大容量电力电子技术在电气化交通系统中的应用有哪些「电力电子技术在轨道交通方面的应用」

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作者：清华大学 李永东

从信息到制造，其核心接口就是大容量电力电子技术。电力电子技术在于利用功率半导体器件的开关作用，构成频率从零到兆赫兹、容量从几瓦到几十兆瓦之间任意组合的有功和无功电源，使电能的产生、传输和使用效率大大提高，并实现了用电装置的小型化、轻量化及原材料的大量节省，以及全自动化的生产，构成信息社会和传统工业的接口。

1行业背景与现状

1.1永磁同步电机控制发展现状、趋势

所有的机器人、自动化机床的基础都是伺服系统，伺服系统的核心是交流电机的控制。交流电机相对于直流电机来讲比较复杂，永磁电机介与两者之间。目前，永磁电机无传感器控制正往高稳态精度、动态品质传动领域延伸。西门子、安川等公司正在努力研究“IPM电机 sensorless”替代传统“SPM电机 sensor”的驱动模式，以进一步降低成本。我认为高稳态精度、动态品质IPM电机无传感器控制技术具有很好的应用前景。

1.2感应电机变频调速技术概况

感应电机进入实用化近30年，国产变频器厂家300家以上，国内变频器市场增长率一直保持在12%~15%，市场潜在空间大约为1200~1800亿元。虽然国产品牌变频器已取得长足进步，但在数控机床、大功率起重设备、机车牵引等高端应用场合，国外品牌市场份额占到80%以上。

1.3大容量电力电子变换器技术在节能领域的应用

（1）在西气东输、风洞等大容量高压变频调速领域：现在广泛采用H桥级联多电平变换器技术。但H桥级联多电平变换器需要复杂的多绕组变压器，庞大笨重，能量回馈困难，在交通领域很难采用。

（2）在船/舰/艇系统中的应用：多电平变换器技术及其在船/舰/艇系统中的应用，包括电路拓扑、调制策略、对潜通讯以及控制算法等方面。未来，国家要研究的军舰、航母等国防军事领域都会用到这项技术。重点应用包含：

潜艇永磁电机驱动系统——多相开绕组H供电；

对潜长波通信发射机——高压与高频（工作频率30~40kHz）；

舰船中压直流综合电力系统——高压多电平（直流达10kV）。

2存在的问题及挑战

近代文明从16世纪英国工业革命开始，发展到今天，当年瓦特的蒸汽机已经进化成现代火车、汽车、轮船、飞机和火箭的发动机（Motor），这些现代交通工具在给人类带来高速移动和出行便利的同时，也带来了石油等不可再生资源的枯竭、雾霾横行、全球变暖等世纪难题。目前城市大气污染总量的半数以上来自燃油汽车系统，已造成全球性的温室效应。

解决环境污染、交通拥挤问题的重要途径之一是发展电动汽车及高速公共交通工具（地铁/轻轨，城际列车）和电气化高铁。核心技术就是八十年代以来飞速发展起来的现代电力电子及交流电机（ElectricalMotor）传动控制技术。其中，交通电气化是能源消费的重要领域和方向，将占30%，是电力电子与电力传动技术的典型高端应用。具体数据如图1所示。

图1

据数据显示，全国货物运输部门每天向铁路部门申请车皮约33万车，实际批准11万车，满足率仅为1/3；用世界6%的铁路，完成了25%的运输量；铁路里程约8万公里，人均6厘米，人均铁路里程仅为德14%，美9%，日34%。综上，仍远远不能满足国民经济发展的需要。

高铁三大领域/九大核心技术：机械（车体，转向架，制动刹车），电气（变压器，电机，逆变器和控制）和计算机（通信/信号），核心的技术外国都没有转让，包括转向/制动，逆变器控制软件，通讯信号软件（占30%）等。

据悉，国内南车株洲电力机车研究所基本走在行业前沿，通过CRH380A基本掌握核心技术。2017年3月正式运行的中国标准动车组是完全自主知识产权的，主要是株洲电力机车研究所和中国铁道科学研究院两家的技术，说明中国人已经掌握了该技术。

2.1工频牵引变压器的优点及问题

高铁及动车组的牵引系统由牵引网、受电弓、牵引变压器、四象限整流器、牵引逆变器、牵引电机等组成。工频牵引变压器的优缺点如下：

优点：简单、可靠性高、价格低廉。

缺点：体积重量大，增加列车的设计难度，减小载客量；输出电压随负载变化而变化，电压跌落给传动控制带来困难。

下一代高铁系统，对体积和重量的要求更具挑战性。随着新材料和新器件的发展，希望采用中高频变压器替代变换器中的原有工频变压器，从而大大减小变换器系统的体积和重量，提高系统的可靠性和控制的灵活性。其采用的技术正是电力电子变压器（PET or SST）。

3关键技术研究及体会

3.1下一代高铁牵引系统中关键技术

清华电机系从2001年开始研究地铁、电力机车牵引系统，并和北车研发中心和永济电机集团开展了多项合作，包括北车研发中心（2001）、永济集团（2004）、清华自主项目（2008）、南车时代（2011）等项目。2011年8月，清华电机系和南车株洲时代集团（我国生产高铁/动车组CRH380A电力牵引系统的主力公司）签订了长期战略合作协议，希望在下一代高铁牵引系统的轻量化和高效化方面做出完全自主知识产权的产品，跟上并引领世界高铁发展的潮流。2017年8月获国家科技部重点研发计划支持。

