基于电源流变换器的超高速电磁驱动供电系统及控制方法与流程

1.本发明属于电磁驱动供电技术领域，具体涉及了一种基于电源流变换器的超高速电磁驱动供电系统及控制方法。


背景技术：

2.随着世界科技竞争日益激烈，地面交通设备的运行速度正朝着越来越快的方向发展。而高速和超高速地面交通技术研发，需要完成连续动态过程空气动力学特性测试、运载工具高速稳定性测试以及会车、过隧道等非对称流动过程特性测试，这些测试的开展严重依赖地面超高速试验设施。
3.现有的适用于高速地面交通研发的试验设施主要有风洞和动模型试验装置：风洞主要用于列车稳态气动特性测试，其难以完成动态过程气动特性模拟以及会车、过隧道等非对称流动性过程测试；动模型试验装置虽然能够模拟列车高动态以及会车、过隧道等过程，但其控制精度低，且难以满足未来时速1000公里高速列车测试需求。
4.为此，有学者提出采用电磁力为驱动力，利用直线电机搭载被试物按照预设的加速度和速度曲线高速运动以完成各类稳态和动态测试的地面超高速试验设施。为尽快使被试物达到指定运行速度，应在满足被试物要求前提下尽可能提高加速度，缩短直线电机距离，降低系统成本。这就要求电磁驱动系统提供足够大的功率，其电压高达10kv，电流可达10ka。然而，现有的功率半导体器件电压、电流标称值难以满足需求，应用时只能采用多只器件并联和多级功率模块串联的方式。此外，各类稳态和动态测试对速度、加速度等参数控制精度要求很高，这就需要超高速电磁驱动系统输出电压、电流波形质量高，谐波含量少。
5.为解决以上问题，相关文献分别提出了适用于电磁驱动系统供电的变换器电路拓扑：《ieee transactions on power electronics》2019年第34卷第1期的《power decoupling control for capacitance reduction in cascaded-h-bridge-converter-based regenerative motor drive systems》中提出采用级联h桥型电压源变流器作为电磁驱动系统变换器，但是当输出电压、电流达到10kv、10ka水平时，需要采用多只功率半导体器件并联，成本较高，此外，为降低输出电压谐波，需要提高功率半导体器件开关频率，损耗大，从而导致器件通流能力下降；《ieee journal of emerging and selected topics in power electronics》2019年第7卷第2期的《modulation schemes for medium-voltage pwm current source converter-based drives an overview》中提出采用两电平电流源变换器直接驱动电机，但是其输出电流谐波较大，难以满足超高速电磁驱动系统控制需求。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术中的上述问题，即现有电磁驱动系统供电的变换器开关频率高、通流能力弱、输出电流谐波大的问题，本发明提供了一种基于电源流变换器的超高速电磁驱动供电系统，该超高速电磁驱动供电系统包括以下模块：
7.储能装置与输入变压器原边连接端子a1、b1和c1连接，用于为超高速电磁驱动供
电系统提供能源；
8.输入变压器的副边和输出变压器的副边分别包括m个输入变压器副边绕组和m个输出变压器副边绕组，其中，第i个输入变压器副边绕组的三相电压相位滞后于输入变压器原边三相电压(60(i-1)/m)
°
，第i个输出变压器副边绕组的三相电压相位滞后于输出变压器原边三相电压(60(i-1)/m)
°
，1≤i≤m，m为正整数且60可被m整除；
9.m台电流源变换器中第i电流源变换器的输入与第i个输入变压器副边绕组分别连接至端子ui、vi和wi，m台电流源变换器中第i电流源变换器的输出与第i个输出变压器副边绕组分别连接至端子ai、bi和ci；
10.输出变压器原边连接端子a2、b2和c2与负载连接，用于向负载供电。
11.在一些优选的实施例中，所述第i电流源变换器包括第i整流侧、第i逆变侧和滤波电感l
idc
；
12.所述第i整流侧包括输入侧滤波器c
fi1
、功率半导体开关ti1、功率半导体开关ti2、功率半导体开关ti3、功率半导体开关ti4、功率半导体开关ti5和功率半导体开关ti6；
13.所述第i逆变侧包括输出侧滤波器c
fi2
、功率半导体开关si1、功率半导体开关si2、功率半导体开关si3、功率半导体开关si4、功率半导体开关si5和功率半导体开关si6。
14.在一些优选的实施例中，所述第i整流侧，其模块连接关系为：
