纯电池动力电力机车辅助系统设计与应用_苑伟华.pdf

86|电子制作 2023 年 3 月信息工程0 引言随着全球向绿色、环保能源产业转型的迫切需求，环保节能型机车受到世界各国青睐，新能源机车成为未来轨道交通行业一种新的发展趋势。牵引辅助变流器作为电力机车的核心动力，其绿色、环保成为设计重要的因素之一。现有电力机车大都采用弓网供电的形式，该电路形式只适用于电气化线路，具有一定的局限性。电力机车辅助系统一般都单独从牵引主变压器副边取电，辅助系统很容易受到接触网谐波和同一主变压器上的牵引变流器的影响。由于辅助系统为整车设备如牵引冷却系统、空气压缩机、空调机组等设备提供电源，对于列车电气设备安全运行具有非常重要的作用1。本文针对纯电池动力电力机车介绍了一种牵引系统和辅助系统共直流母线的电路拓扑，该系统集成度高，绿色、环保，辅助系统具有电气隔离、变压、滤波等功能，本文从系统到各子部件介绍了电气功能、理论计算、选型方法，最后通过仿真和试验验证了设计思路的合理性和可行性，该系统适用于新能源客货通用机车电传动系统，灵活性好。1 系统概述本文以某纯电池动力机车为例，整车包含两个牵引辅助变流柜，每个变流柜包含 3 组牵引系统单元、3 组辅助系统单元，主电路拓扑见图 1。每组牵引系统采用独立 轴 控 设 计，轴 功 率 为350kW；辅助系统与牵引系统共用直流母线，辅助系统分为 CVCF 和 VVVF 两种，每组额定输出容量为175kVA 和 95kVA。两种辅助逆变器相互独立，1 架牵引辅助变流柜的辅助逆变器采用 CVCF 控制，为蓄电池充电机、空压机、空调机组、水泵、动力电池冷却风机、环控装置、车体通风机、DC-DC 柜冷却风机、生活用电等负载供电；2 架牵引辅助变流柜的辅助逆变器采用 VVVF 控制，为牵引通风机、变流柜散热风机供电。牵引辅助变流柜采用水冷+强迫风冷的混合冷却方式进行散热。2 工作原理 2.1 主要技术参数根据整车系统技术指标要求：整车由纯动力电池供电，最大功率为 1500kW；为保证牵引辅助变流柜设计一致性，CVCF 和 VVVF 辅助系统额定容量统一按照 175kVA 进行设计，辅助系统主要技术参数如表 1 所示。2.2 辅助系统主电路设计辅助系统主要包括辅助逆变器、辅助隔离变压器、LC纯电池动力电力机车辅助系统设计与应用苑伟华，高升，裴冰（中车永济电机有限公司，陕西西安，710016）摘要：本文以某纯电池动力机车牵引辅助变流柜为例，对牵引和辅助系统共直流母线的变流器拓扑进行了分析，并对辅助系统功能及其关键部件的计算选型设计方法进行了详细介绍，并在Simulink/Matlab软件中搭建了辅助系统电气模型，对其进行了系统仿真，最后对辅助系统在牵引辅助变流柜样机上的试验情况进行了说明，从电气仿真和试验两方面验证了纯电池动力电力机车辅助系统设计方法的合理性和可靠性。关键词：纯电池电力机车；辅助系统；仿真分析UIUIIUIUIUDC1450VAC380V图 2 辅助系统主电路拓扑图 1 牵引辅助变流柜主电路拓扑DOI:10.16589/11-3571/|87信息工程交流滤波器、电压检测回路、接地检测回路等，辅助系统主电路拓扑见图 2。表1 辅助系统主要技术参数额定输出容量中间直流电压额定输出电流175/kVADC1450V266A最大输出电流逆变器开关频率额定输出电压293A1500Hz380V辅助隔离变压器交流滤波电感交流滤波电容190kVA,760V/380V600H600F/660V/173A辅助系统技术要求输出电压谐波辅助系统过载能力5%（滤波后）1.1倍辅助系统正常工作时，通过 DC-AC 变换将 DC1450V 直流电变换为三相 380V 交流电，辅助逆变器输出端经过辅助变压器隔离降压后，应用 LC 滤波电路对辅助系统输出端的高次谐波进行滤波，使辅助系统输出三相正弦交流电供辅助负载使用3。