CN105162160B - 一种地铁能量回馈装置的闭环控制方法 - Google Patents

Abstract

一种地铁能量回馈装置的闭环控制方法，包括以下步骤：1）人工设置直流触网电压目标值Udc‑ref，并实时检测直流触网电压Udc，并在直流触网电压控制器中将Udc‑ref和Udc进行比较；2）三相电压互感器PT1、PT2、PT3分别检测升压变高压侧三相线采样电网电压Usa、Usb、Usc，采样电网电压Usa、Usb、Usc经由锁相环PLL计算得到dq反变换需要的电网同步信号ωt；3）根据外设的上级控制系统下发的无功调度需求，设置q轴无功电流指令Iq‑ref；4）三相控制输出Uia‑ref、Uib‑ref、Uic‑ref分别进入三相调制模块进行单极倍频调制，得到每相4路、三相共12路脉冲控制信号。本发明在变压器的低压端就实现了倍频的效果，从而向中压交流电网馈入正确的三相交流电流，达到稳定直流触网电压的目的。

Description

一种地铁能量回馈装置的闭环控制方法

技术领域

本发明涉及一种地铁能量回馈装置的闭环控制方法。

背景技术

随着城市规模的飞速扩大，现有的地面交通系统已经越来越不能满足城市生活的交通需求，要实现高效、有序、省时的交通效果，地下交通的建设在近几年显得越发的重要，任何一个大型城市，其地铁系统的覆盖范围均占城市面积的三分之一以上。

在运行过程中，由于地铁运行速度快，且站点设置较多，因此，相邻两站之间的通行时间一般控制在两分钟到三分钟之间，这就导致了地铁需要频繁起动和制动，在制动过程中，会产生巨大的制动能量，如果浪费不用，在现如今全球能源紧张的情况下，不得不说非常奢侈，也十分可惜，因此，对地铁制动能量进行回收利用已成为现有地下交通缩减运营成本、节约运行能源的重要课题。

在现有技术中，制动能量吸收方式主要包括电阻耗能、逆变回馈、电容储能和飞轮储能等几种，但是这几种吸收方式都存在各自的优缺点，电阻耗能只能将电能转换为热能排掉，能源浪费严重；电容储能需要设置体积庞大的电容器组，占用城际铁路宝贵的地下空间；飞轮储能对飞轮的制作工艺要求高，而且飞轮储能制作成本很高，使用寿命不理想；对于逆变回馈，是指地铁在电动刹车制动时，通过电机回馈至地铁牵引系统直流母线的方法，回馈行为会造成直流母线电压升高，现有的逆变回馈方法均是针对单电感滤波的地铁能量回馈装置设计的，然而，单电感滤波的地铁能量回馈装置将会产生较为严重的谐波污染问题。而谐波污染小、可靠性高、体积小、成本低、采用3相H桥逆变器和LCL滤波器的地铁能量回馈装置，却没有相应的逆变回馈方法进行控制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有的逆变回馈控制方法无法应用于基于3相H桥逆变器和LCL滤波器的地铁能量回馈装置，无法达到稳定直流触网电压的目的。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种地铁能量回馈装置的闭环控制方法，包括以下步骤：1）人工设置直流触网电压目标值Udc-ref，并实时检测直流触网电压Udc，并在直流触网电压控制器中将Udc-ref和Udc进行比较，当Udc-ref＜Udc时，直流触网电压控制器计算Udc-ref和Udc的差值，将作为输入信号输入PI控制器，通过PI控制器输出三相旋转坐标系下的d轴有功电流指令Id-ref，所述三相旋转坐标系即dq坐标系；2）三相电压互感器PT1、PT2、PT3分别检测升压变高压侧三相线采样电网电压Usa、Usb、Usc，采样电网电压Usa、Usb、Usc经由锁相环PLL计算得到dq反变换需要的电网同步信号ωt；3）根据外设的上级控制系统下发的无功调度需求，设置q轴无功电流指令Iq-ref，以步骤2得到的电网同步信号ωt为正弦波相位基准，采用dq反变换将q轴无功电流指令Iq-ref和步骤1得到的d轴有功电流指令Id-ref反变换到三相ABC坐标系下，得到ABC三相电流Ia-ref、Ib-ref、Ic-ref；通过三相电流控制器比较三相电流指令Ia-ref、Ib-ref、Ic-ref和实际三相逆变输出电流Ia、Ib、Ic的差异，计算得到三相控制输出Uia-ref、Uib-ref、Uic-ref；4）三相控制输出Uia-ref、Uib-ref、Uic-ref分别进入三相调制模块进行单极倍频调制，得到每相4路、三相共12路脉冲控制信号PWMa1,2,3,4、PWMb1,2,3,4、PWMc1,2,3,4，送给A、B、C三相H桥的12只IGBT进行开关控制。

