CN105584386A - 一种模块级联式能馈型牵引供电装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块级联式能馈型牵引供电装置及其控制方法，包括三个单相级联双向流动变流器；每个单相级联双向变流器包括n个级联的变流模组；所述变流模组包含三个H桥变流器H1、H2、H3及一个单相高频变压器。本发明采用模块级联式城轨能馈型牵引供电装置采用具有能量双向流动能力的电力电子高频隔离变压器和级联H桥电力电子实现了电气隔离、高压直挂并网、牵引整流、逆变回馈和无功补偿控制；体积和造价降低；谐波电流小；具有更强的过载能力。

Description

一种模块级联式能馈型牵引供电装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种城市轨道交通牵引供电装置及控制方法，尤其涉及一种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。

技术背景

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从中压10kV或者35kV电网取电，经过整流变压器降压后再通过二极管整流桥为直流牵引网提供1500V或750V的牵引供电方式。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。此外，地铁供电距离长，中压电缆会产生大量的无功电流，导致夜间轻载时主站的功率因素低，因此地铁供电系统中也存在无功补偿的需求。

利用大功率电力电子功率变换技术，研制一种具有再生能量回馈功能和无功补偿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。其中的关键技术难点在于：1、供电装置的电压等级高一般为10kV或者35kV；2、装置容量大一般需要在MW以上；3、一套供电装置要满足不同运行工况下的技术要求；4、装置需要有很强的过载能力，做牵引供电时要满足400%一分钟，200%一小时的过载能力，装置在做逆变回馈时要满足300%一分钟，150%2小时的过载能力。

发明专利201110118007.X的一种能馈型牵引供电装置及其控制方法中，具有无功补偿、牵引和再生制动能量吸收功能的供电装置技术有中提出的采用两套变流器来实满足这一要求，即一套二极管整流器来满足装置在牵引整流运行模式下的要求，另一套采用全控型电力电子器件的变流器来满足装置在逆变回馈运行模式和无功补偿运行模式下的要求。这两套变流器都需要独立的工频变压器、直流开关柜和高压开关柜来实现与直流牵引网和交流电网的连接，因此，装置的成本高且占地面积大。

发明专利201010601917.9一种具有无功补偿功能的能馈式牵引供电装置及控制方法,以及实用新型专利201020676378.0一种具有无功补偿功能的能馈式牵引供电装置，采用一套具有能量双向流动能力的两电平的全控型电力电子变流器来实现不同的功能，但这种方案变流器输出电压只有1kV左右，这会导致装置设计存在很大的局限：1、需要工频变压器实现到10kV或者35kV的并网，大大增加了装置的成本和占地面积；2、装置要满足过载运行时，由于输出电压低，装置的输出电流非常大，这对主电路器件的电流裕量提出了非常高的要求，这使得装置器件选型时要留有很大的设计冗余，导致设备成本高、利用率低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有技术中，电量回馈和牵引整流分别由两套独立的系统控制，成本大、占地面积大，设计冗余多，利用率低，通用性差。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种模块级联式能馈型牵引供电装置，包括三个单相级联双向流动变流器；每个单相级联双向变流器包括n个级联的变流模组；所述变流模组包含三个H桥变流器H1、H2、H3及一个单相高频变压器；所述H桥变流器对外的电气端子包括两个直流端子和两个交流端子；H1的直流端子连接直流母线，交流端子连接单相高频变压器的原边，单相高频变压器的副边连接H2的交流端子，组成隔离型双有源桥DAB变流器；H3的直流端子连接H2的直流端子，交流端子与相邻组的H3的交流端子串联；ｎ个H1的直流端子并联后形成对应的单相级联双向变流器的正负直流母线端，正负直流母线端分别通过直流开关柜和负极柜连接到牵引接触网和钢轨；ｎ个H3的交流端子串联后形成对应的单相级联双向变流器的正负交流母线端，正交流母线端通过并网电抗器和高压开关柜接入到电网，负交流母线端与另外两相级联双向变流器的负端短接形成中性点。

本发明三个H桥变流器组成两种模块，并联模块和串联的模块，并联模块用来做直流侧和交流侧的隔离，并做直流侧这边的接入，用来实现在直流牵引网和装置内部直流母线直流之间的能量交换，直流侧电流大通过并联可以分担模块电流；串联模块用在中高压电网侧实现并网，通过输出想要的电压控制并网电流，实现装置内部直流母线与交流电网之间的能量交换，交流侧电压高，通过串联的模块可分担电压。这样设计的好处有以下几点：1.通过n的合理取值调整，能够分散每个模块的电压电流应力，充分满足牵引和整流的需要。2.节约成本，减小体积，无需设计太多冗余。现有技术中，直流和交流之间变换时需要变压器作为隔离，从而起到保护和升压功能，而本发明通过串联的方式，使得每个小模块上承受的电压不高，但是总的输出还是能达到10KV、35KV甚至以上的高压，所以就节省了传统的费用高昂的升压工频变压器。因此，本发明一套系统可以同时实现整流＼逆电回馈＼无功补偿三大功能。