2.3 辅助逆变器设计辅助逆变器经过 DC-AC 变换将直流母线 DC1450V 变换为三相交流电，功率开关器件选型如下：（1）辅助逆变功率模块的中间直流母线电压为 DC 1450V，考虑到网压波动及关断过电压，一般选择 IGBT 的额定电压应大于 1.5 2 倍的工作电压，这里选用 3300V电压等级的 IGBT 器件。（2）辅助逆变功率模块最大输出电流为 146A，电流峰值 206.4A，按照标准辅助系统应具有 1.1 倍的过载能力，考虑余量选用 1000A 电流等级的 IGBT 器件使用。2.4 辅助隔离变压器设计辅助隔离变压器的功能是对辅助系统进行电气隔离和变压。一方面避免了当辅助逆变器故障时，母线高压对辅助负载的电压冲击，另一方面通过变压实现辅助系统输出电压的需求。根据辅助系统工作需求，中间直流母线电压在波动范围内应均可输出 AC380V/50Hz 交流电供辅助负载使用，当中间直流母线电压最低时仍能满足辅助系统输出性能，辅助逆变模块输出线电压最大基波有效值为：min1U2oDCU=式(1)式中，UDCmin流母线最低电压，取值 1400V。经计算，Uo为 90V，考虑逆变器调制以及成熟应用检验等因素，变压器变比为 760/380。辅助系统满载工作时的最大容量为 175kVA，考虑裕量变压器容量选型为190kVA。为较好的抑制系统 3n 次谐波电流，变压器联结组别选取 Dyn11 形式。2.5 LC 交流滤波电路设计交流滤波电抗器与交流滤波电容构成 LC 交流滤波器，对辅助逆变器输出的三相交流电进行滤波，以满足辅助系统输出谐波 5%的技术要求。考虑到三相交流系统的对称性，将三相 LC 交流电路转换为等效的单相电路，如图 3 所示。根据时域分析法的基本原理，二阶 LC 滤波器的传递函数为：()()22111OiLUsUss=+式(2)其中：12LfLC=式(3)式中：fL-LC 滤波器的谐振频率；L-LC 滤波器的截止角频率；Uo(s)-滤波器的输出电压；Ui(s)-滤波器的输入电压；S-拉普拉斯变换算子。图 3 逆变供电系统单相等效电路由于辅助逆变器的载波频率 fc较高，通常在几 kHz 以上，远大于 10 倍基波频率，因而，fL选择范围为载波频率的 1/10 1/53，即：105CCLfff 式(4)2.5.1 交流滤波电容设计交流滤波电容应用于辅助逆变器交流输出滤波电路，与交流滤波电感或变压器次边漏感构成 LC 滤波器，对逆变器输出的三相交流电压平滑滤波，使之成为标准正弦波提供给负载。交流滤波电容选取从以下两个方面考虑：（1）电流选取计算三相输出相电压为：3abaNUU=式(5)额定输出电流为：3aNSIU=式(6)流过交流滤波电容的电流为：21cosCII=式(7)根据电路原理可得交流滤波电容大小为：221cos39CaNaNSICUU=式(8)88|电子制作 2023 年 3 月信息工程式中：S-输出容量；cos-功率因数（根据经验取0.850.92）；-输出角频率（2f 0Hz）；Uab线电压；UaN相电压。（2）电压选取输出线电压 Uab为交流，考虑 1.1 1.2 倍余量，电容电压大于(1.1 1.2)Uab。交流滤波电容的选择主要从以下几方面考虑：（1）三相交流滤波电容主要有星形结构和三角形结构2 种，机车和动车统型的辅助电路采用三角形结构；（2）为了使得逆变器输出交流电力品质达到要求，要求 LC 滤波器的截止频率应远小于输出交流中最低次谐波频率，同时，又要远大于基波频率。由于逆变器的载波频率较高，通常在几 kHz 以上，远大于 10 倍基波频率，因而，选择范围为载波频率的 1/101/5；（3）对于 LC 的选型计算结果可以作为参考值，最终选型需要结合 Matlab/Simulink 仿真结果进行验证，同时结合实际辅助变流器的重量和体积需求在截止频率不变的情况下可调整 LC 参数；（4）LC 参数的选取需要保证轻载时三相逆变输出电流相对较小（这样可以保证三相逆变IGBT损耗在轻载时较小），因此三相滤波电容参数应该尽量选取相对较小的容值。