CN101362444A

CN101362444A - 一种混合式牵引供电装置及控制方法

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Publication number: CN101362444A
Application number: CNA2008101036787A
Authority: CN
Inventors: 刘志刚; 张钢; 沈茂盛; 赵明花; 卢西伟; 狄威; 贾利民; 牟富强; 王磊; 刁利军; 李哲峰; 林文立; 梅樱; 罗荣娅
Original assignee: BEIJING LIANYI TONGYI RAILWAY TRAFFIC TECHNOLOGY Co Ltd; Beijing Jiaotong University
Current assignee: BEIJING LIANYI TONGYI RAILWAY TRAFFIC TECHNOLOGY Co Ltd; Beijing Jiaotong University
Priority date: 2008-04-10
Filing date: 2008-04-10
Publication date: 2009-02-11
Anticipated expiration: 2028-04-10
Also published as: CN101362444B

Abstract

能够提高整个供电装置性能、降低成本的混合式的牵引供电装置。技术方案是：包括二极管整流机组(1)，其特征在于：还设置有PWM整流机组(5)和中央控制器，二极管整流机组和PWM整流机组在交流侧和直流侧相连，构成并联关系，中央控制器通过对二极管整流器机组的两相交流电压、两相交流电流、以及直流输出电压的检测，计算出PWM整流机组中各PWM整流器单元的d轴和q轴电流给定值，并通过CAN网络传输到PWM整流机组中各PWM整流器单元，实现对二极管整流器机组和PWM整流器机组进行协调控制。本发明还公开了该装置的控制方法。

Description

一种混合式牵引供电装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种供电变流装置及控制方法，尤其是指用于轨道交通车辆牵引供电的混合式牵引供电装置装置及控制方法。

背景技术

发展城市轨道交通，不仅是缓解城市交通拥堵的有效措施，也是改善城市人居环境、促进城市可持续发展的必然要求。

目前，我国城市轨道交通供电装置采用的是二极管整流器，供电电压为750V或1500V。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，但在“节能减排”和“大力发展城市轨道交通”逐渐提上日程的今天，其存在的一些不足之处也日益突显：

1、能量不能双向流动；车辆制动时的能量不能回馈电网，造成能量的大大浪费；

2、无输出电压调节功能，输出电压波动大；交流输入电压的波动，以及车辆不同运行工况间的切换，都会导致直流电压的较大波动(500-900V)，不利于车辆全功率可靠运行；

3、需要外加笨重制动电阻装置，不利于车辆轻型化。为了防止车辆制动能量导致直流电网电压超过限定值，目前普遍采用在车上配备制动电阻将制动能量以热能消耗掉；

4、对交流电网谐波污染较大。虽然通过增加二极管整流器的脉波数，可以大大减小输入电流谐波，但所需移相整流变压器设计复杂，所以目前二极管整流多采用24脉波。

PWM整流器具有能量双向流动，功率因数高，直流输出电压可调等诸多优点。因此，有人提出用PWM整流器简单替代现有牵引供电系统中二极管整流器，但是PWM整流器相对于二极管整流器电路结构和控制算法都非常复杂、成本大大增加、可靠性降低。此外，为了减小交流谐波，功率器件处于频繁的开关状态，若PWM整流器长期工作于大功率状态，能量损耗比较严重。

发明内容

本发明提出了一种混合式牵引供电装置及控制方法，该装置将二极管整流器机组和PWM整流器机组作为为一个有机整体，在控制上采用协调控制策略和等效调制频率倍增技术，使二极管整流器机组和PWM整流器机组的并联运行得以成功实现，并且大大提高整个供电装置性能，降低成本。

本发明的技术方案是：一种混合式牵引供电装置，包括二极管整流机组(1)，其特征在于：还设置有PWM整流机组(5)和中央控制器，二极管整流机组和PWM整流机组在交流侧和直流侧相连，构成并联关系，中央控制器通过CAN网络(9)与PWM整流机组中所有PWM整流器单元连接；中央控制器硬件包括五个传感器、一块信号调理板和一块CPU板，所述传感器包括2个交流电压传感器、2个交流电流传感器、一个直流电压传感器，交流电压传感器用于检测二极管两相交流电网电压u_a和u_b，交流电流传感器用于检测二极管整流机组的两相交流电流i_a和i_b，直流电压传感器用于检测直流电压U_dc，传感器的输出接到信号调理板；信号调理板由RC低通滤波电路和比例放大电路组成，信号调理板对来自传感器的信号进行滤波，并转换到工作电压范围后送到CPU板；CPU板由微处理器和一个CAN通信接口组成，CPU板对输入信号进行AD采样后，计算出PWM整流机组中各PWM整流器单元的d轴和q轴电流给定值，并通过CAN网络传输到PWM整流机组中各PWM整流器单元，实现对二极管整流器机组和PWM整流器机组进行协调控制；所有PWM整流器单元直流侧并联到一起，所述的PWM整流器单元(8)的控制部分由锁相环模块、坐标变换模块、PI调节模块、CAN网络通信接口模块以及脉冲产生模块组成，其中，锁相环模块、坐标变换模块、PI调节模块以及脉冲产生模块顺序连接，CAN网络通信接口模块与PI调节模块连接，接收来自中央控制器的电流给定值，锁相环采集PWM整流器单元的两相交流电压，获得同步角θ，然后将PWM整流器单元的交流电流转换到同步旋转的dq坐标系，再分别对d轴电流和q轴电流进行PI调节，并将其输出用于产生驱动脉冲。

