CN101306653A - 一种基于pwm整流器的牵引供电装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PWM整流器的牵引供电装置，该装置包括：变压器、整流器、控制板、上位机和开关电源；特征在于整流器采用PWM整流器，其功率开关管采用高集成度的智能功率模块，控制板中采用CPLD进行故障判断和脉冲封锁，并通过光纤接口传输6路PWM脉冲，驱动PWM整流器中功率开关管工作，上位机通过以太网接到控制板，并对整流器状态进行监控和故障诊断；该整流器采用基于同步旋转dq坐标系的电流解耦控制，利用锁相环获得电网电压同步角，然后分别对d轴电流和q轴电流进行PI调节，并用空间矢量脉宽调制的方法产生6路PWM脉冲。

Description

一种基于PWM整流器的牵引供电装置及控制方法

技术领域

本发明属于轨道交通牵引供电领域，具体涉及一种基于PWM整流器的牵引供电装置及控制方法。

背景技术

城市轨道交通是关系国计民生的重要行业，牵引供电为城市轨道交通提供电能，是这个领域的一个至关重要的环节。目前，城市轨道交通主要采用750V和1500V直流供电制式。一般采用12脉波或24脉波二极管整流，这种二极管整流器沿用至今已经有几十年历史，它的最大优点是装置结构简单、性能可靠，但是它也存在着直流电压不可控、电压波动大、对交流电网的谐波污染大的问题。此外，由于城轨车辆需要频繁的起动和制动，而在车辆快速启动时，需要的牵引功率大，由二极管整流输出的直流电压会迅速跌落；在车辆制动时，为了防止直流电压升高超过限制值，只能用电阻将制动能量消耗掉，造成能量的极大浪费。因此研制一种直流电压稳定、谐波污染小，并能够将制动能量反馈回交流电网的牵引供电装置具有重要意义。

发明内容

本发明提出一种基于PWM整流器(电压型)的牵引供电装置及控制方法，目的是为城市轨道交通车辆提供一种直流电压稳定，能够反馈制动能量，对交流电网谐波污染小，可靠性高的牵引供电电源，最大限度的实现节能减排。

本发明的技术方案如下：

一种基于PWM整流器的牵引供电装置，它由变压器、PWM整流器、控制板、上位机、开关电源五大部分组成。变压器的一次侧接交流电网，二次侧接PWM整流器的输入端，PWM整流器输出接直流接触网；整流器采用PWM整流器的功率开关管采用高集成度的智能功率模块，控制板中采用CPLD进行故障判断和脉冲封锁，并通过光纤接口传输6路PWM脉冲，驱动PWM整流器中功率开关管工作。

所述的PWM整流器包括：交流电感、交流滤波电容器、智能功率模块、熔断器、直流滤波电容器、A、B相电压传感器、直流电压传感器和直流电流传感器。构成PWM整流器的器件间的连接：

在变压器副边A和B相上分别接A相电压传感器和B相电压传感器；变压器副边接交流滤波电容，同时接交流滤波电感的一端，交流滤波电感的另一端分别接到三个智能功率模块的中点，三个智能功率模块的顶端并到一起接熔断器的一端，熔断器另一端接直流侧滤波电容的正端，正端上安装直流电流传感器三个智能功率模块的底端也并到一起接到直流支撑电容器的负端N；在正端和负端N之间连接直流电压传感器；交流电感、交流滤波电容器和电网侧变压器的漏感构成一个不对称T型滤波器。

所述的控制板包括：调理电路、故障检测电路、DSP、CPLD、存储器、光纤接口电路和以太网接口电路。具体连接关系为：调理电路输入与传感器连接，调理电路输出接DSP进行采样，同时接故障检测电路，故障检测电路输出接CPLD；DSP的PWM口接到CPLD，并经过CPLD接到光纤接口电路；此外，DSP与存储器通过I2C总线相连；DSP的数据线、地址线和读写信号线接以太网接口电路。

