CN102267405B - 一种能馈型牵引供电装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能馈型牵引供电装置及其控制方法，包括多重化变压器，以及不少于两个的四象限变流器模块，能馈型牵引供电装置与二极管整流牵引机组并列布置，牵引供电装置的多重化变压器一次侧通过高压开关柜与交流中压电网相连，多重化变压器低压侧每套绕组都与一个四象限变流器模块交流侧相连，四象限变流器模块直流侧连接直流侧隔离开关后并联在一起，再通过直流开关柜和负极柜与直流母线相连，装置可根据需求，工作在牵引、回馈或SVG三种不同模式。本发明在满足电网兼容性要求的前提下，能与现有牵引供电系统兼容、成本适中，既可以解决再生制动能量回馈和稳定牵引网压的技术问题，又具备实时静态无功功率补偿能力。

Description

一种能馈型牵引供电装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统的供电装置及其控制方法，尤其是涉及一种具备牵引、回馈和SVG功能的能量回馈型牵引供电装置及控制方法，广泛应用于城轨轨道交通供电系统等各类相似的电力系统。

背景技术

随着城市化进程的加剧和人口流动性的加大，大力发展城市轨道交通成为缓解城市交通日益拥堵、改善城市人及环境和促进城市可持续发展的重要途径。

多年来，城市轨道交通供电系统一直采用二极管整流技术实现交流电源到直流牵引电源的转换，特别是采取24脉波整流技术后，与电网的谐波兼容问题得到较好的解决。该技术虽然可以较好的满足车辆牵引取流的需求，但是此类系统有几个问题：

一是只能实现能量的单向流动，车辆制动时产生的大量的多余再生能量仅有一部分被同网临近加速车辆吸收，大部分通过车载的或地面的制动电阻以发热的形式消耗，对于频繁起、制动的城轨车辆，无疑造成极大的能源浪费。

二是由于制动电阻的发热引发站台、地下隧道热量积累、温度上升，某些城轨系统隧道温度高达50度，不得不加大通风设备的容量，造成严重的二次能耗。

三是对于车载制动电阻模式，制动电阻增加车体自重造成的电能消耗可十分可观。

四是牵引网上同时在线运行的车辆有十几对甚至几十对，负荷的变化造成牵引网压波动严重，不利于车辆平稳、可靠运行。

五是按照近、远期规划以及每天客流变化情况，城轨供电系统存在负荷变化大的特点，当负荷较轻时或者夜间车辆停运无车取流时，由于交流输电电缆等效电容的存在使得系统出现无功倒送的问题，夜间功率因数非常低。在目前我国大力提倡节能降耗的形势下，城轨供电系统的发展进度已滞后列车车辆技术的发展，多个待建的城市轨道线路，如无锡、苏州、长沙、西安、深圳和广州等多条线路，都提出了对现有牵引供电系统进行技术改造的需求。

为了解决前再生回馈节能和稳定牵引网电压问题，研究人员提出了能量存储型及能量回馈型方案，甚至全PWM四象限变流器方案，为了解决牵引网轻载或空载情况下无功倒送问题，又额外增加了SVC、FC等设备。对于城市轨道交通测量再生制动能量的回收利用，有两种方式：能量存储型和能量回馈型。能量存储型按照储能元件的不同可以分为超级电容储能型、飞轮储能型以及电池储能型。超级电容储能型已经由西门子开发成功，但是由于超级电容本身的可靠性、价格等问题，应用的并不成功。飞轮储能型也在德国获得了应用，但是由于造价、维护费用以及对尖峰功率敏感性等问题，规模化应用的前景不被看好；电池储能型主要缺点在与电池的冲放电次数以及吸收数MW再生制动能量时需要配备的巨大体积。

能量回馈型牵引供电装置的主要组成部分是四象限变流器，采用的元件是已经在轨道交通、工业变流领域广泛、可靠应用多年的IGBT器件，整体成本适中，占地小，适合当前城轨供电系统使用。但是，这些设备成本都比较高，加上城市土地的稀缺，为解决某个问题就增加一类设备显然不利于提高城轨建设投资回报率，也不符合城市可持续发展的理念。现有技术中，主要存在以下几种方式的技术方案：

现有技术1为北京交通大学于2008年04月14日申请，并于2008年08月27日公开，公开号为CN101249806A的中国发明专利申请《一种模块化的能量回馈式牵引供电装置及其控制系统》。其公开的系统框图如图1所示，系统同样包含一台多绕组变压器21和多个PWM整流单元22，各PWM整流单元采用CAN网络24与中央控制器相连23。该系统能够实现牵引和再生能量回馈功能。但是该专利提出的模块化能量回馈式牵引供电装置体积非常大，同时成本高昂，非常不经济。该专利采用的调制方法是错时空间矢量脉宽调制，因此调制波数据更新频率与开关频率相同，且受到功率器件如IGBT本身的限制，一般为几kHz。