所述的二极管整流机组采用24脉波二极管整流机组，其包括2台整流变压器(3)和4个二极管整流桥(4)，上述两台整流变压器为三绕组的移相式整流变压器，并采用延边三角形接法。

所述PWM整流机组中变压器有一个原边绕组，一个或多个副边绕组；只有一个副边绕组时各PWM整流器单元的交流侧直接相连，有多个副边绕组时各PWM整流器单元交流侧分别连接到一个副边绕组上。

所述PWM整流机组中PWM整流器单元主电路采用两电平或三电平拓扑。

一种混合式牵引供电装置的控制方法，其特征在于：中央控制器检测二极管整流机组的交流电流和直流电压，并得出PWM整流机组d、q轴电流给定值，PWM整流器单元采用基于同步旋转坐标系的电流解耦控制方法分别对d、q轴电流进行闭环控制，并采用调制频率倍增技术减小PWM整流器机组交流电流谐波。

PWM整流器机组d、q轴电流给定值计算将二极管整流器机组交流电流值转换到dq旋转坐标系，并从中分离出有功分量，及无功和谐波分量。

中央控制器通过检测二极管整流器机组直流电压和二极管整流器机组的交流电流，计算PWM整流器机组d、q轴电流给定值，从而控制PWM整流器机组工作在整流、逆变、以及对二极管整流器机组进行谐波和无功补偿状态。

中央控制器计算出的PWM整流器机组d、q轴电流给定值被N等分后用网络传到所有PWM整流器单元，N为PWM整流器单元数量。

各PWM整流器单元交流电流闭环控制采用基于同步旋转坐标系的电流解耦控制，具体步骤是，采集交流电压和交流电流，利用锁相环获得同步角，然后将交流电流转换到同步旋转的dq坐标系，再分别对d轴电流和q轴电流进行PI调节，并将其输出用于产生驱动脉冲。

将各个PWM整流器单元的脉宽调制点相互错开1/N个调制周期，N为PWM整流器单元数，使得整个PWM整流器机组的总电流谐波减小，频带加宽。

本发明的效果是：1、利用了二极管整流器简单可靠、开关损耗低的优点，车辆牵引所需功率主要由二极管整流器提供，当所需牵引功率迅速增大时，PWM整流器输出功率进行补充，防止直流电压跌落；2、车辆制动能量能够通过PWM整流器回馈交流电网，抑制直流电压升高，节约能量；3、PWM整流器具有谐波无功补偿功能，以减小二极管整流器注入交流电网谐波和无功；4、PWM整流器自动在不同工况间切换，确保了直流电压只在较小范围波动。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

附图说明

图1为本发明混合式供电装置电路框图；

图2为24脉波二极管整流机组电路框图；

图3为PWM整流机组电路框图；

图4为PWM整流器单元基于同步旋转坐标系的电流闭环控制原理图；

图5为传统PWM整流器双闭环控制原理图；

图6中央控制器电路框图。

具体实施方式

图1中，本实施例直流输出电压额定值为750V，整个供电装置由一个24脉波二极管整流机组、一个PWM整流机组和一个中央控制器组成。

图2是本实施例中24脉波二极管整流机组的电路图，其包括2台三绕组的移相式整流变压器和4个二极管整流桥。该整流变压器采用环氧树脂浇注干式变压器，变压器原边输入电压10kV，副边输出电压610V。变压器连接方式均采用Dy11d0，为了实现24脉波整流输出，两个变压器原边需采用延边三角形接法。

图3是本实施例中PWM整流机组的电路图。该PWM整流机组仅包括一台三绕组干式变压器和两个PWM整流器单元。

变压器采用环氧树脂浇注干式变压器，一个原边绕组，两个副边绕组，原边输入电压为10kV，副边输出电压420V，变压器连接方式为Yd11d11。为了防止雷电干扰侵入供电装置，需要在变压器原边处加装防雷装置。

