CN101249806A - 一种模块化的能量回馈式牵引供电装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种模块化的能量回馈式牵引供电装置及控制方法，该装置包括：一台多绕组变压器、多个PWM整流器单元和一个中央控制器。多绕组变压器有一个原边绕组，多个副边绕组，且所有副边绕组连接方式相同；变压器的每个副边绕组连接一个PWM整流器单元；所有PWM整流器单元的直流输出都并联到整个供电装置的直流母线上。控制上采用电压电流双闭环控制，直流电压外环设置在中央控制器上，基于同步旋转坐标系的电流内环设置在各PWM整流器单元上。本供电装置具有易于模块化、容量大、能量双向传输、功率因数高、电流谐波小和直流电压稳定之显著优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种牵引供电装置及控制方法，尤其指采用多个PWM整流器并联、具有能量回馈功能的牵引供电装置及控制方法。
背景技术
发展城市轨道交通，有利于缓解城市交通日益拥堵的现状，有利于改善城市人居环境、促进城市可持续发展。
目前，中国地铁和轻轨的牵引供电装置采用传统的二极管整流器，供电电压主要为750V或1500V。这种二极管整流器虽然结构简单、成本较低，但也存在一些固有缺点：首先是车辆制动时的能量不能回馈交流电网，对于需要频繁启动/制动的轨道车辆，无疑会造成大量的能量浪费；其次是输出电压波动大，车辆的启动、制动，以及交流输入电压的波动，都会造成直流输出电压的较大波动，不利于车辆全功率可靠运行。再次是车辆上需要配备笨重的制动电阻，不利于车辆轻型化，还带来散热的问题；此外，其对交流电网谐波污染也比较大。采用PWM整流器能够克服二极管整流器的以上诸多缺陷，但是单台PWM整流器容量难以做到数兆瓦，况且单台容量太大也不利于供电系统容量的灵活配置，还会降低供电的可靠性。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种模块化的能量回馈式牵引供电装置及控制方法，采用多个模块化的PWM整流器并联，既满足大容量要求，又可提高供电的冗余性和可靠性。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
一种模块化的能量回馈式牵引供电装置，其特殊之处在于它包括：
一个多绕组变压器，该变压器由一个原边绕组和多个副边绕组组成，原边绕组接交流电网，采用星形连接，每个副边绕组连接一个PWM整流器单元，各副边绕组的连接方式相同，均采用三角形连接；
多个PWM整流器单元，所有整流器单元的直流输出都并联到直流母线上作为为该供电装置的总输出；
一个中央控制器，该中央控制器与各PWM整流器单元通过CAN网络互联。
一种基于模块化的能量回馈式牵引供电装置的控制方法，其特殊之处在于：
在中央控制器上设置一个直流电压环，控制直流输出电压稳定，每个PWM整流器单元设置交流电流内环，控制流经各PWM整流器单元交流电流，交流电流内环采用基于同步旋转坐标系的电流解耦控制方法，将电流转换到同步旋转dq坐标系后分别对d轴电流和q轴电流进行PI控制，d轴电流的给定值由中央控制器上的直流电压外环的输出决定，q轴电流给定为0；
中央控制器通过控制投入运行的PWM整流器单元的数量、开关频率，进行运行效率优化，通过调节各PWM整流器单元的d轴电流分配系数，实现功率均分；
采用错时空间矢量脉宽调制减小交流电流谐波。
本发明与现有技术相比，具有的优点是：本发明提出了一种模块化的能量回馈式牵引供电装置及控制方法，采用多个模块化的PWM整流器并联，既满足大容量要求，又可提高供电可靠性；该供电装置特殊的电路结构，使之易于模块化设计，方便扩容，系统可靠性提高，并且能量能够双向流动，车上无需制动电阻，直流电压稳定，交流电流谐波含量小。
附图说明
图1模块化的能量回馈式牵引供电装置组成图
图2PWM整流器单元控制原理框图
图3传统PWM整流器控制原理框图