本发明方法针对该种特性，分别检测三相电流，并以此为基础进行单极倍频调制，该方法在变压器的低压端就实现了倍频的效果，从而向中压交流电网馈入正确的三相交流电流，达到稳定直流触网电压的目的。

进一步，所述步骤3还包括如下步骤：3-1）将PI控制器和基波谐振控制器R1并联，形成PI+R1模块，三相电流指令Ia-ref、Ib-ref、Ic-ref和实际三相逆变输出电流Ia、Ib、Ic的差值作为输入信号输入该模块；3-2）按照公式，计算得出R1的输出值，所述s是复频域算子，ωn是谐振中心频率，Ki是比例增益；3-3）将R1的输出值和PI控制器的输出值叠加后通过数字控制的一拍延时环节1/z后，减去升压变高压侧三相线采样电网电压U_sa，得到输出值，即三相控制输出U_ia-ref，所述一拍延时是指采样、计算频率是实际开关频率的4倍，即一个开关周期分四拍。3相H桥本质上是3单相电路，不能像普通三相桥在dq旋转坐标系下进行电流闭环控制，必须在三相ABC静止坐标系下进行控制。在dq坐标系下很容易实现基波电流无静差控制，因为基波电流在dq坐标系下是直流量，采用PI控制器就能实现无差控制。但在ABC坐标系下，单纯PI控制器就不能保证基波电流的稳态误差，因此采用PI+R1方案，R1代表基波谐振控制器。R1能够对基波提供很高的开环增益，从而保证基波控制精度。

进一步，所述步骤4还包括如下步骤：4-1）对步骤3-2得到的三相控制输出Ui-ref进行单相单极倍频调制，得到每相4路、三相共12路脉冲控制信号PWMa1,2,3,4、PWMb1,2,3,4、PWMc1,2,3,4；4-2）将脉冲控制信号PWM作为输入信号输入单相H桥逆变器，得到Ui；4-3）将Ui作为输入信号输入单相LCL滤波器，得到实际三相逆变输出电流I，所述单相LCL滤波器包括单相逆变器侧滤波电感L1、单相交流滤波电容C1、变压器漏感Lleak，从单相逆变桥输出电压Ui到单相输出电流I的传递函数为：

。电网电压前馈采用电压互感器PT1、PT2、PT3采样变压器高压侧三相线电压，这样变压器漏感L_leak就和回馈装置的LC滤波器构成LCL滤波器进行电流闭环控制，并且可以消除变压器漏感L_leak造成的相位误差。闭环电流采用霍尔电流传感器TA2、TA3、TA4采样三相交流滤波电容C1、C2、C3和变压器三相低压侧绕组之间连线的三相电流，这实际上就是采样LCL的网侧滤波电感电流，能够消除三相交流滤波电容C1、C2、C3上电容电流的影响，保证电流控制精度。

本发明的优点是：（1）达到稳定直流触网电压的目的；（2）能够保证很好的交流基波电流控制精度；（3）交流滤波电容无需串联阻尼电阻；（4）可以根据系统需求输出无功电流。

