新型大功率变流系统在磁浮牵引系统中的应用分析

王云飞，韩伟涛，类延霄

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛266111）

磁浮交通系统是一种非接触式的，依靠电磁力运行的新型轨道交通形式，与传统轮轨车辆不同，因其采用直线电机驱动，牵引、导向和支撑均由电磁吸力或斥力实现，去掉了齿轮箱、轮对等机械传动系统，使得车辆运行不受粘着关系的限制，速度、加速能力均可实现大幅度提升，具有高效、高速、安全、舒适、环保、维护量小等特点。我国通过技术引进，与德国合作建成了上海示范线，其最高运营速度可达430km/h，是目前已投入商业运营的最快陆地交通工具[1]。依托该示范线，我国对常导高速磁浮牵引技术进行了长达20 多年的技术攻关和关键系统研发，实现了系统工程化，取得了丰硕的成果。

高速磁浮牵引系统主要由牵引变流系统、牵引控制系统、长定子直线同步电机以及相应地轨旁设备等组成。其中，变流系统为长定子直线同步电机提供可变交流电源，驱动车辆运行，因而其性能直接影响磁浮列车的运行速度、加速度，是牵引系统的核心关键技术。

1 磁浮牵引变流系统

高速磁浮牵引变流系统基本组成单元是牵引变流器单元，其由输入开关柜、输入变压器、牵引变流器、输出变压器、输出开关柜组成[2]，其工作流程如下：

（1）输入变压器将中压电源降压，作为变流器输入；（2）降压后的电源经过变流器整流单元变为直流电压，再经逆变单元输出频率、相角、幅值可变的三相交流电源（VVVF 电源）；（3）输出变压器有直接输出和变压器输出两种模式，配合输出开关柜，将VVVF 电源经过输出至直线电机，驱动列车运行。

2 上海示范线GTO 变流器

上海示范线基于德国常导磁浮技术，其高功率牵引变流器采用了可关断晶闸管器件（GTO）[3]，其拓扑结构为三电平中点箝位（Neutral-Point-Clamped，NPC）结构，中间直流环节电压可通过半可控晶闸管器件来实现。其结构型式如图1 所示。

图1 上海示范线GTO 变流器拓扑结构

2.1 整流装置和直流环节

两个输入变压器次级分别采用星形、三角形连接，对应地接到整流器一个三相不可控整流桥和一个三相全控桥，四个整流桥串联输出十二脉冲直流电压，经过中间直流环节滤波后，产生±2500V 直流电压（额定值）。

2.2 制动斩波和制动电阻

列车采用电制动模式时，能量通过电阻消耗；列车制动时，直线电机处于发电机模式，列车动能通过电磁感应产生电能，通过逆变器中GTO 上并联的反向二极管整流后反送到直流环节，使得直流环节电压升高，超过额定值，制动斩波器导通，通过制动电阻消耗电能。

2.3 逆变装置

逆变器三相桥臂分置于3 个电气柜中，每一相桥臂均由两个逆变模块串联组成，每个逆变模块均由主功率部分和缓冲电路部分组成。其中，主功率部分由4 个GTO 和4 个4.5kV/1.2kA 的续流二极管、2 个同型号箝位二极管组成。GTO 的通态电流均方根值为1900A，阻断电压峰值为4500V，关断电流峰值为4000A，主功率部分占总体积的三分之一。

缓冲电路部分占逆变器总体积的三分之二，包括一些大电容、电感、电阻及二极管等器件，主要作用是保护主电路，减少GTO 的开关损耗，降低开关过程引起的过电压和过电流。

上海示范线采用的是三电平变流器，单桥臂的拓扑及原理如图2 所示。上海线的牵引变流系统，采用的是GTO 器件，开关频率低，不可控整流、两象限运行、能耗制动、中点箝位型的拓扑结构，最大容量15.6MVA，最高速度达到505km/h。

图2 三电平变流器单桥臂拓扑结构

3 新一代高速磁浮IGCT 变流器

新一代高速磁浮高功率变流器采用了集成门极换流晶闸管（IGCT），其拓扑结构为三电平有源中点箝位（Active Neutral-Point-Clamped，ANPC）结构，在同样开关器件下，ANPC 三电平变流器通过选择“O”状态下的电流通路，可以平衡开关器件的功率损耗，提高变流器的电流输出能力，从1200A 提升到了1800A，提高变流器功率密度，增强了牵引系统的加速能力，最大容量达到24MVA，变流器频率最高可达356Hz。其结构型式如图3 所示。