一种基于PWM整流器的牵引供电装置的控制方法，其该控制方法具体实施步骤为：

(1)检测两相交流电压，利用锁相环得到电网电压同步角；

(2)利用同步角，将检测的两相交流电流转换到同步旋转d-q坐标系，得到d轴电流和q轴电流；

(3)将直流电压给定值与实际检测的直流电压相减，并进行PI运算，得到电流环d轴电流的给定值，而q轴电流给定值取0；

(4)将(3)中的d轴电流给定值与(2)中的d轴电流相减，并进行PI运算，得到d轴控制电压；同理，将(3)中的q轴电流给定值与(2)中的q轴电流相减，并进行PI运算，得到q轴控制电压；

(5)将(4)中d轴控制电压和q轴控制电压变换到静止坐标系，得到α轴电压和β轴电压；

(6)利用α轴电压和β轴电压进行空间电压矢量脉宽调制，得到6路PWM脉冲。

本发明和已有技术相比所具有的有益效果：(1)采用PWM整流器，直流电压稳定、功率因数高、对电网谐波污染小，并且能量可以双向流动，能够将车辆制动能量反馈回交流电网供其它车辆使用，节能效果显著；(2)主电路中功率开关器件采用大功率、高集成度的智能功率模块，避免了多个小功率器件并联带来的电路结构和驱动电路复杂的问题，使主电路结构和驱动电路极大简化，装置可靠性提高；(3)采用CPLD进行故障判断和脉冲封锁，控制系统简化，保护速度快；(4)配备专门的上位机作为人机交互接口，方便对装置进行全面实时监控和故障诊断；(5)采用DSP基于同步旋转坐标系的电压电流双闭环控制方法，保证直流电压稳定、动态响应快。

附图说明

图1为基于PWM整流器的牵引供电装置组成框图

图2PWM整流器主电路

图3控制板电路

图4调理电路

图5故障检测电路

图6DSP电路

图7CPLD电路

图8光纤接口电路

图9以太网接口电路

图10存储器电路

图11基于同步旋转坐标系的电压电流双闭环控制原理图

图12软件锁相环原理图

具体实施方式

本实施例所述牵引供电装置，直流电压为750V，功率500kW。

本实施例所述牵引供电装置，如图1所示，该装置由变压器、PWM整流器、控制板、上位机、开关电源五大部分组成。变压器用于隔离和降压，变压器一次侧接交流电网，二次侧接PWM整流器；PWM整流器用于实现AC/DC功率变换，直流输出接到直流接触网，为轨道交通车辆提供直流供电电源；控制板通过检测PWM整流器交流侧电压电流和直流侧电压电流，完成相应的控制，发出6路PWM驱动脉冲，驱动PWM整流器中功率开关管工作，同时实施对装置的保护；上位机与控制板通过以太网双向连接，对装置进行控制，以及显示关键变量波形、进行数据存储和故障报警。

所述牵引供电装置中开关电源，主要用于为控制板供电，将输入的220V交流变为控制板提供5V、±15V、24V电源，该开关电源输出稳定、纹波小、可靠性高。

如图2所示，所述牵引供电装置中PWM整流器包括：交流电感、交流滤波电容器、智能功率模块、熔断器、直流滤波电容器、A、B相电压传感器、直流电压传感器和直流电流传感器。构成PWM整流器的器件间的连接：

在变压器副边A和B相上分别接A相电压传感器1和B相电压传感器2；变压器副边接交流滤波电容3，同时接交流滤波电感4的一端，交流滤波电感4的另一端分别接到三个智能功率模块5、6、7的中点，三个智能功率模块的顶端并到一起接熔断器8的一端，熔断器另一端接直流侧滤波电容10的正端P，正端P上安装直流电流传感器9三个智能功率模块的底端也并到一起接到直流支撑电容器C的负端N；在正端P和负端N之间连接直流电压传感器11；交流电感4、交流滤波电容器3和电网侧变压器的漏感构成一个不对称T型滤波器，相对于传统的仅有一个电感L的滤波器，滤波器阶数更高，滤波器整体体积大大减小，主要用于滤除交流电流中的开关频率次谐波电流，减小对电网的谐波污染。

所述牵引供电装置中变压器采用环氧树脂浇注干式变压器，一次侧输入电压10kV，采用星形连接，便于高压侧接地，二次侧输出电压420V，也采用星形连接，变压器容量500kVA。

