SiC牵引逆变器技术在地铁中的应用研究万金

地铁轻轨地铁轻轨SiC牵引逆变器技术在地铁中的应用研究万金1施浚珲1戴琦2障有限公司车辆分公司上海200235)更换功率器件、配套新型牵引控制单元以及新PWM控制算法，减少功率器件的开关损耗和导通损耗，同时优化控制算法抑制电流谐波降低电机损耗。最后分析影响节能考核的因素，设计节能考核方案，在上海地铁8号线车辆进行装车节能测试，验证SiC牵引逆变器的节能效果。结果表明SiC牵引逆变器能够实现节能2%~3%。近年来，我国轨道交通行业蓬勃发展。轨道交通主要的能耗是电能，电费约占整个运营成本的30%。如何进一步降低能耗，对于做好节能减排工作，落实节能减排目标具有重要意义。牵引系统是以碳化硅(SiC)为代表的新一代半导体器件应用对牵引电传动系统技术的发展有重要意义[1]。目前在地铁中广泛应用的牵引逆变器，主要为基于Si材料的IGBT功率器件，与传统Si材料器件相比，SiC作为半导体材料具有优异的性能，尤其是于功率转换和控制的功率元器件，在击穿场强、禁、电子饱和速度、熔点以及热导率方面都有优低导通电阻、开关频率高和耐高温高压条件下工作[2]。本文以SiC牵引逆变器为研究对象，比较了混合SiC和Si的功率器件损耗，通过更换功率器件、配套新型牵引控制单元以及新PWM控制算法，减少功率器件的开关损耗和导通损耗，同时优化控制算法抑制电流谐波降低电机损耗。最后，通过现车测试，验证SiC牵引逆变器实际的节能效果。交通电气牵引系统设计工作。1牵引损耗说明图1为牵引逆变器主电路损耗和电机损耗分类图，可以看出在主要电气品中，电机损耗占大部因逆变器的转换控制而产生的谐波损失占17%。图1主电路损耗和电机损耗分类图2为传统Si模块与SiC模块的二极管恢复波形和IGBT开通波形的损耗对比，可以看出二极管图3为传统PWM控制与SiC配套新型节能控制的电机电流波形对比，可以看出电流谐波减小，电机损耗降低5%。每公里的耗电量，仿真计算结果可以看出相较于SiC控制算法优化，实现节能效果。万金施浚珲戴琦SiC牵引逆变器技术在地铁中的应用研究轨道交通装备与技术第3期2022年5月图2功率器件损耗对比图3电机损耗对比图4线路仿真节能对比2主电路及结构设计牵引逆变器主电路采用两电平电压型直－交逆变电路(见图5)。列车通过高压回路将DC1500V直流电供给牵引逆变器，经牵引逆变器变换成频率、电压均可调的三相交流电，向异步牵引电动机供电。牵引逆变器由6个混合SiC的IGBT组成三相逆变单元[5]，采用1台牵引逆变器驱动4台牵引电动机的工作方式。牵引主电路主要由滤波电路、充放电电路、逆变单元、斩波单元、检测元件以及牵引电动机等设备组成，其中将IGBT斩波单元与三相逆变并可方便实现牵引－制动的无节点转换。牵引逆变器功率单元选用的混合SiC功率器件高性能、低噪音、高耐热疲劳性等特点[6]。具体技术参数如表1所示。图5牵引逆变器主电路表1SiC功率器件技术参数表项目符号单位MBN1800F33F－C3VCESVGESICVCESVGESICVV门极电压AIFIIFIFMTj℃℃结温存储温度隔离电压A正向电流ASiC牵引逆变器结构特点:(1)由牵引逆变器箱体、高压电路和低压控制(2)分为开放室和密闭室两部分，需要大量散热的设备经绝缘处理后安装在开放室进行自然冷(3)半导体功率元件混合SiC的IGBT的冷却热管散热器，功率元件安装在密闭室，通过散热基板、热管散热器(内含冷媒)将热量散发到车辆侧的通风部分。