图3 新一代高速磁浮变流器拓扑结构

3.1 整流和中间直流环节

输入变压器次边分别为星形连接和三角形连接，分别与24MVA 变流器模块的各高功率变流器单元（12MVA IGCT 三电平变流器）相连，两个四象限整流器电路串联输出直流电压，经中间直流环节电抗器和电容器滤波后，产生稳定的直流电压（额定值为DC 5000V），整流器装有电压互感器、电流互感器和接地故障检测装置，过压保护可通过直流侧的晶闸管实现，当直流侧电压高于2×3200V 后，直流侧晶闸管导通，能量可通过与之串联的电阻发热消耗。

3.2 制动斩波模块

与整流及逆变单元一样，制动斩波器采用IGCT 开关器件，散热采用水-水换热方式。对于每一个12MVA牵引变流单元，有两个IGCT 制动模块及制动电阻模块与所对应的直流环节电容器相连。对于一套24MVA 牵引变流器，共包含4 组制动单元及制动电阻。

在列车制动时，其动能转化为电能回馈到变流器的直流环节中，可反馈至电网或在制动斩波器的作用下通过制动电阻转化为热能消耗掉。

3.3 逆变装置

逆变器的主要功能是将直流环节的直流电压由逆变器产生可变频率、可变幅度和可调相位的电源。新一代逆变器每一相也是由两个逆变模块串联组成，每个逆变模块均由主功率部分和缓冲电路部分两部分组成。主功率部分为三电平有源中点箝位拓扑形式，占体积较小，包括6 个大功率IGCT（4500V/4000A）和6 个与IGCT 反并联的续流二极管以及触发信号变换单元和内水冷却系统。为减少IGCT 的开关损耗，降低开关过程中引起的过电压和过电流，每个模块采用了占该模块体积比例较大的缓冲电路，缓冲电路包括较大的电容、电阻和电感及二极管。

因此，新一代高速磁浮的牵引变流系统，采用的是IGCT 器件，开关频率高，可实现四象限运行、能耗制动、中点箝位型的拓扑结构，最大容量为24MVA，最高输出频率为356Hz，最高速度可达660km/h。

4 分析比较

本节从拓扑结构、功率器件性能、产品技术指标等方面，对上海示范线GTO 变流器与新一代大功率IGCT 变流器进行对比。

4.1 拓扑结构

上海示范线采用高功率变流器，由两个7.5MVA 变流器模块组成，拓扑结构采用的是非四象限运行的能耗制动方式，节能效果差。每个变流器模块的整流装置由一个三相不可控整流桥和一个三相全控桥组成，故一个高功率变流器的整流侧由四个整流桥串联输出12 脉冲的直流电压，因为存在不可控整流桥，其谐波污染严重。

针对如上问题，新一代大功率IGCT 变流器采用了四象限、ANPC 拓扑结构的IGCT 大功率变流器，该拓扑结构功率器件功率损耗低，可实现制动能量回馈，节能效果好。整流侧采用可控整流，谐波污染小。

4.2 功率器件性能

上海示范线GTO 变流器，其元件面临淘汰，且GTO具有非均匀关断特性，需要较为庞大的缓冲（吸收）电路，导致体积重量增加，同时降低了可靠性。

IGCT 功率器件将IGBT 与GTO 的优点结合起来，其容量与GTO 相当，但开关速度比GTO 快10 倍，器件损耗低，而且可以省去GTO 应用时庞大而复杂的缓冲电路，门极驱动电路集成在IGCT 内，体积小、重量轻，抗干扰能力强，已取代GTO 成为大功率电力电子设备的主流功率元件[4]。

4.3 性能指标

新一代大功率牵引变流器，其输出容量、输出频率、功率密度等主要技术指标较上海示范线GTO 变流器均有大幅提升，且满足时速600 公里的运行需求，其指标对比如表1 所示。

表1 上海示范线与新一代高速磁浮变流器技术指标对比

5 结论

上海示范线牵引功率模块采用4.5kV/4kA GTO 元件，拓扑为三电平中点箝位结构，功率密度低，最大功率仅15.6MVA，且无法实现回馈制动；新一代磁浮系统功率模块采用4.5kV/4kA IGCT 元件，拓扑为三电平有源中点箝位结构，损耗低、效率高，功率密度大，最大容量可达24MVA，可实现全制动功率回馈，适合时速600 公里以上速度等级的超高速磁浮牵引系统。