CN102074972A - 一种具有无功补偿功能的能馈式牵引供电装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种具有无功补偿功能的能馈式牵引供电装置及控制方法，该装置包括：一台双分裂变压器、两台大功率双向变流器、一个直流滤波电感和一个中央控制器。双分裂变压器每个副边绕组连接一台大功率双向变流器；两台大功率双向变流器的直流输出侧串联，直流滤波电感串接在第一台大功率双向变流器的直流正端输出与直流接触网之间；中央控制器通过CAN网络与两台大功率双向变流器互联。控制方法采用分层控制，中央控制器负责有功电流指令和无功电流指令的计算，两台大功率双向变流器根据有功电流指令和无功电流指令对其交流电流进行闭环控。本装置不仅能够满足地铁列车牵引供电和制动能量回馈的要求，还具有无功补偿功能，用以提高主变电站进线处功率因数。

Description

一种具有无功补偿功能的能馈式牵引供电装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种城市轨道交通牵引供电装置及控制方法，尤其指采用大功率双向变流器，能够同时满足列车的牵引供电、再生制动能量吸收，并具有交流中压电网无功补偿功能的牵引供电装置及控制方法。

背景技术

城市轨道交通可以缓解城市交通日益拥堵的现状，降低化石燃料的消耗，减少汽车尾气对空气的污染，实现节能减排，促进城市可持续发展。

当前城市轨道交通牵引供电仍采用基于二极管的供电装置。其特点是结构简单、成本较低，但是直流电压不可控，波动范围大，不利于列车性能的发挥；同时，能量只能单向传输，列车再生制动的多余能量不能回馈交流电网，需用制动电阻消耗掉，造成能量的白白浪费。此外，制动电阻发热还会导致隧道温度升高，增加环控系统的负担，造成能源的再消耗。利用大功率电力电子功率变换技术，研制一种具有能量回馈功能的牵引供电装置是城市轨道交通牵引供电未来发展趋势。

众所周知，无功在供电网络中传输，不仅会带来有功功率损耗，而且会造成电压损失，影响电能传输容量和质量。为此，电力企业会对客户端的功率因数进行考核，功率因数低于最低限值的用户会面临处罚。对于城市轨道牵引供电系统，白天高峰时段用电负荷大，电缆等效电容产生的无功所占总功率的比重相对较小，主变电站功率因数能维持0.9以上；但在非高峰时段或夜间休车时段，地铁用电负荷很小，不到高峰时段的1/10。大量电缆的等效电容产生的无功使得主变电站功率因数大大降低，严重时功率因数仅有0.4左右，大大低于电力企业规定的功率因数限值，因此迫切需要进行无功补偿。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有牵引供电装置直流电压波动范围大、制动能量不能回馈的不足，提供一种能够将制动能量回馈交流电网，同时还具有一定无功补偿能力的能馈式牵引供电装置及控制方法。

本发明解决其技术问题的技术方案如下：

一种具有无功补偿功能的能馈式牵引供电装置，其特殊之处在于它包括：

一台双分裂变压器，该变压器由一个原边绕组和两个副边分裂绕组组成，原边绕组接交流中压电网，采用星形连接，每个副边绕组连接一台大功率双向变流器，各副边绕组的连接方式相同，均采用三角形连接，变压器副边绕组具有较大的漏感，用于替代双向变流器交流侧滤波电感，减小系统体积。

第一台、第二台大功率双向变流器的直流输出侧串联连接，以获得较高的直流输出电压。直流滤波电感串接在第一台大功率双向变流器的直流正端输出与直流接触网之间。第二台大功率双向变流器的直流负端输出接钢轨。

一个中央控制器，其通过CAN网络与第一和第二大功率双向变流器互联。

一种具有无功补偿功能的能馈式牵引供电装置的控制方法，该控制方法采用分层控制，中央控制器负责有功电流指令和无功电流指令的计算，第一台和第二台大功率双向变流器根据有功电流指令和无功电流指令分别对各自交流电流进行闭环控。

有功电流指令的计算是通过检测直流接触网电压，并进行PI闭环控制得到。

无功电流指令计算式为：

$i_q^{\′}=-0.5\×\frac{Q}{1.5E_d}$

其中，Q为中央控制器接收的来自SCADA的主变电站进线处的无功功率值，Ed为变压器二次侧电压转换到同步旋转坐标系下的值。

第一和第二大功率双向变流器交流电流闭环控制方法采用基于同步旋转坐标系的电流解耦控制，实现对有功和无功的独立控制。

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，检测变压器原边电压互感器输出的两相交流电压，并进行锁相，得到电网电压同步角。

b，分别检测第一和第二大功率双向变流器的两相交流电流，并利用坐标变换转换到同步旋转坐标系，然后再根据有功电流指令和无功电流指令分别对d轴电流和q轴电流进行PI控制。

c，将d、q轴PI控制的输出用于空间矢量脉宽调制，产生六路驱动脉冲。

本发明与现有技术相比，具有的优点是：(将下述三段合并描述)