2.5.2 交流滤波电抗器设计滤波电感的大小为：213LLC=式(9)式中：L-截止角频率。以上对于 LC 的选型计算结果可以作为参考值，最终选型需要结合 Matlab/Simulink 仿真进行验证，同时结合实际辅助变流柜的重量和体积需求在截止频率选取的一定范围内对 LC 参数进行调整。LC 参数选定后，辅助直流母线取电电路形式中交流滤波电抗器一般都集成在辅助隔离变压器中，利用变压器漏感与交流滤波电容形成滤波电路，这种形式可提高系统的集成度，且该种形式已在大功率电力机车系统中有成熟应用经验。交流滤波电抗器的选择主要从以下几方面考虑：（1）轻量化设计由于电力机车辅助滤波电路一般采用独立滤波柜结构且配置独立风机进行散热，故滤波电路拓扑一般选用集成变压器方式（滤波电抗器集成于变压器结构），集成后可减小滤波电抗器体积、成本更低；分体式（滤波电抗器、变压器分体结构）散热面大，同等损耗下温升更低。故可根据电力机车轻量化设计、成本、体积等需求进行综合考虑。（2）电压总畸变率辅助系统输出电压谐波畸变率要求 5%。额定工况下，滤波参数 LC 确定后需结合仿真验证输出电压满足系统谐波含量要求。辅助系统在运行过程中会出现轻载或者短时过载的工况，由电抗器自身电感电流特性，电抗器绕组上电流的变化会引起电感变化，系统要求在电感变化的情况下，仍能实现滤波，满足辅助系统输出电压谐波含量 5%的指标。（3）谐振频率选择LC 滤波电路的谐振频率应远小于输出交流中最低次谐波频率，同时，又要远大于基波频率。滤波回路谐振频率选择范围为载波频率的 1/101/5，一般在 150Hz160Hz，可根据逆变器开关频率以及谐波分布来调整。（4）噪声要求根据国标，变流器产生的噪声最大等级应符合 N1（80dB(A)）等级，电抗器作为变流器子部件，应符合变流器技术要求。目前由于客户对噪声指标要求越来越严格的发展趋势，结合现有电抗器应用情况，工频条件下，噪声指标统一按照不高于 65 dB(A)要求。（5）散热条件电抗器是具有较高发热密度的部件，热量需得到及时有效的散发。电抗器绝缘材料耐热性能一般选择 H 级，标准大气压，环境温度 40时，温升要求一般为 130K。3 仿真分析整车由动力电池供电，动力电池输出直流电经整车上双向 DC/DC 充电机变换后传输至变流柜的输入侧，牵引系统和辅助系统共母线，根据牵引辅助变流柜实际电路拓扑，应用 Matlab/Simulink 软件搭建辅助系统仿真模型，对辅助系统输入，输出端及各关键部件电压、电流进行仿真分析，通过仿真计算分析，验证辅助系统可满足整车对辅助系统性能要求。3.1 辅助系统输入电压仿真分析动力电池通过双向 DC/DC 给牵引辅助变流柜供电时，中间直流母线电压峰峰值(1427V,1464V)，母线纹波电压峰峰值 37V，电压纹波 1.3%，符合变流柜输入电压纹波 3%的指标。仿真波形见图 4 图 5。图 4 牵引辅助变流柜母线电压仿真波形|89信息工程图 5 牵引辅助变流柜母线电压纹波波形 3.2 辅助系统输出电压、电流仿真分析如图 6 所示，当辅助系统满载工作时，额定输出容量为 175kVA，辅助系统输出电压、电流波形为三相正弦波，为后级负载提供稳定电源。如图 7 所示，辅助系统输出电压值有效值为 379.9V，输出电压谐波含量为 1.51%，满足整车系统对辅助输出电压谐波 5%的技术要求。1.51.551.61.651.71.751.8-100001000辅助输出电压（V）1.51.551.61.651.71.751.8时间（s）-5000500辅助输出电流（A）图 6 辅助系统输出电压、电流仿真波形 图 7 辅助系统输出电压谐波分析如 图 8 所 示，当 辅 助 系 统 输 出 电 流 值 有 效 值 为165.8A，输出电压谐波含量为 0.43%，满足整车系统对辅助输出电流谐波的技术要求。图 8 辅助系统输出电流谐波分析 3.3 辅助逆变器输出电压、电流仿真分析如图 9 所示，辅助逆变器从母线取电，母线 D