图4中央控制器工作原理图框图
图5实施例供电装置系统组成图
图6软件锁相环原理图
具体实施方式
本发明提出的一种模块化的能量回馈式牵引供电装置，它包括：
一个多绕组变压器1，该变压器由一个原边绕组和多个副边绕组组成，原边绕组接交流电网，采用星形连接，每个副边绕组连接一个PWM整流器单元，各副边绕组的连接方式相同，均采用三角形连接；
多个PWM整流器单元2，所有整流器单元的直流输出都并联到直流母线上作为为该供电装置的总输出；
一个中央控制器3，该中央控制器与各PWM整流器单元通过CAN网络4互联。
所述的中央控制器包括一个直流电压传感器和一块CPU板，该CPU板含一个数字信号处理器和一个CAN通信接口。
各PWM整流器单元中功率开关管选用高集成度智能功率模块。
现结合附图详细描述本发明最佳实施例：
本实施例所述供电装置包括：一台三绕组变压器、两个PWM整流器单元，以及一个中央控制器，如图5所述。直流输出电压额定值为750V，系统总容量为1MW。
1.多绕组变压器
变压器的作用是将高压交流电压降到PWM整流器所需交流电压。同时，各PWM整流器单元的交流侧通过多绕组变压器实现隔离，在电气上阻断了PWM整流器单元之间的环流通路，提高了系统的可靠性。
本实施例中变压器采用环氧树脂浇注干式变压器，重量轻、耐火、阻燃、低噪声、寿命长；一个原边绕组，两个副边绕组，变压器容量1MVA；变压器原边输入电压10kV，副边输出电压400V；原边采用星型连接，以便于高压系统接地，副边采用三角形连接，可以短路3的倍数次谐波电流。变压器具体连接方式为Yd11d11。为了防止雷电干扰侵入供电装置，通常需要在变压器处加装防雷装置。
2.PWM整流器单元
由于本实施例所述供电装置直流电压为750V，因此各整流器单元的主电路结构选择传统两电平电路，主要包含功率开关管、三相交流电感L、直流支撑电容器C、电压电流传感器、以及控制板。功率开关管选择西门康公司的SKiiP系列智能功率模块，参数1700V/2400A，型号为：SKiiP 2403GB173D，该智能功率模块自带散热器、驱动、保护、温度传感器和电流传感器，使用方便，可靠性高；直流支撑电容C大小为30000uF；交流滤波电感L电感值为300uH；电压电流传感器采用LEM传感器；控制板上主要器件为一块数字信号处理器和一个CAN通信接口，作用为采集PWM整流器的电压电流信号，执行控制算法，产生PWM脉冲，驱动功率开关管工作，而CAN通信接口用于与中央控制器通信。控制板上的数字信号处理器采用TI公司的TMS320F2812，该处理器自带增强型CAN控制器，只需外加一个带隔离的CAN收发器CTM1050T就能实现与中央控制器的CAN网络通信。单个PWM整流器单元额定功率500kW。
如果直流电压为1500V，则PWM整流器单元主电路结构采用三电平电路。
3.中央控制器
中央控制器功能为控制直流电压稳定，以及优化整个供电装置的运行效率。所述的中央控制器由一个直流电压传感器和一块CPU板组成，该CPU板包括一块数字信号处理器和一个CAN通信接口。
上述直流电压传感器采用LEM传感器，其检测直流电压，用于对直流电压的闭环控制；上述CPU控制板上的数字信号处理器也采用TI公司的TMS320F2812，该处理器自带增强型CAN控制器，只需外加一个带隔离的CAN收发器CTM1050T就能实现与各PWM整流器单元的CAN网络通信。
一种用于模块化的能量回馈式牵引装置的控制方法，其中，各PWM整流器单元仅对电流进行闭环控制，控制方法采用基于同步旋转坐标系的电流解耦控制，分别对d轴电流和q轴电流进行闭环控制，实现对有功和无功的独立控制，且功率因数为1，控制原理框图如图2所示，其中，
数据采集是指对交流侧两相电流和两相电压进行AD采样。采集两相电流用于对电流闭环控制，采集两相电压则用于对电网电压进行软件锁相。