现有技术2为由国电南瑞科技股份有限公司王军等人于2007年12月30日发表在《城市轨道交通研究》2007年第12期的《城市轨道交通制动能量逆变回馈系统研究》一文中提出的采用超级电容储能和三相多电平回馈逆变器构成的制动能量回馈系统。如图2所示，该系统在回馈逆变器和牵引电网中间插入双向DC-DC环节将再生制动能量先存入超级电容器组中，之后再通过三相回馈逆变器将能量回馈到三相交流电网。虽然也有逆变器与交流电网相连，但在再生制动能量的处理上，是通过增加中间直流环节和超级电容实现的，因此从本质上来讲是属于超级电容储能的方案。

现有技术3为西门子目前应用的Sitras TCI装置。该套装置的英文全称为Thyristorcontrolled inverter for DC traction power supply，即应用于直流牵引系统的可控晶闸管逆变器，其系统构成如图3所示。系统由交流开关31，自耦变压器32，晶闸管单元33，电抗器34等组成。该系统只工作在逆变状态，将直流侧过多的车辆再生制动能量回馈到交流侧。该装置通过晶闸管逆变器和自耦变压器及其他附件可以将直流侧多余再生制动能量回馈到交流侧，但是由于采用的开关器件是晶闸管，因此其中压网侧谐波会比较大，功率因数比较低。事实上，使用此装置时必须在交流公共母线上增加滤波装置。日本也有过类似的晶闸管方案，但是使用过程中发现除上面提到的问题外，还会造成比较严重直流谐波问题，如果使用轨道传输信号的话，将影响信号的正常可靠传输。此外该装置不具备牵引和无功补偿功能。

发明内容

本发明的目的是提供一种能馈型牵引供电装置及其控制方法，该装置及其控制方法在满足电网兼容性要求的前提下，能与现有牵引供电系统兼容、成本适中，既可以解决再生制动能量回馈和稳定牵引网压的技术问题，又具备实时静态无功功率补偿能力。

本发明具体提供了一种能馈型牵引供电装置的具体实施方式，一种能馈型牵引供电装置，一种能馈型牵引供电装置，包括：多重化变压器，以及不少于两个的四象限变流器模块，能馈型牵引供电装置与二极管整流牵引机组并列布置，能馈型牵引供电装置的多重化变压器一次侧通过高压开关柜与交流中压电网相连，多重化变压器低压侧每套绕组都与一个四象限变流器模块交流侧相连，能馈型牵引供电装置还包括直流侧隔离开关，四象限变流器模块直流侧连接直流侧隔离开关后并联在一起，再连接至直流母线。

作为本发明一种能馈型牵引供电装置进一步的实施方式，能馈型牵引供电装置包括交流侧隔离开关和断路器，在多重化变压器低压侧绕组与每个四象限变流器模块的交流侧之间均串联有交流侧隔离开关和断路器；四象限变流器模块直流侧连接直流侧隔离开关后并联在一起，再通过直流开关柜和负极柜与直流母线相连。

作为本发明一种能馈型牵引供电装置进一步的实施方式，当能馈型牵引供电装置工作在牵引模式或是回馈模式时，能馈型牵引供电装置的四象限变流器模块控制装置采用基于模糊控制的双闭环控制，控制装置包括电流内环控制环节和电压外环控制环节，所有的四象限变流器模块共用电压外环控制环节，每个四象限变流器模块均有独立的电流内环控制环节，电压外环控制环节采用模糊控制方式。

作为本发明一种能馈型牵引供电装置进一步的实施方式，当能馈型牵引供电装置工作在SVG模式时，能馈型牵引供电装置的四象限变流器模块控制装置采用基于瞬时功率平衡的双闭环控制，控制装置包括电流内环控制环节和电压外环控制环节，所有的四象限变流器模块共用电压外环控制环节，每个四象限变流器模块均有独立的电流内环控制环节，电压外环控制环节采用抗饱和PI调节方式。

作为本发明一种能馈型牵引供电装置进一步的实施方式，能馈型牵引供电装置的多重化变压器原边采用三角型接法，多重化变压器采用轴向分裂式结构的变压器。

作为本发明一种能馈型牵引供电装置进一步的实施方式，能馈型牵引供电装置四象限变流器模块的6路IGBT触发脉冲采用载波移相正弦脉宽调制方式，能馈型牵引供电装置的每一个四象限变流器模块均配置有一台直流空心电抗器。