牵引逆变器三维结构图如图6所示。图6牵引逆变器布置图万金施浚珲戴琦SiC牵引逆变器技术在地铁中的应用研究轨道交通装备与技术第3期2022年5月3控制算法优化SiC功率器件配套控制算法能够减少功率器件关损耗和导通损耗，同时优化控制算法，抑制电流谐波，降低电机损耗。节能控制算法优化具体如图7节能控制算法优化根据速度的不同阶段，采用三种不同的PWM制，可以得到更高的直流母线电压利用率，电流正弦度更高，减少电流谐波损耗。同步PWM(HOP调制)在一个运算周期内可以得到图8中速节能控制算法优化在高速阶段，采用最优同步3脉冲调制替代传统的单脉冲方波调制[8]，虽会增加逆变器损耗，但SiC增加，实控制算法，大大减小了电流谐波，减少了牵引电机的损耗。图9为损耗对比，以Si模块的同步单脉冲抑制损耗的增加，保持损耗基本不变。4样机试验研制的SiC牵引逆变器样机如图10所示，根据流器第1部分:特性和试验方法》进行相关试验。完成SiC牵引逆变器电气性能试验的同时，重点关注了逆变器温升试验，电磁兼容试验和冲击振动试验等。样机试验结果验证了该SiC牵引逆变器可以满足设计要求。图10SiC牵引逆变器样机在额定负载、额定网压DC1500V条件下，对逆变器实测波形，包含了架线电压、架线电流、滤图11样机实测波形5正线节能测试SiC牵引逆变器需要装车进行节能测试，影响牵引逆变器节能测试的因素有以下几种:万金施浚珲戴琦SiC牵引逆变器技术在地铁中的应用研究轨道交通装备与技术第3期2022年5月(5)同一供电区间的车辆数量(依据客流量高以上条件不一致时，会对车辆的牵引能耗和再生制动回馈能量造成很大波动，无法准确验证SiC牵引逆变器的节能效果[9]。考虑到上述条件对SiC牵引逆变器和Si牵引逆变器节能测试对比影响，最好的方案为两种逆变器混装在同一列车上，减少逆变器本身性能外的因素影响能耗数据记录，可以消除上述中第1条至第5条的影响。此外，第6条制造偏差造成的传感器测量精度对能耗数据的影响，本次牵引逆变器采用的传感器中挑选测量数据精度最高的单体用于测试车辆牵引逆变器的生产组装，最大限度减小传感器对节能测试结果的影响。基于以上分析，装车方案如下。具体安装方式如图12所示，本次装车测试在上组形式，因此安装3台Si牵引逆变器(2车/4车/5CC效果。图12上海8号线装车方案按照上述方案完成SiC牵引逆变器装车后，开始进行正线载客运营节能测试，牵引逆变器具有能功能，可以记录牵引能耗、再生能耗以及制动电阻能耗。能耗数据每十天采集一次，目前已收集据如表2所示。从表中可以看出，3台Si牵引逆变器的平均能耗为53851kWh，2台SiC牵引逆变器的平均能耗车号牵引电量再生电量能耗车6结束语研究新一代SiC功率器件在牵引系统的推广应为轨道交通牵引系统商业推广提供助力，带动相关产业链发展，提高国内自主设计开发能力及技术水平，进一步降低研发采购成本，同时实现关键，降低牵引系统能耗，也为轨道交通领域节效益[10]。[1]李东林．城市轨道交通车辆电气牵引系统自主研发与应用[J]．[2]丁荣军．现代轨道牵引传动及控制技术研究与发展[J]．机车电[4]马保慧．基于Si和SiC器件的逆变器系统性能对比研究[J]．[5]程向文，黄辉，李钙，等．使用SiC开关的两电平和三电平[6]