SiC牽引逆變器技術在地鐵中的應用研究萬金

地鐵輕軌地鐵輕軌SiC牽引逆變器技術在地鐵中的應用研究萬金1施浚琿1戴琦2障有限公司車輛分公司上海200235)更換功率器件、配套新型牽引控制單元以及新PWM控制算法，減少功率器件的開關損耗和導通損耗，同時優(yōu)化控制算法抑制電流諧波降低電機損耗。最后分析影響節(jié)能考核的因素，設計節(jié)能考核方案，在上海地鐵8號線車輛進行裝車節(jié)能測試，驗證SiC牽引逆變器的節(jié)能效果。結果表明SiC牽引逆變器能夠實現(xiàn)節(jié)能2%~3%。近年來，我國軌道交通行業(yè)蓬勃發(fā)展。軌道交通主要的能耗是電能，電費約占整個運營成本的30%。如何進一步降低能耗，對于做好節(jié)能減排工作，落實節(jié)能減排目標具有重要意義。牽引系統(tǒng)是以碳化硅(SiC)為代表的新一代半導體器件應用對牽引電傳動系統(tǒng)技術的發(fā)展有重要意義[1]。目前在地鐵中廣泛應用的牽引逆變器，主要為基于Si材料的IGBT功率器件，與傳統(tǒng)Si材料器件相比，SiC作為半導體材料具有優(yōu)異的性能，尤其是于功率轉換和控制的功率元器件，在擊穿場強、禁、電子飽和速度、熔點以及熱導率方面都有優(yōu)低導通電阻、開關頻率高和耐高溫高壓條件下工作[2]。本文以SiC牽引逆變器為研究對象，比較了混合SiC和Si的功率器件損耗，通過更換功率器件、配套新型牽引控制單元以及新PWM控制算法，減少功率器件的開關損耗和導通損耗，同時優(yōu)化控制算法抑制電流諧波降低電機損耗。最后，通過現(xiàn)車測試，驗證SiC牽引逆變器實際的節(jié)能效果。交通電氣牽引系統(tǒng)設計工作。1牽引損耗說明圖1為牽引逆變器主電路損耗和電機損耗分類圖，可以看出在主要電氣品中，電機損耗占大部因逆變器的轉換控制而產(chǎn)生的諧波損失占17%。圖1主電路損耗和電機損耗分類圖2為傳統(tǒng)Si模塊與SiC模塊的二極管恢復波形和IGBT開通波形的損耗對比，可以看出二極管圖3為傳統(tǒng)PWM控制與SiC配套新型節(jié)能控制的電機電流波形對比，可以看出電流諧波減小，電機損耗降低5%。每公里的耗電量，仿真計算結果可以看出相較于SiC控制算法優(yōu)化，實現(xiàn)節(jié)能效果。萬金施?，q戴琦SiC牽引逆變器技術在地鐵中的應用研究軌道交通裝備與技術第3期2022年5月圖2功率器件損耗對比圖3電機損耗對比圖4線路仿真節(jié)能對比2主電路及結構設計牽引逆變器主電路采用兩電平電壓型直－交逆變電路(見圖5)。列車通過高壓回路將DC1500V直流電供給牽引逆變器，經(jīng)牽引逆變器變換成頻率、電壓均可調的三相交流電，向異步牽引電動機供電。牽引逆變器由6個混合SiC的IGBT組成三相逆變單元[5]，采用1臺牽引逆變器驅動4臺牽引電動機的工作方式。牽引主電路主要由濾波電路、充放電電路、逆變單元、斬波單元、檢測元件以及牽引電動機等設備組成，其中將IGBT斬波單元與三相逆變并可方便實現(xiàn)牽引－制動的無節(jié)點轉換。牽引逆變器功率單元選用的混合SiC功率器件高性能、低噪音、高耐熱疲勞性等特點[6]。具體技術參數(shù)如表1所示。圖5牽引逆變器主電路表1SiC功率器件技術參數(shù)表項目符號單位MBN1800F33F－C3VCESVGESICVCESVGESICVV門極電壓AIFIIFIFMTj℃℃結溫存儲溫度隔離電壓A正向電流ASiC牽引逆變器結構特點:(1)由牽引逆變器箱體、高壓電路和低壓控制(2)分為開放室和密閉室兩部分，需要大量散熱的設備經(jīng)絕緣處理后安裝在開放室進行自然冷(3)半導體功率元件混合SiC的IGBT的冷卻熱管散熱器，功率元件安裝在密閉室，通過散熱基板、熱管散熱器(內含冷媒)將熱量散發(fā)到車輛側的通風部分。