本发明还具体提供一种对能馈型牵引供电装置进行控制的方法的具体实施方式，一种能馈型牵引供电装置控制方法，包括以下步骤：

牵引运行模式步骤：当能馈型牵引供电装置工作在牵引模式时，能馈型牵引供电装置与原有牵引系统协同工作，改善二极管整流牵引机组的供电特性，在额定容量范围内维持直流母线的电压平稳，此时能馈型牵引供电装置内能量的流动方向是从交流中压电网流向直流母线；

回馈运行模式步骤：当能馈型牵引供电装置工作在回馈模式时，当能馈型牵引供电装置检测直流母线电压，当确定有车辆制动且直流母线电压超过设置的门槛值时，进入回馈模式，此时当能馈型牵引供电装置将多余的再生制动能量通过各重四象限变流器模块以及多重化变压器回馈到交流中压电网，此时能馈型牵引供电装置内能量的流动方向是从牵引直流母线流向交流中压电网；

SVG运行模式步骤：当能馈型牵引供电装置工作在SVG模式时，能馈型牵引供电装置自动断开直流侧隔离开关，将直流牵引网和当能馈型牵引供电装置隔离开来，确保直流牵引网对当能馈型牵引供电装置的运行不产生影响，此时当能馈型牵引供电装置作为无功功率发生器，补偿交流中压电网上的无功功率。

作为本发明一种能馈型牵引供电装置控制方法进一步的实施方式，当能馈型牵引供电装置工作在牵引模式或是回馈模式时，能馈型牵引供电装置的四象限变流器模块控制装置采用基于模糊控制的双闭环控制方式，控制方法包括电流内环控制过程和电压外环控制过程；当所述能馈型牵引供电装置工作在SVG模式时，能馈型牵引供电装置的四象限变流器模块控制装置采用基于瞬时功率平衡的双闭环控制方式，控制方法包括电流内环控制过程和电压外环控制过程。

作为本发明一种能馈型牵引供电装置控制方法进一步的实施方式，能馈型牵引供电装置工作在牵引模式或是回馈模式时，电压外环控制过程包括以下步骤：

S201：检测k时刻直流牵引网电压，并对其进行低通滤波，滤波后的值输出至电流给定模糊控制器；

S202：电流给定模糊控制器获得经低通滤波后的直流牵引网电压后，计算其绝对值、变化速率及变化方向，并根据模糊控制逻辑和直流指令电压的大小确定k+1时刻四象限变流器模块总有功电流指令值按照四象限变流器模块的个数确定每个变流器模块k+1时刻的有功电流指令值

所述的电流内环控制过程包括以下步骤：

S101：检测k时刻交流中压电网侧的交流电压和电流，并对其进行带通滤波，滤波后的电压送入锁相环模块中计算电网电压相位角，滤波后的电流则通过坐标变换得到对应的k时刻的交流中压电侧电流有功分量i_d和无功分量i_q，交流中压电网侧电压采集的是多重化变压器的原边电压；

S102：有功分量i_d、无功分量i_q，分别与有功电流给定值

无功电流给定值比较，其差值通过PI调节器，以及下式所示的控制算法得到k+1时刻的调制波指令值V_d、V_q；

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{Ri}}_d-\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_q=e_d-v_d\\ L\frac{{\mathrm{di}}_q}{\mathrm{dt}}+R{i}_q+\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_d=-v_q\end{array}\right.$

${\mathrm{Cv}}_{\mathrm{dc}}\frac{{\mathrm{dv}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}+\frac{v_{\mathrm{dc}}^2}{R_{\mathrm{dc}}}=\frac{3}{2}(v_d{i}_d+v_q{i}_q)$

其中，i_d，i_q分别为同步旋转坐标系d和q坐标下的网侧电流；e_d，e_q分别为同步旋转坐标系d和q坐标下的电网电压；V_d，V_q分别为同步旋转坐标系d和q坐标下的整流器网侧电压；v_dc为直流侧电压；

S103：对调制波指令值V_d、V_q与相应载波的当前值进行比较，从而输出四象限变流器模块用的触发脉冲。

作为本发明一种能馈型牵引供电装置控制方法进一步的实施方式，当能馈型牵引供电装置工作在SVG模式时，电压外环控制过程采用抗饱和PI调节控制，电流内环控制过程中每个四象限变流器模块的无功电流分量指令值