锁相是为获得电网电压同步角，可分为软件锁相和硬件锁相。本实施例采用的是软件锁相，其原理如图6所示，其主要包括坐标变换、滤波、PI控制、积分4个部分。工作流程是：先预设一个同步角，利用该同步角将静止坐标系下两相交流电压转换到同步旋转dq坐标系，并将q轴电压uq送入滤波环节，滤除电网电压畸变或干扰引入的高频成分，再与给定值0相减，然后进行PI调节，PI的输出作为对角频率修正量Δω，加上额定角频率ω后进行积分，得到新的同步角，再利用这个新的同步角重复以上步骤，闭环稳定时，所得同步角为电网电压同步角。只要旋转坐标系的d轴没有与电网电压矢量同步旋转且保持重合，则电网电压矢量在旋转坐标系的q轴分量就不等于零，导致角频率修正量Δω相应变化，直到d轴与电网电压矢量实现完全同步，此时输出的θ就是所需电网电压同步角。相对于传统依赖过零点检测的硬件锁相而言，软件锁相可以简化硬件电路，同时可以借助多种滤波增强对谐波干扰和电压畸变的抑制能力；
坐标变换是将采集的交流电流量从静止坐标系变换到旋转dq坐标系，得到d轴电流id和q轴电流iq。
PI控制指在同步旋转坐标系对电流给定值与电流实际反馈值进行数字PI运算，采用抗饱和PI控制。
脉冲产生则是将电流环PI的输出变换到两相静止坐标系，然后利用空间矢量脉宽调制算法产生PWM脉冲，最终被送到智能功率模块驱动IGBT开关管。
通信是PWM整流器单元通过CAN网络接收来自中央控制器的d轴电流给定值数据，并用于闭环控制；
图2所示PWM整流器单元基于同步旋转坐标系的电流解耦控制方法，主要实现步骤为：
第一，检测两相交流电压，进行锁相，得到电网电压同步角。
第二，检测两相交流电流，并转换到同步旋转坐标系，然后分别进行d轴电流和q轴电流的PI控制。
第三，将d、q轴PI调节器的输出用于空间矢量脉宽调制(SVPWM)，产生6路驱动脉冲。
传统的PWM整流器控制方法除了上述电流环外，通常还包括一个直流电压外环，如图3所示，电压外环的作用是保持PWM整流器直流电压稳定，但也正是这直流电压外环会使得PWM整流直流输出具有电压源特性，这种情况下多个PWM整流器并联可能发生严重不均流现象。为了实现多个PWM整流器并联正常工作，本发明提出了一种新的控制方法，特点是在各PWM整流器单元上不设置直流电压外环，仅有电流内环，从而使得各PWM整流器单元直流输出具有电流源特性，易于多个PWM整流器并联工作。但是为了稳定直流电压，必须对直流电压进行闭环控制，本发明将直流电压环设置在中央控制器上，该电压环PI输出乘以一个电流分配系数k(又称作：d轴电流分配系数)，再通过网络传输到各PWM整流器单元作为其d轴电流的给定值id *，如图4所示。正常情况下，两个PWM整流器单元各自分担一半负载，它们的d轴电流分配系数默认为k1＝k2＝0.5。但由于实际情况下，各PWM整流器单元主电路参数存在一定的差异，将导致在电流分配系数k相同的情况下，PWM整流器单元实际传输的功率相差可能会很大，不利于设备正常运行。因此，中央控制器需要根据各PWM整流器单元的实际传输功率，来适当调整电流分配系数k，使得各PWM整流器单元传输功率近似相等。例如，当检测到一个PWM整流器单元的运行功率明显大于另外一个PWM整流器单元时，就得适当减小前者的电流分配系数，而增大后者的电流分配系数，直到两个PWM整流器单元传输功率近似相等。
中央控制器还具备对各PWM整流器单元进行启停控制的功能。如果长时间整个供电装置都工作在空载或很小负载状态时，如小于1/8额定功率，就有必要仅启用一个PWM整流器单元工作，从而提高供电装置运行效率；
此外，中央控制器能够根据供电装置的运行功率状况对各PWM整流器单元开关频率进行调节。当负载较大时，不论是处于整流工况还是逆变工况，三相电流值较大，IGBT的开关损耗和导通损耗大，装置发热严重，减小开关频率是减小开关损耗，降低装置发热的有效途径，同时考虑到大功率时谐波电流所占的比重也相对减小，适当减小开关频率不会使系统总谐波比例增加。同理，负载较小时，由于装置的损耗较小，可以增大各PWM整流器单元的开关频率以减小交流电流谐波；对各PWM整流器单元的开关频率进行调节，目的是在能够满足相应谐波标准的情况下，优化系统运行效率。但是，各PWM整流器单元的开关频率必须同时进行调整。