附图说明

图1是本发明公开的一种地铁能量回馈装置结构示意图；

图2是本发明的一种地铁能量回馈装置控制方法示意图；

图3是A相电流闭环控制框图；

图4是A相电流控制等效电路图；

图5是4倍采样时序图；

图6是开环频率特性曲线图；

图7是闭环频率特性曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明回馈装置包括直流开关柜、与直流开关柜电通过铜排电连接的功率柜、变压器，馈入直流触网的电能通过直流开关柜进入功率柜，功率柜将直流电转换成低压交流电，低压交流电经变压器升压成中压交流电馈入中压电网，其中，功率柜包括3相H桥逆变器、交流电流互感器、逆变器侧滤波电感、交流滤波电容、第二电流霍尔传感器、交流断路器，3相H桥逆变器的各相输入端分别与直流开关柜输出端相连，各相输出端分别与各自的交流互感器输入端连接，各交流互感器输出端与各自对应的滤波器输入端连接，各滤波器输出端与对应的电流霍尔传感器输入端相连，电流霍尔传感器输出端与交流断路器输出端相连，直流开关柜输入至功率柜的直流电经开关频率f的3相H桥单极倍频逆变，输出等效开关频率为2f的三相脉冲交流电。该脉冲交流电经过LCL滤波器得到三相正弦低压交流电。变压器为三相三柱式，高压侧采用三角形接法，低压侧采用三相独立绕组。功率柜中的H桥逆变器输出采用LCL滤波器，逆变器侧滤波电感和交流滤波电容安装在功率柜中，网侧滤波电感利用变压器漏感实现，无需专门配备。

所述直流开关柜内置：依次顺序电连接的电压霍尔传感器、直流刀闸、第一直流进线熔断器F1、直流滤波电感、直流接触器QF1、第一电流霍尔传感器TA1，以及，在所述直流接触器QF1两端并联一由电阻R1和直流接触器KM1串联构成的缓起电路，在所述第一电流霍尔传感器TA1输出端与所述第二直流进线熔断器F2输出端并联的由直流接触器KMd和电阻Rd串联构成放电回路。

当列车制动时，列车上的牵引电机工作在发电机状态，制动机械能转换成电能馈入直流触网，然后通过直流开关柜进入功率柜，功率柜将直流转换成交流，变压器将功率柜输出的低压交流升压成中压馈入中压电网，如图1所示的各个部件如下：

直流馈线柜：地铁直流触网通过直流馈线柜连接到直流开关柜，提供直流短路、过流保护功能；

直流开关柜： TV1为电压霍尔传感器，检测直流触网电压，若直流触网电压高于设定的门槛值，通常设置为1700V，则主控制器（基于TI DSP，安装在直流开关柜中）控制逆变柜往中压电网回馈电能；QS为直流刀闸，通过直流开关柜门观察窗向操作人员提示刀闸触点的闭合/分断情况，来显示回馈装置直流开关柜与直流触网是否连接；F1、F2为直流进线熔断器，用于在装置发生短路故障时快速切断装置与直流触网的连接，避免影响直流触网的正常运行；Ld为直流滤波电感，防止功率柜的开关频率纹波污染直流触网；QF1为直流接触器，能够在故障状态下快速切断回馈装置与直流触网的连接；电阻R1和直流接触器KM1构成缓起电路，在本回馈装置启动过程中为功率柜的直流电容进行预充电；TA1为电流霍尔传感器，检测回馈装置的输入直流电流；直流接触器KMd和电阻Rd构成放电回路，在回馈装置关闭后泄放直流电容储存的电荷；TV2为电压霍尔传感器，检测直流电容电压。