为对输入的补偿点电流i_aA，i_bA，i_cA进行坐标变换后产生，通过对能馈型牵引供电装置接入点无功电流的PI调节得到SVG要发出的目标无功电流量，并结合基于瞬时功率平衡的双闭环控制，对能馈型牵引供电装置接入点的无功电流进行双闭环控制。

通过实施本发明一种能馈型牵引供电装置及其控制方法的具体实施方式，配合原有二极管整流机组实现牵引供电，可以将轨道车辆产生的多余再生制动能量回馈到中压电网，还可以在夜间车辆停运时承担SVG的功能，兼具节能、环保、注入谐波小、安全可靠性高、可实现无级调节、动态响应好等多重优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术1一种模块化的能量回馈式牵引供电装置及其控制系统的电路原理图；

图2是现有技术2城市轨道交通制动能量逆变回馈系统的系统结构组成框图；

图3现有技术3西门子公司Sitras TCI装置的电气连接图；

图4是本发明能馈型牵引供电装置及其控制方法一种具体实施方式的电气连接结构框图；

图5是本发明能馈型牵引供电装置及其控制方法一种具体实施方式四象限变流器模块的电路原理模型图；

图6是本发明能馈型牵引供电装置及其控制方法一种具体实施方式四象限变流器模块纯电感特性运行的矢量控制图；

图7是本发明能馈型牵引供电装置及其控制方法一种具体实施方式四象限变流器模块单位功率整流运行的矢量控制图；

图8是本发明能馈型牵引供电装置及其控制方法一种具体实施方式四象限变流器模块纯电容特性运行的矢量控制图；

图9是本发明能馈型牵引供电装置及其控制方法一种具体实施方式四象限变流器模块单位功率逆变运行的矢量控制图；

图10是本发明能馈型牵引供电装置及其控制方法一种具体实施方式在牵引或回馈工作模式下的电压控制外环模块的结构原理框图；

图11是本发明能馈型牵引供电装置及其控制方法一种具体实施方式在牵引或回馈工作模式下的电流控制内环模块的结构原理框图；

图12是本发明能馈型牵引供电装置及其控制方法一种具体实施方式在SVG工作模式下的四象限变流器模块控制结构原理框图；

其中：1-能馈型牵引供电装置，2-二极管整流牵引机组，3-高压开关柜，4-直流开关柜，5-负极柜，6-原有牵引系统，11-多重化变压器，12-交流侧隔离开关组，13-断路器组，14-四象限变流器模块组，15-直流侧隔离开关组，21-多绕组变压器，22-PWM整流电源，23-中央控制器，24-CAN网络，31-交流开关，32-自耦变压器，33-晶闸管单元，34-电抗器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图4至附图12所示，给出了本发明能馈型牵引供电装置及其控制方法应用于城轨轨道交通供电系统的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图4上半部的虚线框所示，为本发明具体实施方式所提出的能馈型牵引供电装置主电路框图。其中，1为能馈型牵引供电装置，2为二极管整流牵引机组，3为高压开关柜，4为直流开关柜，5为负极柜，6为原有牵引系统，11为多重化变压器，12为交流侧隔离开关组，13为断路器组，14为四象限变流器模块组，15为直流侧隔离开关组。交流侧隔离开关组12包括QS1、QS2，…，QSn，共n个交流侧隔离开关；断路器组13包括QF1、QF2，…，QFn，共n个断路器；四象限变流器模块组14包括四象限变流器模块1、四象限变流器模块2，…，四象限变流器模块n，共n个四象限变流器模块；直流侧隔离开关组15包括QC1、QC2，…，QCn，共n个直流侧隔离开关。能馈型牵引供电装置1包括1台多重化变压器11以及多个四象限变流器模块，具体实施例中四象限变流器模块为n个，其中n≥2。整套装置与传统的二极管整流机组并列布置。能馈型牵引供电装置1的多重化变压器11一次侧通过高压开关柜QFac与交流中压电网相连，其低压侧每套绕组都与一个四象限变流器模块的交流侧相连，四象限变流直流侧连接直流侧隔离开关后并联在一起，再通过直流开关柜QFdc和负极柜QCdc与直流牵引母线相连。能馈型牵引供电装置1进一步包括交流侧隔离开关和断路器，在多重化变压器11低压侧绕组与每个四象限变流器模块的交流侧之间均串联有交流侧隔离开关和断路器。装置内的四象限变流器模块在其交、直流均配备了隔离开关，在某一重变流器发生故障时可以退出系统，不影响其他模块的正常工作。该系统的工作模式有3种：牵引模式、回馈模式和SVG模式。原有牵引系统6主要包括二极管整流牵引机组2和牵引变压器。整套能馈型牵引供电装置与城轨供电系统现有的牵引整流机组不发生直接联系，而是作为同等级设备挂在交流中压电网和直流牵引网之间。