基于大功率双向变流器，一方面能够实现能量的双向传输：在列车牵引时，为列车提供能量；当列车制动时，将多余的制动能量反馈回交流电网，供其它负载使用，实现节能；另一方面，还可以利用双向变流器的完全可控的特性，向中压电网注入一定的感性或容性的无功，实现无功补偿的功能，提高主变电站进线处功率因数。整个装置功能完善，性价比高。

附图说明

图1具有无功补偿功能的能馈式牵引供电装置组成图。

图2无功电流指令计算流程图。

图3双向变流器控制原理框图。

图4中央控制器组成图。

具体实施方式

结合附图对本发明作进一步说明。

一种具有无功补偿功能的能馈式牵引供电装置，如图1所示，它包括：

一台双分裂变压器1，该变压器由一个原边绕组和两个副边分裂绕组组成，原边绕组接交流中压电网，采用星形连接，每个副边绕组连接一台大功率双向变流器，各副边绕组的连接方式相同，均采用三角形连接，变压器副边绕组具有较大的漏感，用于替代双向变流器交流侧滤波电感，减小系统体积。

第一台、第二台大功率双向变流器2、5的直流输出侧串联连接，以获得较高的直流输出电压。直流滤波电感3串接在第一台大功率双向变流器2的直流正端输出与直流接触网之间。第二台大功率双向变流器5的直流负端输出接钢轨。

一个中央控制器4，其通过CAN网络与第一台和第二台大功率双向变流器2、5互联。

双分裂变压器1，该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，两个双向变流器的交流侧通过变压器绕组实现隔离，为两台双向变流器直流侧串联创造必要条件。此外，经过特殊设计，使得变压器两个副边绕组具有较大的漏感，用以代替双向变流器工作所需交流电感，减小系统体积，为此该变压器的全穿越阻抗和半穿越阻抗取值范围通常在20％～50％之间即可满足要求。

本实施例中变压器采用环氧树脂浇注干式双分裂变压器，重量轻、耐火、阻燃、低噪声、寿命长；变压器容量1250kVA；变压器原边输入电压33kV，副边输出电压500V；原边采用星型连接，副边采用三角形连接，具体连接方式取Yd11d11。变压器全穿越阻抗为40％，半穿越阻抗为35％。

第一台和第二台大功率双向变流器2和5，本实施例是针对接触网额定电压为1500V的地铁牵引供电系统，因此每台大功率双向变流器的直流额定电压为750V。大功率双向变流器的主电路为传统的三相全桥两电平结构，主要包含功率开关管、直流支撑电容器、电压电流传感器、以及控制板(注：三相交流电感用变压器漏感替代)。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；直流支撑电容为30000μF；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，前者作用为采集大功率双向变流器交直流侧电压电流信号，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，接收中央控制器有功电流和无功电流指令。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模块，只需外加一个带隔离和保护的CAN收发器CTM1050T就能实现与中央控制器的CAN网络通信。单台大功率双向变流器额的定功率为500kW。直流滤波电感3的作用是滤除直流接触网电压中的高次谐波，减小接触网电压瞬时波动对大功率双向变流器直流侧的冲击。本实施例中，直流滤波电感采用空心电感，抗饱和能力强。电感量的选取需要考虑大功率双向变流器直流电容的大小，以使得LC截止频率远低于接触网高次谐波信号的频率。本例中，直流滤波电感典型取值为200μH。

中央控制器4，其一方面接收SCADA系统传来主变电站进线处的无功功率信息，用于计算补偿所需无功电流指令，另一方面检测直流接触网电压，用于计算有功电流指令，最后将有功电流指令和无功电流指令通过CAN网络传给两台大功率双向变流器。中央控制器由一个CPU最小系统、一个RS422通信接口、一个CAN通信接口，以及一个直流电压采集单元组成，如图4所示。本实施例中，CPU最小系统的CPU采用TI公司的数字信号处理器TMS320F2812。RS422通信接口采用MAXIM公司的专用芯片MAX1490。CAN通信接口采用自带隔离和保护的专用CAN收发器CTM1050T。直流电压采集单元由运算放大器、电阻电容，以及AD采样芯片组成，实现对直流电压的信号调理和AD采样，本实施例中运算放大器采用LM258，AD采样芯片采用AD9221。