牽引逆變器三維結構圖如圖6所示。圖6牽引逆變器布置圖萬金施?，q戴琦SiC牽引逆變器技術在地鐵中的應用研究軌道交通裝備與技術第3期2022年5月3控制算法優(yōu)化SiC功率器件配套控制算法能夠減少功率器件關損耗和導通損耗，同時優(yōu)化控制算法，抑制電流諧波，降低電機損耗。節(jié)能控制算法優(yōu)化具體如圖7節(jié)能控制算法優(yōu)化根據(jù)速度的不同階段，采用三種不同的PWM制，可以得到更高的直流母線電壓利用率，電流正弦度更高，減少電流諧波損耗。同步PWM(HOP調制)在一個運算周期內可以得到圖8中速節(jié)能控制算法優(yōu)化在高速階段，采用最優(yōu)同步3脈沖調制替代傳統(tǒng)的單脈沖方波調制[8]，雖會增加逆變器損耗，但SiC增加，實控制算法，大大減小了電流諧波，減少了牽引電機的損耗。圖9為損耗對比，以Si模塊的同步單脈沖抑制損耗的增加，保持損耗基本不變。4樣機試驗研制的SiC牽引逆變器樣機如圖10所示，根據(jù)流器第1部分:特性和試驗方法》進行相關試驗。完成SiC牽引逆變器電氣性能試驗的同時，重點關注了逆變器溫升試驗，電磁兼容試驗和沖擊振動試驗等。樣機試驗結果驗證了該SiC牽引逆變器可以滿足設計要求。圖10SiC牽引逆變器樣機在額定負載、額定網(wǎng)壓DC1500V條件下，對逆變器實測波形，包含了架線電壓、架線電流、濾圖11樣機實測波形5正線節(jié)能測試SiC牽引逆變器需要裝車進行節(jié)能測試，影響牽引逆變器節(jié)能測試的因素有以下幾種:萬金施浚琿戴琦SiC牽引逆變器技術在地鐵中的應用研究軌道交通裝備與技術第3期2022年5月(5)同一供電區(qū)間的車輛數(shù)量(依據(jù)客流量高以上條件不一致時，會對車輛的牽引能耗和再生制動回饋能量造成很大波動，無法準確驗證SiC牽引逆變器的節(jié)能效果[9]?？紤]到上述條件對SiC牽引逆變器和Si牽引逆變器節(jié)能測試對比影響，最好的方案為兩種逆變器混裝在同一列車上，減少逆變器本身性能外的因素影響能耗數(shù)據(jù)記錄，可以消除上述中第1條至第5條的影響。此外，第6條制造偏差造成的傳感器測量精度對能耗數(shù)據(jù)的影響，本次牽引逆變器采用的傳感器中挑選測量數(shù)據(jù)精度最高的單體用于測試車輛牽引逆變器的生產(chǎn)組裝，最大限度減小傳感器對節(jié)能測試結果的影響?；谝陨戏治?，裝車方案如下。具體安裝方式如圖12所示，本次裝車測試在上組形式，因此安裝3臺Si牽引逆變器(2車/4車/5CC效果。圖12上海8號線裝車方案按照上述方案完成SiC牽引逆變器裝車后，開始進行正線載客運營節(jié)能測試，牽引逆變器具有能功能，可以記錄牽引能耗、再生能耗以及制動電阻能耗。能耗數(shù)據(jù)每十天采集一次，目前已收集據(jù)如表2所示。從表中可以看出，3臺Si牽引逆變器的平均能耗為53851kWh，2臺SiC牽引逆變器的平均能耗車號牽引電量再生電量能耗車6結束語研究新一代SiC功率器件在牽引系統(tǒng)的推廣應為軌道交通牽引系統(tǒng)商業(yè)推廣提供助力，帶動相關產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，提高國內自主設計開發(fā)能力及技術水平，進一步降低研發(fā)采購成本，同時實現(xiàn)關鍵，降低牽引系統(tǒng)能耗，也為軌道交通領域節(jié)效益[10]。[1]李東林．城市軌道交通車輛電氣牽引系統(tǒng)自主研發(fā)與應用[J]．[2]丁榮軍．現(xiàn)代軌道牽引傳動及控制技術研究與發(fā)展[J]．機車電[4]馬保慧．基于Si和SiC器件的逆變器系統(tǒng)性能對比研究[J]．[5]程向文，黃輝，李鈣，等．使用SiC開關的兩電平和三電平[6]