对中高频变压器隔离变换器拓扑结构研究：首先，对基本拓扑结构的特点进行了分析。其次，列举包括中高频逆变器和中高频整流器构成（全桥、半桥、不对称半桥）和中高频变压器构成（单原边单副边、多原边多副边）在内的隔离单元的构成方式，对全桥、半桥、不对称半桥三种结构的性能进行了理论分析和仿真验证。最后，提出了实用的中高频变压器隔离直流环节变换器新拓扑结构，包括采用单个多绕组变压器和多个多绕组变压器的单相输入结构以及采用多绕组变压器的三相输入结构，分别可用于电力机车牵引和新能源发电并网等场合。

3.2全电化船/舰/艇驱动关键技术

2013年9月24日，中央电视台《新闻联播》再次聚焦“中船重工 712所”，报道了“我国成功研制船舶中压电力推进系统”。国内首台具有自主知识产权的船舶中压电力推进系统及其核心设备研制成功，这项技术目前仅少数国家掌握，过去我国主要依赖进口，可广泛应用于考察船、破冰船等，采用后效率更高、操纵更灵活便捷。实现了我国船舶电力推进核心设备自主研制“零的突破”。

船舰全电力推进系统的优越性体现在以下方面：

（1）为电力推进系统提供动力的高中速柴油机，重量轻，体积小，占用的船体空间少，从而增加了船舶的有效载荷，为舰船的总体布置和设计提供了更多的空间。

（2）通过电缆供电，系统可以不与原动机布置在一起，因此电力推进系统的位置选择具有较大的灵活性。

（3）动态性能好，使船舶具有良好的灵活性，大幅提高了舰船的机动性能。

针对用于舰船中压直流系统的多电平关键技术，下一步的研究计划主要是：

（1）理论：开展中压多电平拓扑的故障诊断、容错以及在线修复技术研究；开展多控制策略相结合并优势互补的MMC综合优化控制策略研究；寻求DC/AC、DC/DC以及AC/AC型MMC的统一控制理论。

（2）装置：开展舰船中压直流电力电子变压器和中压直流储能系统研究，目前已申请北京市自然科学基金并将进一步深入研究。

（3）系统：拟搭建舰船中压直流综合电力系统研究平台，并进行系统稳定性及控制研究。

3.3多电/全电飞机系统关键技术

从二十世纪70 年代开始传统的混合功率系统就受到了质疑全电飞机的探索也逐渐展开。我们的研究内容主要聚焦系统建模与稳定性分析。HVDC供电系统作为未来MEA供电系统的主要架构之一，稳定性问题严峻。主要体现在：

大量电力电子，体现负阻抗特性；

高功率密度要求下的滤波器设计，系统易振荡；

源荷容量相当，负载变动影响大；

源荷各模块单独设计后互联而成——耦合严重。

3.3.1模块化多电平变换器（MMC）的演化（如图2所示）

图2 模块化多电平变换器（MMC）的演化

基本拓扑：

实现多电平最初的思路，采用多级直流电压源串联，并控制某一级开关的通断输出不同的电平。

衍生拓扑：

基本单元是两电平拓扑结构；

二极管，可控开关管和电容这三种箝位器件同时被使用；

最外层的主开关管和反并联二极管用于产生期望的电压，其余的则用于箝位和平衡电容电压所用；

可以实现电容电压的自平衡；

认为是最复杂同时也是最全面的一种结构。

3.3.2通用拓扑简化和演化新拓扑的规律

（1）通用拓扑两侧主开关管必须全部保留。

（2）通用拓扑的辅助箝位开关管、二极管和电容要对称的从两侧成对省略。简化后的拓扑具有很好的对称性，且可扩展。

（3）如果要使简化后拓扑具有完整输出所有电平的能力，通用拓扑中实现每个电平的多个电流双向通路至少有一个被保留。

（4）出于实际应用的角度，箝位电容要越少越好，尤其是尽可能的去掉靠近直流母线侧的箝位电容。因为箝位电容本身造成了体积增大，成本增加，影响系统寿命和可靠性的问题。

（5）对于简化后拓扑中每个箝位电容，为了保证其电压能够有效的控制稳定，在输出特定电平，特定电流情况下，存在对箝位电容电压没有影响的开关状态或者存在对箝位电容电压影响相反的开关状态。

3.3.3模块化多电平变换器（MMC）MMC优点

（1）模块性强、控制灵活，易于装配，每个单元可单独控制；

（2）扩展性强，易于上高压。增加1个电平输出只需增加串联的单元个数，易于实现高压多电平，非常适合于高压直流输电、无功补偿以及有源滤波等场合；

（3）可以省掉母线电容，短路电流小，故障处理容易；

4结论与展望

（1）对全桥、半桥、不对称半桥三种结构的中高频隔离变换器单元性能进行了理论分析和仿真验证，提出了几种实用的中高频变压器隔离变换器新拓扑结构。

（2）提出了两种进行多绕组功率解耦的方法，并提出了基于直流电压P I 调节的电压平衡控制方法，提出了MAB隔离单元的软开关移相（SSPS）控制方法。

（3）提出了中高频隔离变换器系统中CHBR基于改进PD-SPWM的电压平衡控制辅助方法；提出了系统的故障运行策略、变压器抗饱和的软件控制算法以及采用LLC谐振变换器提高效率的方法。

（4）提出了通用拓扑简化和演化新拓扑的规律。

（5）建立了仿真和实验平台，并对以上拓扑及控制进行了验证。

（6）PET在轨道交通、输电，配电，新能源发电中将广泛应用。

（本文整理自李永东在“2018中国自动化产业年会”上的报告）

作者简介：

李永东，清华大学电力电子工程研究中心常务副主任，长期从事大容量电力电子变换器及其在调速传动领域应用方面的教学和科研工作。尤其在交流电机的全数字化控制及其在高铁电力牵引和舰船电力推进中的应用等领域成果突出。

摘自《自动化博览》2018年4月刊

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