功率柜：逆变器为3相H桥，采用单极倍频技术，逆变输出频率是实际开关频率的2倍，且输出1/2U_dc、0、-1/2U_dc三种电平，相比普通两电平电路的U_dc、-U_dc输出，能将开关纹波幅值减小一倍。输出开关纹波频率高、幅值小，能够减小输出LCL滤波器尺寸、降低成本；当直流开关柜的TV1检测到直流触网电压高于设定的门槛值，主控制器（基于TI DSP，安装在直流开关柜中）通过光纤控制逆变器把直流开关柜过来的直流电转换成交流电，送给变压器；CT1、CT2、CT3为交流电流互感器，分别检测逆变器三相输出电流，进行快速过流保护；L1、L2、L3分别是每相的逆变器侧滤波电感；C1、C2、C3分别是每相的交流滤波电容；TA2、TA3、TA4是电流霍尔传感器，分别检测三相输出电流，用于电流闭环控制；QF2、QF3、QF4分别是每相的交流断路器，用于过流保护。

变压器：将功率柜输出的低压交流升压到中压，馈入中压电网；变压器为三相三柱式，高压侧三角形接法，连接35/33kV电网，低压侧三相独立绕组，输出电压1kV；三相独立绕组为3相H桥提供必需的相间隔离。变压器具有6%的短路阻抗，其漏感用作逆变器输出LCL滤波器的网侧电感。所以，变压器一兼三职，具有电压耦合、低压侧相间隔离、网侧滤波电感三重功能；PT1、PT2、PT3是交流电压互感器，用于检测电网电压，给主控制器（基于TI DSP，安装在直流开关柜中）提供电网同步信号并进行电网电压前馈控制。H桥主功率器件采用高压、大功率全控IGBT器件。

如图2所示，本发明方法包括下述步骤：

（1）能量回馈装置控制器（采用TI DSP，安装在直流开关柜中）通过直流电压霍尔TV1实时检测直流触网电压Udc，若高于1700V门槛值，直流触网电压控制器则通过比较直流电压稳定目标值Udc-ref（1700V）和实际电压值Udc的差异，通过PI控制器输出三相旋转坐标系下（dq坐标系）的d轴有功电流指令Id-ref。

（2）由于3相H桥本质上是3单相电路，不能像普通三相桥在dq旋转坐标系下进行电流闭环控制，必须在三相ABC静止坐标系下进行控制。因此，采用dq反变换将d轴有功电流指令Id-ref和q轴无功电流指令（由地铁监控系统下发无功调度指令，通常设为零）Iq-ref反变换到三相ABC坐标系下，得到ABC三相电流指令Ia-ref、Ib-ref、Ic-ref。dq反变换需要的电网同步信号ωt由锁相环PLL通过采样电网电压Usa、Usb、Usc计算得到，Usa、Usb、Usc通过三相电压互感器PT1、PT2、PT3检测升压变高压侧三相线电压得到。

（3）ABC三相电流控制器比较三相电流指令Ia-ref、Ib-ref、Ic-ref和实际三相逆变输出电流Ia、Ib、Ic的差异，计算得到三相控制输出Uia-ref、Uib-ref、Uic-ref。

（4）电流控制器的三相控制输出Uia-ref、Uib-ref、Uic-ref分别进入三相调制模块进行单极倍频调制，得到每相4路、三相共12路脉冲控制信号PWMa1,2,3,4、PWMb1,2,3,4、PWMc1,2,3,4，送给A、B、C三相H桥的12只IGBT进行开关控制。从而向中压交流电网馈入正确的三相交流电流，达到稳定直流触网电压的目的。

如图3所示，以A相电流闭环控制为例，整个电流闭环控制的过程如下：

3-1）将PI控制器和基波谐振控制器R1并联，形成PI+R1模块，三相电流指令Ia-ref和实际三相逆变输出电流Ia的差值作为输入信号输入该模块；

3-2）按照公式计算得出R1的输出值，所述公式是：

所述s是复频域算子，ωn是谐振中心频率，Ki是比例增益。

3-3）将R1的输出值和PI控制器的输出值叠加后通过数字控制的一拍延时环节1/z后，减去升压变高压侧三相线采样电网电压U_sa，得到输出值，即三相控制输出U_ia-ref。