本发明具体实施方式所描述的能馈型牵引供电装置是一种用于城轨牵引供电系统的新型电力电子设备，它可以配合原有二极管整流机组实现牵引供电，可以将轨道车辆产生的多余再生制动能量回馈到中压电网，还可以在夜间车辆停运时承担SVG的功能，是兼具多重功能的节能、环保设备。本发明技术方案不排斥原有二极管牵引整流机组，而是在其基础上，增加带有能馈功能的牵引供电装置，目的是改善牵引整流机组外特性，当线路负荷较重、直流网压较低时，在装置本身容量范围内尽可能的支撑网压，主要的牵引功能还是由原二极管牵引整流机组承担。装置采用多重化结构，运行时注入中压电网的谐波含量低于国家标准，与中压电网有较好的兼容性。装置选择了中压电网作为车辆再生制动电能馈入点，相比馈入低压(0.4kV)电网，中压电网短路容量够大，可以有效避免大功率脉冲式再生能量对馈入点电网电压的影响。如果馈入低压电网，必须有其他电能消耗设备(如电阻)来保证其电网电压波动在正常范围内。

该能馈型牵引供电装置1的核心是四象限电压源型PWM变流器，该类型变流器具有功率双向流动和功率因数可控的特性，当变流器从电网吸取电能时，它运行于整流状态；当变流器向电网回馈电能时，系统运行于有源逆变状态；当变流器的功率因数为非1时，可以给电网提供有源滤波和无功补偿等功用。图5为四象限变流器模块的电路原理模型图。在不考虑变流器本身的开关损耗，由功率平衡原理可得到：

ui＝u_dci_dc    (1)

式(1)中u、i、u_dc、i_dc分别为模型电路中交流侧电压、交流侧电流、直流侧电压和直流测电流。由式(3.1)可见：通过控制模型电路的交流侧，就可以控制其直流测；反之，控制模型电路的直流侧同样可以实现其交流侧的控制。

稳态状态下，忽略交流侧电阻和PWM谐波分量，则PWM变流器交流侧的矢量关系可用图9表示。取变流器的网侧电压源电压矢量U_i为参考矢量oo′，假设变流器的直流侧负载不变，则变流器交流侧的电流矢量I也不变，因此|U_L|＝ωL|I|同样固定不变，这时交流侧电压矢量U的端点运动轨迹构成了一个以|U_L|为半径的圆，控制矢量U落在该圆的不同区域，就可以实现变流器的四象限运行，如表1所示。

表1  PWM变流器四象限运行状态表

当能馈型牵引供电装置1工作在牵引模式时，装置与原有牵引系统6协同工作，改善二极管整流牵引机组2的供电特性，在额定容量范围内维持直流母线电压稳定。此时能量的流动方向是从交流中压电网流向直流母线，装置的网侧功率因数为1，对应的矢量图如图7所示。

当能馈型牵引供电装置1工作在回馈模式时，装置检测直流母线电压，当确定有车辆制动且直流母线电压超过设置的门槛值时，进入回馈模式，此时装置将多余的再生制动能量通过各重的IGBT PWM变流器以及多重化变压器11回馈到交流中压电网。此时，能量的流动方向是从牵引直流母线流向交流中压电网，且交流中压电网侧的功率因数为-1，对应的矢量图如图9所示。

当能馈型牵引供电装置工作在SVG模式时，装置将自动断开直流侧隔离开关QC1-QCn，将直流牵引网和装置隔离开来，确保直流牵引网对SVG运行不产生影响。此时，装置作为无功功率发生器SVG，补偿交流中压电网上端无功功率，对应的矢量图如图7或图8所示，至于是图7还是图8取决于补偿点的功率因数。装置自带SVG功能，可以用来解决夜间无车或车少时功率因数低的问题，而目前城轨供电系统对此采取的措施是额加设SVC、FC等设备进行补偿。因此采用本发明所描述的装置取消或大大减少了补偿设备。另外装置采用了基于瞬时无功电流PI控制的瞬时功率平衡的双闭环控制技术，与SVC、FC等设备相比具备无级调节、动态响应好等优点。

