200kW 1000Vac三电平地铁馈能逆变电源驱动方案
【行业背景】


       城市轨道交通相对于其他交通方式而言,具有安全、舒适、快速、运量大和节能环保等特点,但是伴随路网规模的扩大和客运量的剧增,城市轨道交通能源消耗总量也大幅增长,尤其是牵引供电所消耗的能源占到总消耗量的30%-40%。在国家节能减排政策的推动下,如何提高供电系统电能利用效率、降低供电总能耗成为研究的热点。

比如地铁在电动刹车制动时,能量会通过电机回馈至地铁牵引系统直流母线,造成直流母线电压升高。为稳定其母线电压,目前的方案包括制动电阻、电容储能、飞轮储能及逆变回馈等。其中再生制动能量逆变回馈装置可将能量回馈电网,节能效果好,且系统简单,投资小,得到越来越多的关注和应用。

再生制动能量逆变回馈装置,通过电力电子逆变技术,转换为可以为电网接受的交流电能,回馈到中压环网上,起到节能降耗的目的,同时保证直流接触网的安全,在回馈功能之外,还具有无功补偿和有源整流功能。

一般地铁采用750V或者1500V线路,传统逆变回馈装置采用两电平的拓扑,3300VIGBT模块,但是存在效率低,体积大,成本高的缺点。随着近年来市场不断发展,整机对于体积和成本要求越来越高,1700V EconoDUAL™封装模块的NPC I型三电平拓扑方案开始广泛应用起来。



【系统方案】

   

       针对750V或者1500V直流线路,采用1700V/EconoDUAL 封装模块的NPC I型三电平拓扑方案,可以带来以下好处:


  • 低成本  相比较IHM封装模块,EconoDUAL™模块价格低廉,模块成本可以降低近60%
  • 高频化  EconoDUAL™模块适合高频应用,采用NPC I型拓扑等效开关频率可以提高3-4
  • 体积小  该方案可以简化母排设计,结构更小,更紧凑;通过提高开关频率,大幅降低输出滤波器的体积,总体积可以降低近30-40%



 系统拓扑


NPC I型三电平储能变流器系统图)


  模块选型:

英飞凌EconoDUALTM3封装模块:FF600R17ME4

富士 Standard 2-Pack 封装模块:2MBI600VN-170P-50


驱动挑战:NPCI型三电平拓扑方案虽然有上述优势,但是在驱动技术层面存在两大技术难点:1,内外管关断时序问题:任何情况下,外管优先于内管关断,尤其是在短路故障或者欠压故障情况下。2,内管关断电压尖峰过高:由于拓扑结构比传统两电平复杂,内管存在大换流回路,实际模组设计母排杂散电感很大,很容易导致模块过压损坏。




【驱动方案】



     针对上述应用场合以及行业痛点,Firstack基于数字驱动技术,开发了专门针对EconoDUAL™封装模块 NPC I型三电平的智能驱动解决方案:基于2FSD0115+即插即用驱动器的三电平应用方案。

该方案由2FSD0115+B17(两电平版本)驱动器和2FSD0115+B17-3L(三电平版本)驱动器组成,单桥臂使用示意图如下:


外管模块AC在实际应用中,可以优先关断,且不存在关断电压尖峰过高的问题,所以采用通用的两电平版本:2FSD0115+B17

内管模块B在实际应用中,必须后于外管关断,且存在关断电压尖峰过高的问题,所以采用专用三电平版本:2FSD0115+B17-3L

2FSD0115+B17-3L(三电平版本)相比较2FSD0115+B17(两电平版本)最大区别在于具有“三电平模式”和“分级关断”功能:

1,        三电平模式:检测到故障(短路或者欠压),驱动板自己不立即封锁PWM,而是将故障信息上传到控制板,让控制板协调内外管的关断时序,控制板下发关断指令,驱动接收到关断指令再封锁PWM

2,        分级关断功能:主动过电压抑制技术,通过优化IGBT的关断过程,有效降低关断电压尖峰。

上述方案可以有效解决EconoDUAL 封装模块的NPC I型三电平拓扑中的应用难点,同时具有高可靠性“,“高性价比”,”使用方便“等特点。

具体技术详细介绍请参考《1140Vac中压三电平逆变IGBT驱动新方案》。




文档下载
产品说明书
2FSD0115+B17
应用手册
Econodual 模块NPC I型三电平驱动方案
测试报告
基于EconoDUAL封装模块的NPC I型三电平驱动测试报告