PWM整流器单元主电路结构采用传统的两电平电路拓扑，其构件包括：6个功率开关管构成的三相桥电路、交流滤波电抗L、、直流侧支撑电容C、电压电流传感器，如图4所示。控制部分主要由以下几个功能块组成：锁相环、数据采集、坐标变换、PI控制、脉冲产生和通信接口。

中央控制器硬件包括五个传感器、一块信号调理板和一块CPU板，如图6所示。传感器用于将高压大电流转换为低压小电流信号，传感器的输出接到信号调理板；信号调理板对来自传感器的信号进行滤波，并转换到0-3V电压范围内后送到CPU板；CPU板对0-3V信号进行AD采样后，执行控制算法。上述传感器包括2个交流电压传感器、2个交流电流传感器、一个直流电压传感器；交流电压传感器用于检测两相交流电网电压u_a和u_b，交流电流传感器用于检测二极管整流机组的两相交流电流i_a和i_b，直流电压传感器用于检测直流电压U_dc，传感器安装位置如图1所示。上述信号调理板主要包括RC低通滤波电路和由运算放大器组成的比例放大电路；上述CPU板包括一个微处理器和一个CAN通信接口。整个中央控制器的作用是对二极管整流器机组和PWM整流器机组进行协调控制，输出电流控制指令(d轴和q轴电流给定值)，并通过CAN网络传到PWM整流机组中各PWM整流器单元。

图4给出了单个PWM整流器单元的控制原理，其采用的是基于同步旋转坐标系的电流解耦控制方法。具体工作步骤是：采集交流电压和交流电流，利用锁相环获得同步角θ，然后将交流电流转换到同步旋转的dq坐标系，再分别对d轴电流和q轴电流进行PI调节，并将其输出用于产生驱动脉冲。d轴电流给定值

和q轴电流给定值

都是经过CAN网络从中央控制器传来的。传统的PWM整流器控制方法除了上述电流环外，还包括一个直流电压外环，d轴电流的给定值由电压外环输出决定，如图5所示。电压外环的存在使得PWM整流器直流输出具有电压源特性，无法很好实现并联。本发明的独特之处在于，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，易于并联。

下面对中央控制器完成的控制方法进行说明。

中央控制器检测两相交流电网电压u_a和u_b用于软件锁相环，得到电网同步角θ。然后将二极管整流器机组两相交流电流i_a和i_b转换到同步旋转坐标系，得到i_d和i_q，i_d中直流成分为i_d0，交流成分i_dh。事实上，i_d0代表的是二极管整流器机组传送的有功分量，i_dh+i_q代表无功和谐波分量。设直流输出电压额定值为750V，允许±50V波动，PWM整流器机组d、q轴电流给定值

、

计算如下：

1.当直流电压U_dc在允许范围700V～800V之间时，PWM整流器机组传输有功功率，只用于消除二极管整流器机组的谐波和补偿无功，因此PWM整流器机组d轴电流给定值

i_{d}^{*} = - i_{dh}

，q轴电流给定值为

i_{q}^{*} = - i_{q}

；

2.当直流电压U_dc低于下限值700V时，说明车辆处于启动或大功率牵引工况，PWM整流器机组需要工作在整流状态，输出功率抑制直流电压进一步跌落。具体方法是以700V作为电压目标值进行闭环PI控制，PI调节器的输出限定为正值，并作为PWM整流器机组d轴电流给定值

，q轴电流给定值

取0。

3.当直流电压U_dc高于上限值800V时，说明车辆处于制动工况，PWM整流器需要工作在逆变状态，将制动能量反馈回交流电网，抑制直流电压继续升高。具体方法是以800V作为电压目标值进行闭环PI控制，PI调节器的输出限定为负值，并作为PWM整流器机组d轴电流给定值

，q轴电流给定值

取0。

各PWM整流器单元d、q轴电流的给定值等于上述

、

的1/N，N为PWM整流器单元的数量，本实施例N＝2。

本实施例中两个PWM整流器单元调制频率均为2kHz，针对本实施例中两个PWM整流器单元并联的主电路结构，还采用了一种新型的PWM调制技术——等效调制频率倍增技术，其只需要在传统空间矢量脉宽调制SVPWM基础上，以电网电压过零点为基准将两个PWM整流器单元矢量调制的时间点相互错开1/2个调制周期，就可以使本实施例中整个PWM整流机组等效调制频率变为4kHz，交流电流带宽增加，更容易对二极管整流部分低次谐波电流的消除和进行无功补偿。