15.输入侧滤波器c
fi1
分别连接至端子ui、vi和wi；
16.功率半导体开关ti1的阴极、功率半导体开关ti3的阴极和功率半导体开关ti5的阴极一起连接到滤波电感l
idc
的第一连接端；
17.功率半导体开关ti1的阳极和功率半导体开关ti4的阴极一起连接至端子ui，功率半导体开关ti3的阳极和功率半导体开关ti6的阴极一起连接至端子vi，功率半导体开关ti5的阳极和功率半导体开关ti2的阴极一起连接至端子wi；
18.功率半导体开关ti4的阳极、功率半导体开关ti6的阳和功率半导体开关ti2的阳极连接到一起。
19.在一些优选的实施例中，所述第i逆变侧，其模块连接关系为：
20.输出侧滤波器c
fi2
分别连接至端子ai、bi和ci；
21.功率半导体开关si1的阳极、功率半导体开关si3的阳极和功率半导体开关si5的阳极一起连接到滤波电感l
idc
的第二连接端；
22.功率半导体开关si1的阴极和功率半导体开关si4的阳极一起连接至端子ai，功率半导体开关si3的阴极和功率半导体开关si6的阳极一起连接至端子bi，功率半导体开关si5的阴极和功率半导体开关si2的阳极一起连接至端子ci；
23.功率半导体开关si4的阴极、功率半导体开关si6的阴极和功率半导体开关si2的阴极连接到一起，并与功率半导体开关ti4的阳极、功率半导体开关ti6的阳和功率半导体开关ti2的阳极连接到一起。
24.在一些优选的实施例中，所述输入侧滤波器c
fi1
包括三个以星形方式与端子ui、vi和wi连接的滤波电容。
25.在一些优选的实施例中，所述输出侧滤波器c
fi2
包括三个以星形方式与端子ai、bi和ci连接的滤波电容。
26.在一些优选的实施例中，所述超高速电磁驱动供电系统，其输入变压器的副边第i
个绕组和其对应的输出变压器的副边第i个绕组的三相电压相位相同。
27.本发明的另一方面，提出了一种基于电源流变换器的超高速电磁驱动供电系统的控制方法，基于上述的基于电源流变换器的超高速电磁驱动供电系统，该方法包括：
28.步骤s10，若超高速电磁驱动供电系统以输入变压器的副边第i个绕组线电压u
uwi
过零点为相位起始参考点，则跳转步骤s20；若超高速电磁驱动供电系统以逆变侧控制器下发的a2相电流参考值ia相位为零时作为相位起始参考点，则跳转步骤s30；
29.步骤s20，判断整流侧控制器下发的换相角θ的范围并执行：
30.若线电压u
uwi
相位为θ～θ 60
°
，则第i电流源整流器的功率半导体开关ti1导通、功率半导体开关ti2关断、功率半导体开关ti3关断、功率半导体开关ti4关断、功率半导体开关ti5关断、功率半导体开关ti6导通；
31.若线电压u
uwi
相位为θ 60
°
～θ 120
°
，则第i电流源整流器的功率半导体开关ti1导通、功率半导体开关ti2导通、功率半导体开关ti3关断、功率半导体开关ti4关断、功率半导体开关ti5关断、功率半导体开关ti6关断；
32.若线电压u
uwi
相位为θ 120
°
～θ 180
°
，则第i电流源整流器的功率半导体开关ti1关断、功率半导体开关ti2导通、功率半导体开关ti3导通、功率半导体开关ti4关断、功率半导体开关ti5关断、功率半导体开关ti6关断；
33.若线电压u
uwi
相位为θ 180
°
～θ 240
°
，则第i电流源整流器的功率半导体开关ti1关断、功率半导体开关ti2关断、功率半导体开关ti3导通、功率半导体开关ti4导通、功率半导体开关ti5关断、功率半导体开关ti6关断；
34.若线电压u
uwi
相位为θ 240
°
～θ 300
°
，则第i电流源整流器的功率半导体开关ti1关断、功率半导体开关ti2关断、功率半导体开关ti3关断、功率半导体开关ti4导通、功率半导体开关ti5导通、功率半导体开关ti6关断；
35.若线电压u
uwi
相位为θ 300
°
～θ 360
°
，则第i电流源整流器的功率半导体开关ti1关断、功率半导体开关ti2关断、功率半导体开关ti3关断、功率半导体开关ti4关断、功率半导体开关ti5导通、功率半导体开关ti6导通；
36.步骤s30，判断逆变侧控制器下发的a相电流参考值ia的范围并执行：
37.若ia相位为30
°
60(i-1)/m
°
～90
°
60(i-1)/m
°
，则第i台电流源逆变器的功率半导体开关si1导通、功率半导体开关si2关断、功率半导体开关si3关断、功率半导体开关si4关断、功率半导体开关si5关断、功率半导体开关si6导通；
38.若当ia相位为90
°
60(i-1)/m
°
～150
°
60(i-1)/m
°
