能，兼顾稳定中间直流环节电压，达到抑制波动的效果，也能够稳定控制输出电压与电流的大小，使得逆变器可以按照设定参数安全稳定运行，本专利技术避免了临界点反复切换所造成系统的失稳现象，并且利用内外管及箝位管的能量交换实现功率模块平衡控制。
[0015]本专利技术的方法还包括：将所述ANPC型三电平逆变器输出电压的d轴上的分量u
d
和q轴上的分量u
q
转化为三相ABC静止坐标系中的电压，通过正弦脉冲宽度调制，控制ANPC型三电平逆变器功率器件的开通与关断。为了进一步提高控制精度，本专利技术的方法还包括：比较ANPC型三电平逆变器的输出电压与输出电压目标值，若ANPC型三电平逆变器的输出电压与输出电压目标值偏差小于设定阈值，则结束；否则，调整ANPC型三电平逆变器杂散电感值，进而调整ANPC型三电平逆变器的输出电压，直至ANPC型三电平逆变器的输出电压与输出电压目标值偏差小于设定阈值。
[0016]为了进一步提高控制精度，本专利技术的方法还包括：比较ANPC型三电平逆变器的输出电流与输出电流目标值，若ANPC型三电平逆变器的输出电流与输出电流目标值偏差小于设定阈值，则结束；否则，调整ANPC型三电平逆变器杂散电感值，进而调整ANPC型三电平逆变器的输出电流，直至ANPC型三电平逆变器的输出电流与输出电流目标值偏差小于设定阈值。
[0017]为了兼顾稳定中间直流环节电压，达到抑制波动的效果，本专利技术提供了一种列车牵引传动系统中三电平逆变系统，包括ANPC型三电平逆变器；所述ANPC型三电平逆变器输入侧与ANPC型三电平整流器连接；所述ANPC型三电平整流器通过牵引变压器接电网；ANPC型三电平逆变器输出侧通过LCL滤波器与多个电机连接；所述ANPC型三电平逆变器包括电容支路；所述电容支路包括两个串联的电容；所述电容支路与第一桥臂并联；所述第一桥臂包括四个串联的功率器件，其中中间两个功率器件与第二桥臂并联；所述第二桥臂包括两个串联的功率器件；所述电容本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种列车牵引传动系统中ANPC型三电平逆变器控制方法，ANPC型三电平逆变器输入侧与ANPC型三电平整流器连接；ANPC型三电平逆变器输出侧通过LCL滤波器与多个电机连接；其特征在于，该方法包括：利用下式控制ANPC型三电平逆变器的输出电压：和/或，利用下式控制ANPC型三电平逆变器的输出电流：其中，u
d u
q
分别为ANPC型三电平逆变器输出电压d轴和q轴上的分量；i
d
、i
q
分别表示ANPC型三电平逆变器输出电流在d轴和q轴上的分量，i
d*
、i
q*
分别表示i
d
、i
q
的给定值，R表示LCL滤波器等效电阻值，L表示LCL滤波器等效电感值，u
gd
、u
gq
分别为电机端的输出电压u
g
在d轴上的分量和q轴上的分量；e为跟踪误差，e＝i
*
‑
i，i表示电机的输出电流，i
*
表示参考电流；T
*e
代表电机的电磁转矩值，2n为电机的极对数，Ψ为电机的磁链幅值；为母线电压给定值，v
dc
为母线电压；K
v
为电压控制环节增益，τ
s
为电压控制环节时间常数，T
v
设定为电压控制环节时间常数的N倍，N为常数；s为复变量；L
s
为ANPC型三电平逆变器杂散电感总和；第一权重系数ξ的确定过程包括：若ANPC型三电平逆变器上半桥臂杂散电感值与下半桥臂杂散电感值相等，则ξ设置为第一预设值；若ANPC型三电平逆变器上半桥臂杂散电感值小于下半桥臂杂散电感值，则ξ设置为第二预设值；若ANPC型三电平逆变器上半桥臂杂散电感值大于下半桥臂杂散电感值，则ξ设置为第三预设值；其中，第二预设值＜第二预设值＜第三预设值；第二权重系数μ的确定过程包括：若ANPC型三电平逆变器上半桥臂所有开关管的壳温之和与下半桥臂所有开关管的壳温之和相等，则μ设置为第一预设值；若ANPC型三电平逆变器上半桥臂所有开关管的壳温之和小于下半桥臂所有开关管的壳温之和，则μ设...

【专利技术属性】
技术研发人员：李蔚，唐鑫鑫，陈春阳，王志伟，肖博懿，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：