进一步，所述单相高频变压器包括两绕组变压器，所述双绕组变压器的磁芯采用高频应用磁芯，由于所述隔离型双有源桥DAB变流器工作在kHz以上高开关频率，所述双绕组变压器相比工频变压器体积、重量、造价都小。

具体的，所述H桥变流器包括四个电力电子开关器件及直流电容，每两个电力电子开关器件串联后与直流电容并联，串联的电力电子开关器件之间引出H桥变流器的两个交流端子，直流电容的两端引出H桥变流器的两个直流端子。

一种模块级联式能馈型牵引供电装置的控制方法，当能馈型牵引供电装置工作在牵引整流/回馈逆变工作模式时，采用电压外环和电流内环的双闭环控制方法；当能馈型牵引供电装置在无功补偿模式时，采用无功功率外环和电流内环的双闭环控制方法；装置实时检测牵引网直流母线电压，通过直流母线电压控制闭环来实时控制单相级联双向变流器与电网的能量交换；当车辆牵引启动时牵引网直流母线电压被拉低，单相级联双向变流器从电网获取能量引起装置内部直流母线电压上升，同时隔离型双有源桥DAB变流器将装置内部直流母线能量注入直流牵引网，从而在装置容量内保持牵引网直流母线电压的稳定；当车辆制动再生制动时，再生能量使得直流牵引网直流母线电压升高，单相级联双向变流器向电网注入有功功率引起装置内部直流母线电压的降低，同时隔离型双有源桥DAB变流器从直流牵引电网获得能量注入装置内部直流母线，从而维持牵引网直流母线电压和装置内部直流母线电压的稳定。

具体的，所述电压外环和电流内环的双闭环控制包括以下步骤：１）在控制端设置外环控制的参考电压Vdcref；２）实时监测外环控制中牵引网直流母线电压Vdc，将其作为反馈电压值与外环参考电压值Vdcref进行比较，得出两者的差值；当Vdcref-Vdc＞0时，输出回馈逆变指令信号；当Vdcref-Vdc＜0时，输出牵引整流指令信号；3）将步骤2）的输出作为内环电流控制的控制指令输入PI调节器，得到内环控制d轴的有功参考电流Idref，同时根据需要无功补偿的大小得到q轴的无功参考电流Iqref；4）对三相交流侧输出的电流I进行实时监测，并将其转换到dq坐标下，形成有功电流Id和无功电流Iq；5）将Id作为反馈值、Idref作为参考值，输入PI调节器；需要无功补偿时，将Iq作为反馈值、Iqref作为参考值，输入PI调节器；结合有功无功的输出，在dq坐标下，得到调节值；6）将dq坐标下的调节值转换到abc坐标下分别得出a、b、c三相的调节值，进行pwm调制，得到H桥级联变流器脉冲分配信号。

进一步，当能馈型牵引供电装置在无功补偿模式时，采用无功功率外环和电流内环的双闭环控制。

具体的，所述无功功率外环和电流内环的双闭环控制包括以下步骤：1）在控制端设置外环控制的无功功率参考值Qref；2）实时监测外环控制中牵引网直流母线的无功功率实际值Qout，将其作为反馈电压值与外环控制的无功功率参考值Qref进行比较，得出两者的差值；当Qref-Qout＞0时，无需无功补偿；当Qref-Qout＜0时，输出无功补偿控制指令给内环电流控制；3）将步骤2）的输出作为内环电流控制的控制指令输入PI调节器，得到内环控制d轴的有功参考电流Idref，同时根据需要无功补偿的大小得到q轴的无功参考电流Iqref；4）对三相交流侧输出的电流I进行实时监测，并将其转换到dq坐标下，形成有功电流Id和无功电流Iq；5）将Id作为反馈值、Idref作为参考值，输入PI调节器；需要无功补偿时，将Iq作为反馈值、Iqref作为参考值，输入PI调节器；结合有功无功的输出，在dq坐标下，得到调节值；6）将dq坐标下的调节值转换到abc坐标下分别得出a、b、c三相的调节值，进行pwm调制，得到H桥级联变流器脉冲分配信号。

本发明的优点是：采用模块级联式城轨能馈型牵引供电装置采用具有能量双向流动能力的电力电子高频隔离变压器和级联H桥电力电子实现了电气隔离、高压直挂并网、牵引整流、逆变回馈和无功补偿控制；同时与现有的采用工频变压器的牵引回馈供电装置相比，本发明供电装置有以下优点：1、本发明不需要传统的工频变压器，设备的体积和造价降低；2、本发明输出为多电平阶梯波，注入电网的谐波电流更小对电网的污染更小；3、本发明采用模块级联拓扑，主电路每个模块器件的电流应力小，器件选择裕量大，装置具有更强的过载能力。