，则第i台电流源逆变器的功率半导体开关si1导通、功率半导体开关si2导通、功率半导体开关si3关断、功率半导体开关si4关断、功率半导体开关si5关断、功率半导体开关si6关断；
39.若ia相位为150
°
60(i-1)/m
°
～210
°
60(i-1)/m
°
，则第i台电流源逆变器的功率半导体开关si1关断、功率半导体开关si2导通、功率半导体开关si3导通、功率半导体开关si4关断、功率半导体开关si5关断、功率半导体开关si6关断；
40.若ia相位为210
°
60(i-1)/m
°
～270
°
60(i-1)/m
°
，则第i台电流源逆变器的功率半导体开关si1关断、功率半导体开关si2关断、功率半导体开关si3导通、功率半导体开关si4导通、功率半导体开关si5关断、功率半导体开关si6关断；
41.若ia相位为270
°
60(i-1)/m
°
～330
°
60(i-1)/m
°
，则第i台电流源逆变器的功率
半导体开关si1关断、功率半导体开关si2关断、功率半导体开关si3关断、功率半导体开关si4导通、功率半导体开关si5导通、功率半导体开关si6关断；
42.若ia相位为330
°
60(i-1)/m
°
～360
°
60(i-1)/m
°
或60(i-1)/m
°
～30
°
60(i-1)/m
°
，若第i台电流源逆变器的功率半导体开关si1关断、功率半导体开关si2关断、功率半导体开关si3关断、功率半导体开关si4关断、功率半导体开关si5导通、功率半导体开关si6导通。
43.本发明的第三方面，提出了一种基于电源流变换器的超高速电磁驱动供电系统的控制设备，包括：
44.至少一个处理器；以及
45.与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，
46.所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述的基于电源流变换器的超高速电磁驱动供电系统的控制方法。
47.本发明的第四方面，提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的基于电源流变换器的超高速电磁驱动供电系统的控制方法。
48.本发明的有益效果：
49.本发明基于电源流变换器的超高速电磁驱动供电系统，整流侧功率半导体器件开关频率与输入变压器电压频率相等，逆变侧功率半导体器件开关频率与参考电流频率相等，具有开关频率低、通流能力强、电流谐波含量少以及控制精度高的优点。
附图说明
50.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
51.图1是本发明基于电源流变换器的超高速电磁驱动供电系统一种实施例的电路拓扑图。
具体实施方式
52.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
53.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
54.本发明的一种基于电源流变换器的超高速电磁驱动供电系统，该超高速电磁驱动供电系统包括以下模块：
55.储能装置与输入变压器原边连接端子a1、b1和c1连接，用于为超高速电磁驱动供电系统提供能源；
56.输入变压器的副边和输出变压器的副边分别包括m个输入变压器副边绕组和m个输出变压器副边绕组，其中，第i个输入变压器副边绕组的三相电压相位滞后于输入变压器原边三相电压(60(i-1)/m)
°
，第i个输出变压器副边绕组的三相电压相位滞后于输出变压
器原边三相电压(60(i-1)/m)
°
，1≤i≤m，m为正整数且60可被m整除；
57.m台电流源变换器中第i电流源变换器的输入与第i个输入变压器副边绕组分别连接至端子ui、vi和wi，m台电流源变换器中第i电流源变换器的输出与第i个输出变压器副边绕组分别连接至端子ai、bi和ci；
58.输出变压器原边连接端子a2、b2和c2与负载连接，用于向负载供电。
59.为了更清晰地对本发明基于电源流变换器的超高速电磁驱动供电系统进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各模块展开详述。
60.本发明第一实施例的基于电源流变换器的超高速电磁驱动供电系统，包括储能装置、输入变压器、m台电流源变换器和输出变压器，各模块详细描述如下：
61.储能装置与输入变压器原边连接端子a1、b1和c1连接，用于为超高速电磁驱动供电系统提供能源。