一种具有无功补偿功能的能馈式牵引供电装置的控制方法，其特点是采用分层控制，即：中央控制器4负责有功电流指令i_d ^*和无功电流指令i_q ^*的计算，第一台和第二台大功率双向变流器2、5根据有功电流指令和无功电流指令对其交流电流进行闭环控制。

有功电流指令的计算是通过检测直流接触网电压，并进行PI闭环控制得到，目的是维持接触网电压稳定。

无功电流指令的计算是通过接收来自SCADA的主变电站进线处的无功功率值Q，然后除以1.5倍变压器二次侧电压Ed(同步旋转坐标系下的值)，将无功Q转换成与双分裂变压器二次侧电压对应的无功电流值；再乘以-1，得到需要补偿的总无功电流；最后乘以1/2，得到每台大功率变流器需要提供的无功补偿电流指令，计算流程图如图2所示。

无功电流指令计算式为：

$i_q^{\′}=-0.5\×\frac{Q}{1.5E_d}$

第一台和第二台大功率双向变流器的交流电流闭环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id和q轴电流iq进行闭环控制，实现对有功和无功的独立控制，控制原理框图如图3所示。

坐标变换是将采集的交流电流i_a和i_b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，最终用于驱动IGBT功率开关管。

图3所示的第一台和第二台大功率双向变流器基于同步旋转坐标系的电流解耦控制方法，实现步骤包括：

步骤一，检测双分裂变压器1原边电压互感器输出的两相交流电压u_a和u_b，并进行锁相，得到电网电压同步角θ。

第二，分别检测第一台和第二台大功率双向变流器的两相交流电流i_a和i_b，并利用坐标变换转换到同步旋转坐标系，然后再根据有功电流指令i_d ^*和无功电流指令i_q ^*分别对d轴电流i_d和q轴电流i_q进行PI控制。

第三，将d、q轴PI控制的输出用于空间矢量脉宽调制(SVPWM)，产生六路驱动脉冲。

Claims (5)

1.一种具有无功补偿功能的能馈式牵引供电装置，其特征在于，它包括：

一台双分裂变压器(1)，该变压器由一个原边绕组和两个副边分裂绕组组成，原边绕组接交流中压电网，采用星形连接，每个副边绕组连接一台大功率双向变流器，各副边绕组的连接方式相同，均采用三角形连接；

第一台、第二台大功率双向变流器(2、5)的直流输出侧串联连接，直流滤波电感(3)串接在第一台大功率双向变流器(2)的直流正端输出与直流接触网之间，第二台大功率双向变流器(5)的直流负端接钢轨；

中央控制器(4)通过CAN网络与第一台和第二台大功率双向变流器(2、5)互联。

2.根据权利要求1所述的一种具有无功补偿功能的能馈式牵引供电装置，其特征在于：双分裂变压器的全穿越阻抗和半穿越阻抗取值范围为20％～50％。

3.根据权利要求1所述的一种具有无功补偿功能的能馈式牵引供电装置，其特征在于：第一台和第二台大功率双向变流器(2、5)的功率开关管选用智能功率模块。

4.一种权利要求1所述的一种具有无功补偿功能的能馈式牵引供电装置的控制方法，其特征在于：采用分层控制，中央控制器负责有功电流指令和无功电流指令的计算，第一台和第二台大功率双向变流器(2、5)根据有功电流指令和无功电流指令对其交流电流进行闭环控；

有功电流指令的计算是通过检测直流接触网电压，并进行PI闭环控制得到；

无功电流指令计算式为：

$i_q^{\′}=-0.5\×\frac{Q}{1.5E_d}$

其中，Q为中央控制器接收的来自SCADA的主变电站进线处的无功功率值，E_d为双分裂变压器(1)二次侧电压转换到同步旋转坐标系下的值；

第一台和第二台大功率双向变流器(2、5)交流电流闭环控制方法采用基于同步旋转坐标系的电流解耦控制，实现对有功和无功的独立控制。

5.根据权利要求4所述的一种具有无功补偿功能的能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，包括下列步骤：

步骤一，检测双分裂变压器(1)原边电压互感器输出的两相交流电压，并进行锁相，得到电网电压同步角；

步骤二，分别检测第一台和第二台大功率双向变流器(2、5)的两相交流电流，并利用坐标变换转换到同步旋转坐标系，然后再根据有功电流指令和无功电流指令分别对d轴电流和q轴电流进行PI控制；

步骤三，将d、q轴PI控制的输出用于空间矢量脉宽调制，产生六路驱动脉冲。

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