以上所述仅为本发明的一个实施例而已，不能以之限定本发明的实施范围，故同类组件的置换，以及基本原理与本发明所述控制方法相同的控制方法，皆属本专利保护范围。

Claims

1、一种混合式牵引供电装置，包括二极管整流机组(1)，其特征在于：还设置有PWM整流机组(5)和中央控制器，二极管整流机组和PWM整流机组在交流侧和直流侧相连，构成并联关系，中央控制器通过CAN网络(9)与PWM整流机组中所有PWM整流器单元连接；中央控制器硬件包括五个传感器、一块信号调理板和一块CPU板，所述传感器包括2个交流电压传感器、2个交流电流传感器、一个直流电压传感器，交流电压传感器用于检测二极管两相交流电网电压u_a和u_b，交流电流传感器用于检测二极管整流机组的两相交流电流i_a和i_b，直流电压传感器用于检测直流电压U_dc，传感器的输出接到信号调理板；信号调理板由RC低通滤波电路和比例放大电路组成，信号调理板对来自传感器的信号进行滤波，并转换到工作电压范围后送到CPU板；CPU板由微处理器和一个CAN通信接口组成，CPU板对输入信号进行AD采样后，计算出PWM整流机组中各PWM整流器单元的d轴和q轴电流给定值，并通过CAN网络传输到PWM整流机组中各PWM整流器单元，实现对二极管整流器机组和PWM整流器机组进行协调控制；所有PWM整流器单元直流侧并联到一起，所述的PWM整流器单元(8)的控制部分由锁相环模块、坐标变换模块、PI调节模块、CAN网络通信接口模块以及脉冲产生模块组成，其中，锁相环模块、坐标变换模块、PI调节模块以及脉冲产生模块顺序连接，CAN网络通信接口模块与PI调节模块连接，接收来自中央控制器的电流给定值，锁相环采集PWM整流器单元的两相交流电压，获得同步角θ，然后将PWM整流器单元的交流电流转换到同步旋转的dq坐标系，再分别对d轴电流和q轴电流进行PI调节，并将其输出用于产生驱动脉冲。

2、如权利要求1所述的一种混合式牵引供电装置，其特征在于：所述的二极管整流机组采用24脉波二极管整流机组，其包括2台整流变压器(3)和4个二极管整流桥(4)，上述两台整流变压器为三绕组的移相式整流变压器，并采用延边三角形接法。

3、如权利要求1或2所述的一种混合式牵引供电装置，其特征在于：所述PWM整流机组中变压器有一个原边绕组，一个或多个副边绕组；只有一个副边绕组时各PWM整流器单元的交流侧直接相连，有多个副边绕组时各PWM整流器单元交流侧分别连接到一个副边绕组上。

4、如权利要求3所述的一种混合式牵引供电装置，其特征在于：所述PWM整流机组中PWM整流器单元主电路采用两电平或三电平拓扑。

5、一种如上述各权利要求之一所述的混合式牵引供电装置的控制方法，其特征在于：中央控制器检测二极管整流机组的交流电流和直流电压，并得出PWM整流机组d、q轴电流给定值，PWM整流器单元采用基于同步旋转坐标系的电流解耦控制方法分别对d、q轴电流进行闭环控制，并采用调制频率倍增技术减小PWM整流器机组交流电流谐波。

6、如权利要求5所述的混合式牵引供电装置的控制方法，其特征在于：PWM整流器机组d、q轴电流给定值计算将二极管整流器机组交流电流值转换到dq旋转坐标系，并从中分离出有功分量，及无功和谐波分量。

7、如权利要求5或6所述的混合式牵引供电装置的控制方法，其特征在于：中央控制器通过检测二极管整流器机组直流电压和二极管整流器机组的交流电流，计算PWM整流器机组d、q轴电流给定值，从而控制PWM整流器机组工作在整流、逆变、以及对二极管整流器机组进行谐波和无功补偿状态。

8、如权利要求7所述的混合式牵引供电装置的控制方法，其特征在于：中央控制器计算出的PWM整流器机组d、q轴电流给定值被N等分后用网络传到所有PWM整流器单元，N为PWM整流器单元数量。

9、如权利要求8所述的一种混合式牵引供电装置的控制方法，其特征在于：各PWM整流器单元交流电流闭环控制采用基于同步旋转坐标系的电流解耦控制，具体步骤是，采集交流电压和交流电流，利用锁相环获得同步角，然后将交流电流转换到同步旋转的dq坐标系，再分别对d轴电流和q轴电流进行PI调节，并将其输出用于产生驱动脉冲。

10、如权利要求9所述的一种混合式牵引供电装置的控制方法，其特征在于：将各个PWM整流器单元的脉宽调制点相互错开1/N个调制周期，N为PWM整流器单元数，使得整个PWM整流器机组的总电流谐波减小，频带加宽。