交流滤波电容器3采用无极性电容，星型连接，电容耐压450VAC，容量为150uF。

智能功率模块5、6、7均采用西门康公司的SKiiP系列智能IGBT功率模块，参数1700V/2400A，型号为：SKiiP 2403GB173D。每个含有上下两个开关管，自带散热器，每个功率模块集成驱动、短路保护、电流传感器、温度传感器，光纤接口。功率模块之间通过无感母排连接，减小寄生参数对主电路的影响。每个模块可以流过数千安培的电流，方便使用、可靠性高。由于智能功率模块内部集成了电流传感器，所以不需要外加交流电流传感器就可得到两相交流电流i_a和i_b。

熔断器8采用Ferraz公司750V/1600A快速熔断器，型号为：A75P1600-4。且其安装位置特殊(在功率模块与直流支撑电容之间)，使得当功率模块贯穿短路或直流输出短路时都能够起保护作用，防止故障范围扩大。

直流侧滤波电容10的耐压为1200V，容量为20000uF，由多个400V耐压的电解电容串并联而成或多个薄膜电容并联而成的电容器组，用于滤除直流电压纹波，稳定直流电压。

A、B相电压传感器用于测量两相交流电压U_a和U_b，用于交流过欠压保护，以及软件锁相环。直流电压传感器都采用LEM公司1000V的电压传感器，型号为：AV100-1000；直流电流传感器采用LEM公司1000A的电流传感器，型号为：LT1005-S。

直流电压传感器11用于测量直流电压U_dc，进行闭环控制，稳直流电压。

直流电流传感器9用于测量直流输出电流I_dc，计算供电装置输出功率和直流短路保护。

上位机，其通过以太网与控制板中DSP进行通信和数据交换。该上位机采用工业计算机或便携式笔记本电脑，既能作为固定的系统监控装置，放置在供电站的监控室；也能用于初期的系统调试，记录和显示关键电量的波形，提高调试效率。该上位机中程序使用高级语言编写，实现数据存储、变量显示、谐波分析、电量计算、故障报警功能。

图3为所述牵引供电装置中控制板电路包括：调理电路、故障检测电路、DSP、CPLD、存储器、光纤接口电路和以太网接口电路。

控制板电路见图3至图10，其构成的各器件之间的连接关系如下，：

调理电路的输入端口U_a与A相电压传感器1相连，输入端口U_b与B相电压传感器2相连，输入端口I_a和I_b分别接到智能功率模块5和6的电流传感器输出端，输入端口I_dc与直流电流传感器9相连，输入端口U_dc直流电压传感器11相连，调理电路的输出端口Uai、Ubi、Iai、Ibi、Idci、Udci分别与故障检测电路的输入端口Uai、Ubi、Iai、Ibi、Idci、Udci依次连接，调理电路的输出端口ADUa、ADUb、ADIa、ADIb、ADIdc、ADUdc分别与DSP的输入端口ADUa、ADUb、ADIa、ADIb、ADIdc、ADUdc依次连接；

故障检测电路的端口DCOV、DCUV、ACUV、ACOV分别与CPLD的端口DCOV、DCUV、ACUV、ACOV依次连接；

DSP的端口PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、PWM6分别与CPLD的端口、PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、PWM6依次连接；

CPLD的端口XPWM1、XPWM2、XPWM3、XPWM4、XPWM5、XPWM6分别与光纤接口电路的端口XPWM1、XPWM2、XPWM3、XPWM4、XPWM5、XPWM6依次连接；纤接口电路的端口与智能功率模块连接；

DSP的端口ETH__/TEST、ETHBHEn、ETH__RST、ETH__ENn、ETH__IOR、ETH__IOW、XA1、XA2、XA3、XD0至XD15依次与以太网接口电路的端口ETH__/TEST、ETHBHEn、TH__RST、ETH__ENn、ETH__IOR、ETH__IOW、XA1、XA2、XA3、XD1至XD15相连接，DSP的端口SCL、SDA分别与存储器的SCL、SDA连接。

控制板中，包括RC低通滤波电路和加法电路，用于对来自PWM整流器中各传感器的电压和电流信号进行滤波，滤除高频干扰，并将信号变换到0-3V以内，然后送到DSP进行AD采样，同时也送到故障检测电路。