当能馈型牵引供电装置1工作在牵引模式或是回馈模式时，能馈型牵引供电装置1的四象限变流器模块控制装置采用基于模糊控制的双闭环控制，控制装置包括电流内环控制环节和电压外环控制环节，所有的四象限变流器模块共用电压外环控制环节，每个四象限变流器模块均有独立的电流内环控制环节，电压外环控制环节采用模糊控制方式。当能馈型牵引供电装置1工作在SVG模式时，能馈型牵引供电装置1的四象限变流器模块控制装置采用基于瞬时功率平衡的双闭环控制，控制装置包括电流内环控制环节和电压外环控制环节，所有的四象限变流器模块共用电压外环控制环节，每个四象限变流器模块均有独立的电流内环控制环节，电压外环控制环节采用抗饱和PI调节方式。

能馈型牵引供电装置1的多重化变压器11原边进一步采用三角型接法，多重化变压器11采用轴向分裂式结构的变压器，可以保证高压侧即原边绕组中的3次及3的倍数次谐波不进入公用电网。尤其是采用轴向分裂式结构的变压器，在某套变压器副边出现故障不会影响其他套组的正常工作。

能馈型牵引供电装置1四象限变流器模块的6路IGBT触发脉冲采用载波移相正弦脉宽调制方式，能馈型牵引供电装置1的每一个四象限变流器模块均配置有一台直流空心电抗器。采用载波移相正弦脉宽调制技术，其调制波更新频率与控制系统的计算速度相关而不是IGBT器件的开关频率，可以达到几十kHz乃至上百kHz，而且整体谐波指标和控制效果都有很大的提升。因此，整体谐波指标将优于错时采样空间矢量脉宽调制。另外在变流模块配置方面，每个模块均自带一台直流空心电抗器，从而延缓故障情况下直流电流上升率，既可以在牵引网发生短路类故障时保护变流器模块，又可以在模块发生故障时减小对牵引系统的影响。

作为本发明技术方案应用在城市轨道交通供电系统的一种典型实施方式，按照目前城轨供电系统的运行情况，能馈型牵引供电装置在白天有车运行时工作在牵引及回馈模式，在夜间无车运行时段工作在SVG模式。

作为本发明能馈型牵引供电装置控制方法的一种具体实施方式，能馈型牵引供电装置采用双闭环PWM四象限变流器控制策略，即电流内环，电压外环控制技术。由于存在多个共直流母线的变流器，因此系统采用共用电压外环、独立电流内环的结构。

如图10所示是直流电压外环控制器结构，其核心是决定各四象限变流器模块有功电流指令值的电流给定模糊控制器。模糊控制是智能控制的一种，此处引入模糊控制的原因在于线路上多对车辆同时运行，不同时刻反映到装置安装处的牵引功率和制动功率都不同，且变化情况不好预测，通常的PI调节的控制参数是通过试验，并折衷暂态和稳态过程以达到一种较满意的效果，这显然会影响其在大扰动或小扰动下的控制效果因此如果采用一般的线性控制策略不能及时准确的反映相关信息，因此采用模糊控制，其优势在于不需要知晓系统信息和其数序模型而在较宽的系统运行条件下进行有效控制，增加了系统的鲁棒性。

直流电压外环控制过程包括以下步骤：

S201：检测k时刻直流牵引网电压，并对其进行低通滤波，滤波后的值输出至电流给定模糊控制器；

S202：电流给定模糊控制器获得经低通滤波后的直流牵引网电压后，计算其绝对值、变化速率及变化方向，并根据模糊控制逻辑和直流指令电压的大小确定k+1时刻四象限变流器模块总有功电流指令值按照四象限变流器模块的个数确定每个变流器模块k+1时刻的有功电流指令值

各四象限变流器模块电流内环控制环节的框图如图11所示：

电流内环控制过程包括以下步骤：

S101：检测k时刻交流中压电网侧的交流电压和电流，并对其进行带通滤波，滤波后的电压送入锁相环模块中计算电网电压相位角，滤波后的电流则通过坐标变换得到对应的k时刻的交流中压电侧电流有功分量i_d和无功分量i_q，交流中压电网侧电压采集的是多重化变压器的原边电压；

S102：有功分量i_d、无功分量i_q，分别与有功电流给定值无功电流给定值

比较，其差值通过PI调节器，以及下式所示的控制算法得到k+1时刻的调制波指令值V_d、V_q；

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{Ri}}_d-\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_q=e_d-v_d\\ L\frac{{\mathrm{di}}_q}{\mathrm{dt}}+R{i}_q+\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_d=-v_q\end{array}\right.$