4-1）对步骤3-2得到的三相控制输出Uia-ref进行单相单极倍频调制，得到脉冲控制信号PWMa1,2,3,4；

4-2）将脉冲控制信号PWMa1,2,3,4作为输入信号输入A相H桥逆变器，得到Uia；

4-3）将Uia作为输入信号输入A相LCL滤波器，得到实际三相逆变输出电流Ia。

该闭环控制的开环传递函数为:

。

如图4所示，所述A相LCL滤波器包括A相逆变器侧滤波电感L1、A相交流滤波电容C1、变压器漏感Lleak，所述L1串联A相逆变桥后与C1并联，然后再并联Lleak，Lleak串联A相电网，从A相逆变桥输出电压Uia到A相输出电流Ia的传递函数为：

。s是复频域算子。

如图5所示，上述闭环控制方法的采样、计算频率是实际开关频率的4倍、等效开关频率的2倍，一个开关周期分四拍，每一时刻，装载上一拍控制量的同时，还进行当前拍数据的采集和控制量的运算，以保证闭环稳定性。实际数字系统存在采样和计算延时，使得当前周期计算出的占空比有效范围变小，为使PWM调制正确实现，一般采用当前周期计算的控制量推迟一拍去改变下一拍占空比，这是目前实际系统应用最多的方式。

3相H桥本质上是3单相电路，不能像普通三相桥在dq旋转坐标系下进行电流闭环控制，必须在三相ABC静止坐标系下进行控制。在dq坐标系下很容易实现基波电流无静差控制，因为基波电流在dq坐标系下是直流量，采用PI控制器就能实现无差控制。但在ABC坐标系下，单纯PI控制器就不能保证基波电流的稳态误差，因此采用PI+R1方案，R1代表基波谐振控制器。R1能够对基波提供很高的开环增益，从而保证基波控制精度。

电网电压前馈采用电压互感器PT1、PT2、PT3采样变压器高压侧三相线电压，这样变压器漏感Lleak就和回馈装置的LC滤波器构成LCL滤波器进行电流闭环控制，并且可以消除变压器漏感Lleak造成的相位误差。闭环电流采用霍尔电流传感器TA2、TA3、TA4采样三相交流滤波电容C1、C2、C3和变压器三相低压侧绕组之间连线的三相电流，这实际上就是采样LCL的网侧滤波电感电流，能够消除三相交流滤波电容C1、C2、C3上电容电流的影响，保证电流控制精度。

举例说明

假设：逆变器开关频率设为1.5kHz，H桥单极倍频后等效开关频率3kHz，L1为0.31mH，C1为120uF，Lleak为变压器漏感，2MW变压器6%短路阻抗，漏感为0.31mH。

如图6所示，幅值曲线存在3个0 dB穿越点，相角曲线在1.16kHz存在-180°穿越点，对应的幅值增益为47.3dB。这样，G(s)的奈奎斯特曲线将包围临界点(-1,0j)，根据奈氏判据，若直接进行闭环控制，G(s)将闭环不稳定，需要进行镇定。

本控制系统中利用了数字控制一拍延时产生的相位滞后，降低相角曲线的-180°穿越频率点，得到合适的幅值裕度，使得奈奎斯特曲线不再包围临界点(-1,0j)，系统闭环稳定。

如图7所示，从下面的校正后开环频率特性可以看出，数字控制一拍滞后将-180°穿越频率点从1.16kHz降低为715Hz，该频率点的幅值裕度为5.18dB，开环奈奎斯特曲线不再包围临界点(-1,0j)，系统闭环稳定。采用滞后一拍控制无需在交流滤波电容C1、C2、C3中串联阻尼电阻来保证闭环稳定性，避免了大功率电阻不易选型和散热难以处理的问题。基波谐振控制器R1(z)在50Hz处提供了47.7dB的开环增益，从闭环频率特性可以看出，在50Hz频率点幅值、相位误差都为零，也就是稳态无静差，而在其他频率点都存在误差。这充分说明了R1控制器在三相ABC静止坐标系下对于保证基波电流控制精度的重要意义。PI控制器提供低频段增益，保证电流不出现直流偏置，并且对电流指令进行快速跟踪。装置通过三相电流互感器CT1、CT2、CT3采样三相逆变器侧电感L1、L2、L3电流，通过硬件比较器对逆变器输出电流进行快速过流保护。