62.输入变压器的副边和输出变压器的副边分别包括m个输入变压器副边绕组和m个输出变压器副边绕组，其中，第i个输入变压器副边绕组的三相电压相位滞后于输入变压器原边三相电压(60(i-1)/m)
°
，第i个输出变压器副边绕组的三相电压相位滞后于输出变压器原边三相电压(60(i-1)/m)
°
，1≤i≤m，m为正整数且60可被m整除。
63.m台电流源变换器中第i电流源变换器的输入与第i个输入变压器副边绕组分别连接至端子ui、vi和wi，m台电流源变换器中第i电流源变换器的输出与第i个输出变压器副边绕组分别连接至端子ai、bi和ci。
64.第i电流源变换器包括第i整流侧、第i逆变侧和滤波电感l
idc
：
65.第i整流侧包括输入侧滤波器c
fi1
、功率半导体开关ti1、功率半导体开关ti2、功率半导体开关ti3、功率半导体开关ti4、功率半导体开关ti5和功率半导体开关ti6。
66.第i整流侧，其模块连接关系为：
67.输入侧滤波器c
fi1
分别连接至端子ui、vi和wi；
68.功率半导体开关ti1的阴极、功率半导体开关ti3的阴极和功率半导体开关ti5的阴极一起连接到滤波电感l
idc
的第一连接端；
69.功率半导体开关ti1的阳极和功率半导体开关ti4的阴极一起连接至端子ui，功率半导体开关ti3的阳极和功率半导体开关ti6的阴极一起连接至端子vi，功率半导体开关ti5的阳极和功率半导体开关ti2的阴极一起连接至端子wi；
70.功率半导体开关ti4的阳极、功率半导体开关ti6的阳和功率半导体开关ti2的阳极连接到一起。
71.输入侧滤波器c
fi1
包括三个以星形方式与端子ui、vi和wi连接的滤波电容。
72.第i逆变侧包括输出侧滤波器c
fi2
、功率半导体开关si1、功率半导体开关si2、功率半导体开关si3、功率半导体开关si4、功率半导体开关si5和功率半导体开关si6。
73.第i逆变侧，其模块连接关系为：
74.输出侧滤波器c
fi2
分别连接至端子ai、bi和ci；
75.功率半导体开关si1的阳极、功率半导体开关si3的阳极和功率半导体开关si5的阳极一起连接到滤波电感l
idc
的第二连接端；
76.功率半导体开关si1的阴极和功率半导体开关si4的阳极一起连接至端子ai，功率半导体开关si3的阴极和功率半导体开关si6的阳极一起连接至端子bi，功率半导体开关
si5的阴极和功率半导体开关si2的阳极一起连接至端子ci；
77.功率半导体开关si4的阴极、功率半导体开关si6的阴极和功率半导体开关si2的阴极连接到一起，并与功率半导体开关ti4的阳极、功率半导体开关ti6的阳和功率半导体开关ti2的阳极连接到一起。
78.输出变压器原边连接端子a2、b2和c2与负载连接，用于向负载供电。
79.输出侧滤波器c
fi2
包括三个以星形方式与端子ai、bi和ci连接的滤波电容。
80.超高速电磁驱动供电系统，其输入变压器的副边第i个绕组和其对应的输出变压器的副边第i个绕组的三相电压相位相同。
81.本发明第二实施例的基于电源流变换器的超高速电磁驱动供电系统的控制方法，基于上述的基于电源流变换器的超高速电磁驱动供电系统，该方法包括：
82.步骤s10，若超高速电磁驱动供电系统以输入变压器的副边第i个绕组线电压u
uwi
过零点为相位起始参考点，则跳转步骤s20；若超高速电磁驱动供电系统以逆变侧控制器下发的a2相电流参考值ia相位为零时作为相位起始参考点，则跳转步骤s30；
83.步骤s20，判断整流侧控制器下发的换相角θ的范围并执行：
84.若线电压u
uwi
相位为θ～θ 60
°
，则第i电流源整流器的功率半导体开关ti1导通、功率半导体开关ti2关断、功率半导体开关ti3关断、功率半导体开关ti4关断、功率半导体开关ti5关断、功率半导体开关ti6导通；
85.若线电压u
uwi
相位为θ 60
°
～θ 120
°
，则第i电流源整流器的功率半导体开关ti1导通、功率半导体开关ti2导通、功率半导体开关ti3关断、功率半导体开关ti4关断、功率半导体开关ti5关断、功率半导体开关ti6关断；
86.若线电压u
uwi
相位为θ 120
°
～θ 180
°
，则第i电流源整流器的功率半导体开关ti1关断、功率半导体开关ti2导通、功率半导体开关ti3导通、功率半导体开关ti4关断、功率半导体开关ti5关断、功率半导体开关ti6关断；
87.若线电压u
uwi
相位为θ 180
°
～θ 240
°
，则第i电流源整流器的功率半导体开关ti1关断、功率半导体开关ti2关断、功率半导体开关ti3导通、功率半导体开关ti4导通、功率半导体开关ti5关断、功率半导体开关ti6关断；
88.若线电压u