故障检测电路由比较器和电阻电容组成，其将来自调理电路的电压电流信号与设定保护值进行比较，并将比较输出的故障信号送到CPLD中；CPLD对所有故障信号进行逻辑处理，如果发生严重故障，立刻封锁脉冲，并给DSP的功率保护中断口PDPINT一个中断信号；DSP发出的PWM脉冲经过CPLD后送到光纤接口电路，再送到各智能功率模块，所以CPLD很容易实现硬件封锁脉冲的功能；所述存储器与DSP通过SPI总线相连，用于永久存储一些重要运行参数和系统信息，掉电不丢失；所述以太网接口电路与DSP通过数据线、地址线，以及少数控制线相连，用于实现与上位机的高速数据交换。

光纤接口电路由电阻、三极管、接口组成。

所述DSP采用TI公司的32位高性能数字信号处理器TMS320F2812，时钟频率150M；所述CPLD主要用于逻辑保护和脉冲封锁，采用Ateral公司的EMP3128A；所述以太网接口电路中主要包括一块10M以太网控制芯片，信号CS8900A；所述存储器采用非易失性铁电存储器，掉电后数据不丢失，其采用SPI总线与DSP进行数据交换，型号为：FM24CL64。DSP和CPLD采用同类器件，均能达到本发明的有益效果。

所述牵引供电装置中上位机采用工业控制计算机，CPU采用双核高性能处理器，保证运算速度；网卡采用100M以太网卡；配置了160G大容量硬盘，用于实时存储供电装置运行数据，以备将来查阅；采用不间断电源(UPS)对上位机供电，确保供电安全。

所述牵引供电装置中开关电源采用多个开关电源模块，提供4路隔离的稳定直流电压，包括1路5V，1路15V，1路-15V，1路24V，总额定功率约100W，输入220V交流电来自UPS。

如上所述一种基于PWM整流器的牵引供电装置，其中的PWM整流器控制采用基于同步旋转坐标系的电压电流双闭环控制，如图4所示，其中i_a、i_b为两相交流电流，u_a、u_b为两相交流电压。

该控制方法如图11所示，其具体实施步骤为：

(1)检测两相交流电压U_a和U_b，利用锁相环得到电网电压同步角θ。

(2)利用同步角θ，将检测的两相交流电流i_a和i_b转换到同步旋转d-q坐标系，得到d轴电流i_d和q轴电流i_q。

(3)将直流电压给定值U^* _dc与实际检测的直流电压U_dc相减，并进行PI运算，得到电流环d轴电流的给定值i_d ^*，而q轴电流给定值i_q ^*取0。

(4)将(3)中的d轴电流给定值i_d ^*与(2)中的d轴电流i_d相减，并进行PI运算，得到d轴控制电压V_d；同理，将(3)中的q轴电流给定值i_q ^*与(2)中的q轴电流i_q相减，并进行PI运算，得到q轴控制电压U_q。

(5)将(4)中U_d和U_q变换到静止坐标系，得到U_α和U_β。

(6)利用U_α和U_β进行空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)，得到6路PWM脉冲。

所述的PI控制都采用抗饱和PI调节器。

电压外环和电流内环的PI控制都采用抗饱和型数字PI调节器。

上述控制方法中，锁相环采用软件锁相环，原理如图12所示，其主要包括坐标变换、滤波、PI调节、积分四个部分。该锁相环工作流程是：利用当前同步角θ将静止坐标系下的两相交流电压U_a、U_b转换到同步旋转坐标系得到U_d、U_q，然后将q轴电压U_q送入滤波环节，滤除电网电压畸变或干扰引入的高频成分后，再与q轴电压给定值0进相减后进行PI调节，PI的输出作为对角频率的修正量Δω，加上工频角频率ω后进行积分，最后得到修正后的同步角θ。只要当前同步角θ经坐标变换得到的电网电压在旋转坐标系下的q轴分量不等于零，就表明当前同步角还未完全与电网电压同步，从而导致PI输出的角频率修正量Δω发生相应变化，并使输出的同步角θ也发生变化，闭环稳定时所得θ角即为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环而言，软件锁相环可以简化硬件电路，同时可以借助灵活的软件滤波措施增强对谐波干扰和电压畸变的抑制能力。