Claims (2)

1.一种地铁能量回馈装置的闭环控制方法，其特征是，包括以下步骤：

1）人工设置直流触网电压目标值U_dc-ref，并实时检测直流触网电压U_dc，并在直流触网电 压控制器中将U_dc-ref和U_dc进行比较，当U_dc-ref＜U_dc时，直流触网电压控制器计算U_dc-ref和U_dc 的差值，将作为输入信号输入PI控制器，通过PI控制器输出三相旋转坐标系下的d轴 有功电流指令I_d-ref，所述三相旋转坐标系即dq坐标系；

2）三相电压互感器PT1、PT2、PT3分别检测升压变高压侧三相线采样电网电压U_sa、U_sb、U_sc，采样电网电压U_sa、U_sb、U_sc经由锁相环PLL计算得到dq反变换需要的电网同步信号ωt；

3）根据外设的上级控制系统下发的无功调度需求，设置q轴无功电流指令I_q-ref，以步骤2得到的电网同步信号ωt为正弦波相位基准，采用dq反变换将q轴无功电流指令I_q-ref和步骤1得到的d轴有功电流指令I_d-ref反变换到三相ABC坐标系下，得到ABC三相电流I_a-ref、I_b-ref、I_c-ref；通过三相电流控制器比较三相电流指令I_a-ref、I_b-ref、I_c-ref和实际三相逆变输出电流I_a、I_b、I_c的差值，通过该差值计算得到三相控制输出U_ia-ref、U_ib-ref、U_ic-ref；

步骤3还包括如下步骤：

3-1）将PI控制器和基波谐振控制器R1并联，形成PI+R1模块，三相电流指令Ia-ref、Ib-ref、Ic-ref和实际三相逆变输出电流Ia、Ib、Ic的差值作为输入信号输入该模块；

3-2）按照公式，计算得出R1的输出值，所述s是复频域算子，ωn是谐振 中心频率，Ki是比例增益；

3-3）将R1的输出值和PI控制器的输出值叠加后通过数字控制的一拍延时环节1/z后，减去升压变高压侧三相线采样电网电压U_sa，得到输出值，即三相控制输出U_ia-ref，所述一拍延时是指采样、计算频率是实际开关频率的4倍，即一个开关周期分四拍；

4）三相控制输出U_ia-ref、U_ib-ref、U_ic-ref分别进入三相调制模块进行单极倍频调制，得到每相4路、三相共12路脉冲控制信号PWM_a1,2,3,4、PWM_b1,2,3,4、PWM_c1,2,3,4，送给A、B、C三相H桥的12只IGBT进行开关控制。

2.根据权利要求1所述的一种地铁能量回馈装置的闭环控制方法，其特征是，所述步骤4还包括如下步骤：

4-1）对步骤3-2得到的三相控制输出Ui-ref进行单相单极倍频调制，得到每相4路、三相共12路脉冲控制信号PWMa1,2,3,4、PWMb1,2,3,4、PWMc1,2,3,4；

4-2）将脉冲控制信号PWM作为输入信号输入单相H桥逆变器，得到Ui；

4-3）将Ui作为输入信号输入单相LCL滤波器，得到实际三相逆变输出电流I，所述单相LCL滤波器包括单相逆变器侧滤波电感L1、单相交流滤波电容C1、变压器漏感Lleak，从单相逆变桥输出电压Ui到单相输出电流I的传递函数为：

。