uwi
相位为θ 240
°
～θ 300
°
，则第i电流源整流器的功率半导体开关ti1关断、功率半导体开关ti2关断、功率半导体开关ti3关断、功率半导体开关ti4导通、功率半导体开关ti5导通、功率半导体开关ti6关断；
89.若线电压u
uwi
相位为θ 300
°
～θ 360
°
，则第i电流源整流器的功率半导体开关ti1关断、功率半导体开关ti2关断、功率半导体开关ti3关断、功率半导体开关ti4关断、功率半导体开关ti5导通、功率半导体开关ti6导通；
90.步骤s30，判断逆变侧控制器下发的a相电流参考值ia的范围并执行：
91.若ia相位为30
°
60(i-1)/m
°
～90
°
60(i-1)/m
°
，则第i台电流源逆变器的功率半导体开关si1导通、功率半导体开关si2关断、功率半导体开关si3关断、功率半导体开关si4关断、功率半导体开关si5关断、功率半导体开关si6导通；
92.若当ia相位为90
°
60(i-1)/m
°
～150
°
60(i-1)/m
°
，则第i台电流源逆变器的功率半导体开关si1导通、功率半导体开关si2导通、功率半导体开关si3关断、功率半导体开关si4关断、功率半导体开关si5关断、功率半导体开关si6关断；
93.若ia相位为150
°
60(i-1)/m
°
～210
°
60(i-1)/m
°
，则第i台电流源逆变器的功率半导体开关si1关断、功率半导体开关si2导通、功率半导体开关si3导通、功率半导体开关si4关断、功率半导体开关si5关断、功率半导体开关si6关断；
94.若ia相位为210
°
60(i-1)/m
°
～270
°
60(i-1)/m
°
，则第i台电流源逆变器的功率半导体开关si1关断、功率半导体开关si2关断、功率半导体开关si3导通、功率半导体开关si4导通、功率半导体开关si5关断、功率半导体开关si6关断；
95.若ia相位为270
°
60(i-1)/m
°
～330
°
60(i-1)/m
°
，则第i台电流源逆变器的功率半导体开关si1关断、功率半导体开关si2关断、功率半导体开关si3关断、功率半导体开关si4导通、功率半导体开关si5导通、功率半导体开关si6关断；
96.若ia相位为330
°
60(i-1)/m
°
～360
°
60(i-1)/m
°
或60(i-1)/m
°
～30
°
60(i-1)/m
°
，若第i台电流源逆变器的功率半导体开关si1关断、功率半导体开关si2关断、功率半导体开关si3关断、功率半导体开关si4关断、功率半导体开关si5导通、功率半导体开关si6导通。
97.所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的方法的具体工作过程及有关说明，可以参考前述系统实施例中的对应过程，在此不再赘述。
98.需要说明的是，上述实施例提供的基于电源流变换器的超高速电磁驱动供电系统及方法，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
99.本发明第三实施例的一种基于电源流变换器的超高速电磁驱动供电系统的控制设备，包括：
100.至少一个处理器；以及
101.与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，
102.所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述的基于电源流变换器的超高速电磁驱动供电系统的控制方法。
103.本发明第四实施例的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的基于电源流变换器的超高速电磁驱动供电系统的控制方法。
104.所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
105.本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术
方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
106.术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
107.术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
108.至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。