${\mathrm{Cv}}_{\mathrm{dc}}\frac{{\mathrm{dv}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}+\frac{v_{\mathrm{dc}}^2}{R_{\mathrm{dc}}}=\frac{3}{2}(v_d{i}_d+v_q{i}_q)$

其中，i_d，i_q分别为同步旋转坐标系d和q坐标下的网侧电流；e_d，e_q分别为同步旋转坐标系d和q坐标下的电网电压；V_d，V_q分别为同步旋转坐标系d和q坐标下的整流器网侧电压；v_dc为直流侧电压；

S103：对调制波指令值V_d、V_q与相应载波的当前值进行比较，从而输出四象限变流器模块用的触发脉冲。

如图12所示的四象限变流器模块运行在静态无功发生器(SVG)模式下的控制策略为：装置作为SVG运行时的主要目的是控制牵引系统中压电网接入点(如图4中所示的A点)处功率因数，也就是控制或补偿该接入点处的无功电流。为了使A点的无功电流最小，则通过采集A点的电流，利用瞬时无功理论进行有功和无功电流的分解得到其无功电流，因为SVG接入点在A点后，所以A点的电流中包括了SVG发出的电流，因此对A点无功电流的控制自然形成了一个闭环，通过对A点无功电流的PI调节得到SVG要发出的目标无功电流量，再结合基于瞬时功率平衡的双闭环控制策略，进行对无功电流的双闭环控制。

与前述牵引和回馈模式相比，当装置工作在SVG模式下时，控制方式有两点不同：

(1)控制系统仍采用共用电压外环、独立电流内环的结构，但是直流外环调节采用传统的抗饱和PI调节器，原因是直流侧隔离刀断开后，装置直流侧与直流牵引网已经没有联系，不存在直流牵引网带入的系统扰动，因此采用PI调节器进行调节。

(2)每个四象限PWM变流器的无功电流分量指令值

不再为0，它是通过对补偿点(如图4中所示的A点)电流进行采样滤波和坐标变换后得到的，装置的作用也正是补偿该点的无功功率，提高其功率因数。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种能馈型牵引供电装置，其特征在于：包括多重化变压器（11），以及不少于两个的四象限变流器模块，能馈型牵引供电装置（1）与二极管整流牵引机组（2）并列布置，能馈型牵引供电装置的多重化变压器（11）一次侧通过高压开关柜（3）与交流中压电网相连，多重化变压器（11）低压侧每套绕组都与一个四象限变流器模块交流侧相连，所述的能馈型牵引供电装置（1）还包括直流侧隔离开关，四象限变流器模块直流侧连接直流侧隔离开关（15）后并联在一起，再连接至直流母线；所述的能馈型牵引供电装置（1）还包括交流侧隔离开关和断路器，在多重化变压器（11）低压侧绕组与每个四象限变流器模块的交流侧之间均串联有交流侧隔离开关和断路器；四象限变流器模块直流侧连接直流侧隔离开关后并联在一起，再通过直流开关柜（4）和负极柜（5）与直流母线相连；当所述能馈型牵引供电装置（1）工作在牵引模式或是回馈模式时，能馈型牵引供电装置（1）的四象限变流器模块控制装置采用基于模糊控制的双闭环控制，控制装置包括电流内环控制环节和电压外环控制环节，所有的四象限变流器模块共用电压外环控制环节，每个四象限变流器模块均有独立的电流内环控制环节，电压外环控制环节采用模糊控制方式；当所述能馈型牵引供电装置（1）工作在SVG模式时，能馈型牵引供电装置（1）的四象限变流器模块控制装置采用基于瞬时功率平衡的双闭环控制，控制装置包括电流内环控制环节和电压外环控制环节，所有的四象限变流器模块共用电压外环控制环节，电压外环控制环节采用抗饱和PI调节方式；每个四象限变流器模块均有独立的电流内环控制环节，所述的电流内环控制过程中每个四象限变流器模块的无功电流分量指令值

为对输入的补偿点电流

进行坐标变换后产生，通过对能馈型牵引供电装置（1）接入点无功电流的PI调节得到SVG要发出的目标无功电流量，并结合基于瞬时功率平衡的双闭环控制，对能馈型牵引供电装置（1）接入点的无功电流进行双闭环控制。

2.根据权利要求1所述的一种能馈型牵引供电装置，其特征在于：所述能馈型牵引供电装置（1）的多重化变压器（11）原边采用三角型接法，多重化变压器（11）采用轴向分裂式结构的变压器。

