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，因其采用直線電機驅(qū)動，牽引、導(dǎo)向和支撐均由電磁吸力或斥力實現(xiàn)，去掉了齒輪箱、輪對等機械傳動系統(tǒng)，使得車輛運行不受粘著關(guān)系的限制，速度、加速能力均可實現(xiàn)大幅度提升，具有高效、高速、安全、舒適、環(huán)保、維護量小等特點。我國通過技術(shù)引進，與德國合作建成了上海示范線，其最高運營速度可達430km/h，是目前已投入商業(yè)運營的最快陸地交通工具[1]。依托該示范線，我國對常導(dǎo)高速磁浮牽引技術(shù)進行了長達20 多年的技術(shù)攻關(guān)和關(guān)鍵系統(tǒng)研發(fā)，實現(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提供可變交流電源，驅(qū)動車輛運行，因而其性能直接影響磁浮列車的運行速度、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，驅(qū)動列車運行。

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]，其拓撲結(jié)構(gòu)為三電平中點箝位（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 變流器拓撲結(jié)構(gòu)

2.1 整流裝置和直流環(huán)節(jié)

兩個輸入變壓器次級分別采用星形、三角形連接，對應(yīng)地接到整流器一個三相不可控整流橋和一個三相全控橋，四個整流橋串聯(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 制動斬波和制動電阻

列車采用電制動模式時，能量通過電阻消耗；列車制動時，直線電機處于發(fā)電機模式，列車動能通過電磁感應(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，制動斬波器導(dǎo)通，通過制動電阻消耗電能。

2.3 逆變裝置

逆變器三相橋臂分置于3 個電氣柜中，每一相橋臂均由兩個逆變模塊串聯(lián)組成，每個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GTO 和4 個4.5kV/1.2kA 的續(xù)流二極管、2 個同型號箝位二極管組成。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，單橋臂的拓撲及原理如圖2 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、兩象限運行、能耗制動、中點箝位型的拓撲結(jié)構(gòu)，最大容量15.6MVA，最高速度達到505km/h。

圖2 三電平變流器單橋臂拓撲結(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），其拓撲結(jié)構(gòu)為三電平有源中點箝位（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，增強了牽引系統(tǒng)的加速能力，最大容量達到24MVA，變流器頻率最高可達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撲結(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，過壓保護可通過直流側(cè)的晶閘管實現(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 制動斬波模塊

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

在列車制動時，其動能轉(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)或在制動斬波器的作用下通過制動電阻轉(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逆變模塊串聯(lián)組成，每個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箝位拓撲形式，占體積較小，包括6 個大功率IGCT（4500V/4000A）和6 個與IGCT 反并聯(lián)的續(xù)流二極管以及觸發(fā)信號變換單元和內(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，可實現(xiàn)四象限運行、能耗制動、中點箝位型的拓撲結(jié)構(gòu)，最大容量為24MVA，最高輸出頻率為356Hz，最高速度可達660km/h。

4 分析比較

本節(jié)從拓撲結(jié)構(gòu)、功率器件性能、產(chǎn)品技術(shù)指標等方面，對上海示范線GTO 變流器與新一代大功率IGCT 變流器進行對比。

4.1 拓撲結(jié)構(gòu)

上海示范線采用高功率變流器，由兩個7.5MVA 變流器模塊組成，拓撲結(jié)構(gòu)采用的是非四象限運行的能耗制動方式，節(jié)能效果差。每個變流器模塊的整流裝置由一個三相不可控整流橋和一個三相全控橋組成，故一個高功率變流器的整流側(cè)由四個整流橋串聯(lián)輸出12 脈沖的直流電壓，因為存在不可控整流橋，其諧波污染嚴重。

針對如上問題，新一代大功率IGCT 變流器采用了四象限、ANPC 拓撲結(jié)構(gòu)的IGCT 大功率變流器，該拓撲結(jié)構(gòu)功率器件功率損耗低，可實現(xiàn)制動能量回饋，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，同時降低了可靠性。

IGCT 功率器件將IGBT 與GTO 的優(yōu)點結(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)用時龐大而復(fù)雜的緩沖電路，門極驅(qū)動電路集成在IGCT 內(nèi)，體積小、重量輕，抗干擾能力強，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

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)指標較上海示范線GTO 變流器均有大幅提升，且滿足時速600 公里的運行需求，其指標對比如表1 所示。

表1 上海示范線與新一代高速磁浮變流器技術(shù)指標對比

5 結(jié)論

上海示范線牽引功率模塊采用4.5kV/4kA GTO 元件，拓撲為三電平中點箝位結(jié)構(gòu)，功率密度低，最大功率僅15.6MVA，且無法實現(xiàn)回饋制動；新一代磁浮系統(tǒng)功率模塊采用4.5kV/4kA IGCT 元件，拓撲為三電平有源中點箝位結(jié)構(gòu)，損耗低、效率高，功率密度大，最大容量可達24MVA，可實現(xiàn)全制動功率回饋，適合時速600 公里以上速度等級的超高速磁浮牽引系統(tǒng)。