基于电力电子变压器的高速列车牵引传动系统网侧控制技术研究

According to the key control theory and technology of traction converters with power electronic transformer(PET), in a high- speed-train lightweight application, this project proposes and focuses on “The grid-side control schemes of PET traction drive system in high-speed train ”. The research object is to obtain a high efficient, lightweight and compact traction PET traction converter system. The limitation and requirement of PET traction converter and its control system caused by the space, weight, and operation condition of train, is discussed in detail. On the basis of this, in these terrible conditions such as: amplitude fluctuation of the grid voltage, phase mutation of the grid voltage, inductance parameter mismatch, the input voltage fluctuation of DC-DC converters and so on, the model-based predictive power control schemes with multiple-objectives optimization of single-phase H-bridge cascaded PWM rectifier in low switching frequency application is proposed. And the high efficient parallel control scheme of full-bridge isolated DC-DC converters with high power and medium switching frequency is discussed. The experimental prototype of a single-phase multilevel PET traction converter with 11 H-bridge cells is designed and fabricated. The proposed control schemes are verified and tested in computer simulation, hardware-in-loop real-time simulation and the fabricated experimental prototype. The project’s object is to provide theory support and technology accumulation in the field of PET traction drive system application of China high speed train in the future.

该项目针对基于高速列车轻量化应用背景下电力电子变压器的牵引变流系统的关键控制理论与技术问题，提出开展 “基于电力电子变压器的高速列车牵引传动系统网侧控制方法”研究。以实现电力电子变压器的牵引变流器高效化、轻量化、紧凑化为目标，在分析列车运行环境、空间和重量等对变流器及其控制系统的限制和要求的基础上，针对高速列车应用中面临的网压波动、相位突变、电感参数不匹配、DC-DC变换器输入电压脉动等特殊情况下，开展低开关频率下单相级联H桥多电平脉冲整流器高精度多目标优化的模型预测功率控制技术、大功率中频全桥隔离DC-DC变换器的高效率并联控制技术研究，并搭建小功率单相11模块多电平电力电子变压器的牵引变流器实验样机平台，和完成所提出的控制理论方法的计算机仿真、硬件在环半实物实时仿真、以及实验测试与验证。项目旨在为我国未来研制高效节能的高速列车电力电子变压器牵引传动系统提供理论支撑和技术积淀。

本项目以基于电力电子变压器的高速铁路牵引传动系统为研究对象，重点开展了高精度单相级联H桥多电平整流器控制技术，高效率、高功率密度全桥隔离 DC-DC 变换器建模与控制技术，基于 PET 结构的牵引传动系统实验样机研制与控制算法验证等方面的研究。研究目标在于提出适应高速列车应用场合的电力电子变压器的高性能控制与调制方法。项目主要完成了以下几个方面的具体工作：1）研究单相级联H桥多电平整流器在大功率低开关频率条件下的多目标优化控制，提出单相多电平变流器有限集简化模型预测 电流控制和基于瞬时功率观测器的模型预测直接功率控制算法。为提高整流器在复杂牵引网压条件下的适应能力，提出一种无锁相环瞬时功率计算方法和恒频滞环直接功率控制算法。此外，为了抑制电路参数对控制性能的影响，分别提出电感参数误差在线补偿、死区补偿和管压降补偿方法；2 ）研究全桥隔离DC-DC变换器的多目标优化控制，提出基于统一相移控制的电流应力优化控制方法。为提升DC-DC变换器在复杂工况下的适应能力，提出软起动控制及二次电网频率脉动抑制控制方法。此外，为实现多模块变换器的功率平衡与效率优化控制，提出一种多目标优化的模型预测控制方法；3）为了验证所提算法的正确性，研制电压等级为1kV、容量为20kVA的10模块级联电力电子变压器牵引传动系统实验样机，并实现各级驱动、信号检测、散热等单元的模块化设计。在该实验样机平台上，开展单相级联多电平整流器模型预测功率控制与中频全桥隔离 DC-DC 变换器优化相移控制技术的验证与测试研究。实验结果均验证了所提算法的正确性和有效性。本项目的研究成果，可为我国未来研制高效节能的高速列车电力电子变压器牵引传动系统提供理论支撑和技术积淀。