Claims (9)

1.一种基于PWM整流器的牵引供电装置，该装置包括：变压器、整流器、控制板、上位机和开关电源，开关电源为控制板提供电源；变压器的一次侧接交流电网，二次侧接整流器的输入端，整流器直流输出接直流接触网；其特征在于，整流器采用PWM整流器，其功率开关管采用高集成度的智能功率模块，控制板中采用CPLD进行故障判断和脉冲封锁，并通过光纤接口传输6路PWM脉冲，驱动PWM整流器中功率开关管工作。

2.根据权利要求1所述的一种基于PWM整流器的牵引供电装置，其特征在于，构成PWM整流器的器件之间的连接为：

在变压器副边A和B相上分别接A相电压传感器(1)和B相电压传感器(2)；变压器副边接交流滤波电容(3)，同时接交流滤波电感(4)的一端，交流滤波电感(4)的另一端分别接到三个智能功率模块(5、6、7)的中点，三个智能功率模块的顶端并到一起接熔断器(8)的一端，熔断器另一端接直流侧滤波电容(10)的正端(P)，正端(P)上安装直流电流传感器(9)三个智能功率模块的底端也并到一起接到直流支撑电容器(C)的负端N；在正端(P)和负端N之间连接直流电压传感器(11)；

交流电感(4)、交流滤波电容器(3)和电网侧变压器的漏感构成一个不对称T型滤波器。

3.根据权利要求1所述的一种基于PWM整流器的牵引供电装置，其特征在于，所述变压器采用环氧树脂浇注干式变压器，一次侧和二次侧均采用星形连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于PWM整流器的牵引供电装置，其特征在于，交流滤波电容器(3)采用无极性电容，星形连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于PWM整流器的牵引供电装置，其特征在于，所述的控制板包括：调理电路、故障检测电路、DSP、CPLD、存储器、光纤接口电路和以太网接口电路；具体连接关系为：调理电路输入与主电路中的传感器连接，调理电路输出接DSP进行采样，同时接故障检测电路，故障检测电路输出接CPLD；DSP的PWM脉冲输出口接到CPLD，并经过CPLD接到光纤接口电路；此外，DSP与存储器通过I2C总线相连；DSP的数据线、地址线和读写信号线接以太网接口电路。

6.根据权利要求1所述的一种基于PWM整流器的牵引供电装置，其特征在于，上位机与控制板通过以太网双向连接。

7.一种基于PWM整流器的牵引供电装置的控制方法，其特征在于，该控制方法具体实施步骤为：

(1)检测两相交流电压U_a和U_b，利用锁相环得到电网电压同步角θ；

(2)利用同步角θ，将检测的两相交流电流i_a和i_b转换到同步旋转d-q坐标系，得到d轴电流i_d和q轴电流i_q；

(3)将直流电压给定值U^* _dc与实际检测的直流电压U_dc相减，并进行PI运算，得到电流环d轴电流的给定值i_d ^*，而q轴电流给定值i_q ^*取0；

(4)将(3)中的d轴电流给定值i_d ^*与(2)中的d轴电流i_d相减，并进行PI运算，得到d轴控制电压U_d；同理，将(3)中的q轴电流给定值i_q ^*与(2)中的q轴电流i_q相减，并进行PI运算，得到q轴控制电压U_q。

(5)将(4)中U_d和U_q变换到静止坐标系，得到U_α和U_β；

(6)利用U_α和U_β进行空间电压矢量脉宽调制，得到6路PWM脉冲。

8.根据权利要求6所述的一种基于PWM整流器的牵引供电装置的控制方法，其特征在于，所述锁相环采用软件锁相环，该软件锁相环是利用当前同步角将静止坐标系下电网电压转换到同步旋转坐标系，然后将得到的q轴电压送入滤波环节滤除高频干扰，再与q轴电压给定值0相减后进行PI控制，PI的输出为角频率修正量Δω，加上工频角频率ω后进行积分，得到电网电压同步角θ。

9.根据权利要求6所述的一种基于PWM整流器的牵引供电装置的控制方法，其特征在于，所述的PI控制都采用抗饱和PI调节器。

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