对于N个PWM整流器并联工作的情况，采用一种错时空间矢量调制技术来大大减小交流电流谐波。该技术完全基于传统的空间矢量脉宽调制技术，脉冲产生方法也一样，其特点就是将各PWM整流器单元SVPWM调制点相互错开1/N个开关周期，使得各PWM整流器单元对应相电流的开关频率附近的谐波成分相互错开一定角度，叠加时能够相互抵消，从而大大减小总交流电流中的谐波成分。针对本实施例中两个PWM整流器单元并联的情况，所述错时空间矢量脉宽调制技术是以电网电压过零点为参考点，将两个PWM整流器单元的矢量调制点相互错开1/2个开关周期。
Claims (8)
1.一种模块化的能量回馈式牵引供电装置，其特征在于，它包括：
一个多绕组变压器(1)，该变压器由一个原边绕组和多个副边绕组组成，原边绕组接交流电网，采用星形连接，每个副边绕组连接一个PWM整流器单元，各副边绕组的连接方式相同，均采用三角形连接；
多个PWM整流器单元(2)，所有整流器单元的直流输出都并联到直流母线上作为为该供电装置的总输出；
一个中央控制器(3)，该中央控制器与各PWM整流器单元通过CAN网络(4)互联。
2.根据权利要求1所述的一种模块化的能量回馈式牵引供电装置，其特征在于：中央控制器(3)包括一个直流电压传感器和一块CPU板，该CPU板含一个数字信号处理器和一个CAN通信接口。
3.根据权利要求1所述的一种模块化的能量回馈式牵引供电装置，其特征在于，各PWM整流器单元中功率开关管选用高集成度智能功率模块。
4.一种实施权利要求1所述基于模块化的能量回馈式牵引供电装置的控制方法，其特征在于：
在中央控制器上设置一个直流电压环，控制直流输出电压稳定，每个PWM整流器单元设置交流电流内环，控制流经各PWM整流器单元交流电流，交流电流内环采用基于同步旋转坐标系的电流解耦控制方法，将电流转换到同步旋转dq坐标系后分别对d轴电流和q轴电流进行PI控制，d轴电流的给定值由中央控制器上的直流电压外环的输出决定，q轴电流给定为0；
中央控制器通过控制投入运行的PWM整流器单元的数量、开关频率，进行运行效率优化，通过调节各PWM整流器单元d轴电流分配系数，实现功率均分；
采用错时空间矢量脉宽调制减小交流电流谐波。
5.根据权利要求4所述的一种基于模块化的能量回馈式牵引供电装置的控制方法，其特征在于：所述基于同步旋转坐标系的电流解耦控制，采用下列步骤：
a，检测两相交流电压，进行锁相，得到电网电压同步角；
b，检测两相交流电流，并转换到同步旋转dq坐标系；
c，分别对d轴电流和q轴电流进行PI控制；
d，将d、q轴PI调节器的输出用于空间矢量脉宽调制，产生6路驱动脉冲。
6.根据权利要求4所述的一种基于模块化的能量回馈式牵引供电装置的控制方法，其特征在于：所述基于同步旋转坐标系的电流解耦控制所采用的锁相方法为软件锁相，包括坐标变换、滤波、PI控制、积分4个部分，其工作流程为，先初设一个同步角，利用该同步角将交流电压转换到同步旋转坐标系，然后将得到q轴分量送入滤波环节滤波，然后作为反馈量与给定值0相减进行PI调节，PI的输出作为对角频率修正量，加上额定角频率后进行积分，得到新的同步角，再利用这个新的同步角重复以上步骤，闭环稳定时，所得同步角即为电网电压同步角。
7.根据权利要求4所述的一种基于模块化的能量回馈式牵引供电装置的控制方法，其特征在于：所述运行效率优化表现为，负载较大时，减小各PWM整流器单元的开关频率或增加投入运行的PWM整流器单元数量；负载较小时，增大各PWM整流器单元的开关频率或减少投入运行的PWM整流器数量。
8.根据权利要求4所述的一种基于模块化的能量回馈式牵引供电装置的控制方法，其特征在于：所述错时空间矢量脉宽调制，是以某个时刻点为参考，将各PWM整流器空间矢量脉宽调制点相互错开1/N个调制周期，N为并联运行的PWM整流器单元数量。
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