3.根据权利要求1或2所述的一种能馈型牵引供电装置，其特征在于：所述能馈型牵引供电装置（1）四象限变流器模块的6路IGBT触发脉冲采用载波移相正弦脉宽调制方式，所述能馈型牵引供电装置（1）的每一个四象限变流器模块均配置有一台直流空心电抗器。

4.一种对权利要求1所述的能馈型牵引供电装置进行控制的方法，其特征在于，所述的控制方法包括以下步骤： 

牵引运行模式步骤：当能馈型牵引供电装置（1）工作在牵引模式时，能馈型牵引供电装置（1）与原有牵引系统（6）协同工作，改善二极管整流牵引机组（2）的供电特性，在额定容量范围内维持直流母线的电压平稳，此时能馈型牵引供电装置（1）内能量的流动方向是从交流中压电网流向直流母线；

回馈运行模式步骤：当能馈型牵引供电装置（1）工作在回馈模式时，当能馈型牵引供电装置（1）检测直流母线电压，当确定有车辆制动且直流母线电压超过设置的门槛值时，进入回馈模式，此时当能馈型牵引供电装置（1）将多余的再生制动能量通过各重四象限变流器模块以及多重化变压器（11）回馈到交流中压电网，此时能馈型牵引供电装置（1）内能量的流动方向是从牵引直流母线流向交流中压电网；

SVG运行模式步骤：当能馈型牵引供电装置（1）工作在SVG模式时，能馈型牵引供电装置（1）自动断开直流侧隔离开关，将直流牵引网和当能馈型牵引供电装置（1）隔离开来，确保直流牵引网对当能馈型牵引供电装置（1）的运行不产生影响，此时当能馈型牵引供电装置（1）作为无功功率发生器，补偿交流中压电网上的无功功率。

5.根据权利要求4所述的一种能馈型牵引供电装置控制方法，其特征在于，当所述能馈型牵引供电装置（1）工作在牵引模式或是回馈模式时，能馈型牵引供电装置（1）的四象限变流器模块控制装置采用基于模糊控制的双闭环控制方式，控制方法包括电流内环控制过程和电压外环控制过程；当所述能馈型牵引供电装置（1）工作在SVG模式时，能馈型牵引供电装置（1）的四象限变流器模块控制装置采用基于瞬时功率平衡的双闭环控制方式，控制方法包括电流内环控制过程和电压外环控制过程。

6.根据权利要求5所述的一种能馈型牵引供电装置控制方法，其特征在于，能馈型牵引供电装置（1）工作在牵引模式或是回馈模式时，所述的电压外环控制过程包括以下步骤：

S201：检测k时刻直流牵引网电压，并对其进行低通滤波，滤波后的值输出至电流给定模糊控制器；

S202：电流给定模糊控制器获得经低通滤波后的直流牵引网电压后，计算其绝对值、变化速率及变化方向，并根据模糊控制逻辑和直流指令电压

的大小确定k+1时刻四象限变流器模块总有功电流指令值

，按照四象限变流器模块的个数确定每个变流器模块k+1时刻的有功电流指令值

；

所述的电流内环控制过程包括以下步骤：

S101：检测k时刻交流中压电网侧的交流电压和电流，并对其进行带通滤波，滤波后的电压送入锁相环模块中计算电网电压相位角，滤波后的电流则通过坐标变换得到对应的k时刻的交流中压电侧电流有功分量

和无功分量

，交流中压电网侧电压采集的是多重化变压器的原边电压；

S102：有功分量

、无功分量

，分别与有功电流给定值

、无功电流给定值

比较，其差值通过PI调节器，以及下式所示的控制算法得到k+1时刻的调制波指令值

、

；

其中，

分别为同步旋转坐标系d和q坐标下的网侧电流；

分别为同步旋转坐标系d和q坐标下的电网电压；

分别为同步旋转坐标系d和q坐标下的整流器网侧电压；为直流侧电压；

S103：对调制波指令值

、

与相应载波的当前值进行比较，从而输出四象限变流器模块用的触发脉冲。

7.根据权利要求5或6所述的一种能馈型牵引供电装置控制方法，其特征在于，当所述能馈型牵引供电装置（1）工作在SVG模式时，所述的电压外环控制过程采用抗饱和PI调节控制，所述的电流内环控制过程中每个四象限变流器模块的无功电流分量指令值

为对输入的补偿点电流

进行坐标变换后产生，通过对能馈型牵引供电装置（1）接入点无功电流的PI调节得到SVG要发出的目标无功电流量，并结合基于瞬时功率平衡的双闭环控制，对能馈型牵引供电装置（1）接入点的无功电流进行双闭环控制。

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