超高速磁悬浮列车高频牵引变流器拓扑及控制策略研究

Ultra high speed maglev train can operate at speeds of 1,000 to 4,000 kilometers per hour, has potential application prospects in transportation, satellite launching and manned space flight in the future. Ultra high speed maglev train has high acceleration and large back EMF. The running speed of the maglev train is directly proportional to the output frequency of the traction converter. The traction converter is required to output high voltage, high current and high frequency. The control strategy of cascade topology combined with parallel technology can improve the voltage and current of converter. Due to the low switching frequency of high-voltage high-power power electronic devices, the maximum output frequency of the converter is limited. This project intends to study a high-power traction converter with high output frequency. The high output frequency has serious influence on the loss of converter and parameters of nonlinear component. This project is intended to include the following research contents: ① The circuit topology and its operating principle of the converter with high output frequency will be studied; ② The influence mechanism of the loss distribution of each switching device on high output frequency will be analyzed, and a loss balance control strategy will be proposed. ③The influence of high-frequency output on the circulating current of two converters will be analyzed, and a method of suppressing the circulating current of high-frequency traction converters with double-ended power supply will be proposed. The research results can promote the cross-convergence of power electronics, control theory and semiconductor materials, and it is expected to provide theoretical support for the practical application of ultra-high-speed maglev trains.

超高速磁悬浮列车理论运行时速可以达到1000-4000公里，未来在交通运输、卫星发射、载人航天等方面具有潜在的应用前景。超高速磁浮列车加速度高、反电动势大，且速度与牵引供电变流器频率成正比，要求牵引变流器输出高电压、大电流和高频率。现有级联拓扑的控制策略结合并联技术可以提高变流器电压和电流，但由于现有高压大功率电力电子器件开关频率低，限制了变流器的最大输出频率，高输出频率又对系统损耗、非线性元件参数产生严重影响。因此本项目拟开展以下研究：①研究具有高输出频率的大功率牵引变流器拓扑及其调制策略；②分析高输出频率对变流器开关器件损耗分布的影响，提出一种损耗均衡控制策略；③研究磁浮列车在双端供电方式下，高频输出对牵引供电系统环流的影响，提出一种环流抑制方法。研究成果能促进电力电子、控制理论和半导体材料等学科的交叉融合，有望为超高速磁悬浮列车实用化提供理论支撑。

超高速（≥1000km/h）磁悬浮列车理论上可以达到甚至超过3倍音速，在交通运输和航空航天等领域具有广泛的应用价值，超高速磁浮列车加速度高、反电动势大，速度与牵引供电变流器频率成正比，要求牵引变流器输出高电压、大电流和高频率。现有级联拓扑的控制策略结合并联技术可以提高变流器电压和电流，但由于现有高压大功率电力电子器件开关频率低，限制了变流器的最大输出频率，高输出频率又对系统损耗、非线性元件参数产生严重影响。本项目主要完成了以下三个方面的研究内容：.（1）提出了一种具有高输出频率的大功率牵引变流器拓扑及其调制策略，所提拓扑采用现有大功率电力电子器件，以三电平有源中点箝位H桥拓扑为基本单元，通过级联的方式，利用调制波移相的方法，实现了倍频输出，理论上该拓扑可以输出任意频率的电压，能够满足超高速运行磁悬浮列车对牵引供电变流器高电压、大电流、高输出频率的需求。.（2）基于所提出的拓扑和控制方法，研究了高输出频率对变流器开关器件损耗分布的影响，提出了一种损耗均衡控制策略，采用所提损耗均衡控制策略，进一步了提高变流器大功率器件的损耗均衡度，从而增大变流器输出容量。.（3）研究了超高速磁浮列车在双端供电方式下，系统延时时间、线路参数非线性变化等因素对高频输出对牵引供电系统环流的影响，提出了一种环流抑制方法，降低了牵引供电系统的能耗，提高了系统效率。.研究成果促进了电力电子技术、控制理论和大功率半导体材料等学科的交叉融合，为超高速磁悬浮列车实用化提供理论与技术支撑。