附图说明

图1是本发明一种模块级联式能馈型牵引供电装置的电路示意图。

图2是本发明H桥变流器的电路示意图。

图3是本发明隔离型双有源桥DAB变流器的电路示意图。

图4是牵引整流/回馈逆变工作模式下三相级联双向变流器的控制框图。

图5是无功补偿工作模式下三相级联双向变流器的控制框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1-3所示，本发明一种模块级联式能馈型牵引供电装置，能馈型牵引供电装置变流器由三个单相级联双向流动变流器组成，每个单相级联双向变流器由n个变流模组级联组成。

每个单相级联双向变流器有正负直流母线端(DC+和DC-)和正负交流母线端(AC+和AC-)，其中正负直流母线端分别通过直流开关柜和负极柜连接到牵引接触网和钢轨，其交流母线正端通过并网电抗器和高压开关柜接入到电网，其交流母线负端与另外两相级联双向变流器的负端短接形成中性点。

每个变流模组包含三个H桥变流器(标号为Hxy1、Hxy2、Hxy3，其中x指示为A、B、C三相，y指示为第几个变流模组)及一个单相高频变压器(标号为Txy)。以下简称Hxy1为H1，Hxy2为H2、Hxy3为H3。

每个H桥变流器由四个电力电子开关器件及直流电容组成，对外的电气端子有两个直流输入端(DC1和DC2)和两个交流输出端(AC1和AC2)。

单相高频变压器为两绕组变压器，其磁芯采用高频磁芯材料，变压器设计具有一定的漏感。

每个变流模组的H1和H2的交流输出端分别连接高频变压器的原边和副边，形成一个隔离型双有源桥DAB变流器。这两个H桥采用双极性PWM调制输出正负对称的高频脉冲，两个H桥的脉冲之间有一定相位差，通过控制相位差的正负和大小，来改变高频变压器漏感上的电压从而影响变压器电流，来控制能量流动的方向和大小，使能量可以在两个H桥之间进行双向流动。当H1的输出电压相位超前于H2的输出电压相位时，能量从H1流向H2，反之则能量从H2流向H1。

H1的直流输入端接入到正负直流母线端(DC+和DC-)，H2变流器的直流输入端与第三个H桥的直流输入端连接，第三个H桥的交流输出端作为模组的交流端口与相邻的变流模组的交流端口首尾相连(该模组的AC1与上一个模组的AC2相连，该模组的AC2与下一个模组的AC1相连)。每相的n个变流模组的第三个H桥级级联形成H桥级联多电平变流器，其采用载波移相多电平PWM调制方法，输出电压为叠加的高压阶梯波，通过并网电抗器和高压开关柜实现与10kV或35kV高压电网的并网。控制三相输出高压阶梯波的幅度、相位就可以实现H桥级联多电平变流器与电网之间有功功率和无功功率的交换。

如图4所示，为三相H桥级联变流器采用电压外环和电流内环的双闭环控制方法，电压外环控制直流母线电压，其输出作为电流内环的指令，控制3相H桥级联变流器为一个电流源，输出电流跟踪电流内环的指令。

控制原理：

当能馈型牵引供电装置工作在牵引整流/回馈逆变工作模式时，装置实时检测牵引网直流母线电压，通过牵引网直流母线电压控制闭环来实时控制H桥级联变流器与交流电网的能量交换。当车辆牵引启动时牵引网直流母线电压被拉低，H桥级联变流器从交流电网获取能量引起装置内部直流母线电压的升高，同时隔离型双有源桥DAB变流器将装置内部直流母线能量注入直流牵引电网，从而在装置容量内保持牵引网直流母线电压和装置内部直流母线电压的稳定；当车辆制动再生制动时，再生能量使得牵引网直流母线电压升高，H桥级联变流器向电网注入有功功率并引起装置内部直流母线电压的下降，同时隔离型双有源桥变流器从直流牵引电网获得能量注入装置内部直流母线，从而维持牵引网直流母线电压和装置内部直流母线电压的稳定。

具体步骤：

１）在控制端设置外环控制的参考电压Vdcref；

２）实时监测外环控制中牵引网直流母线电压Vdc，将其作为反馈电压值与外环参考电压值Vdcref进行比较，得出两者的差值；当Vdcref-Vdc＞0时，输出回馈逆变指令信号；当Vdcref-Vdc＜0时，输出牵引整流指令信号；

3）将步骤2）的输出作为内环电流控制的控制指令输入PI调节器，得到内环控制d轴的有功参考电流Idref，同时根据需要无功补偿的大小得到q轴的无功参考电流Iqref。

4）对三相交流侧输出的电流I进行实时监测，并将其转换到dq坐标下，形成有功电流Id和无功电流Iq；

5）将Id作为反馈值、Idref作为参考值，输入PI调节器；需要无功补偿时，将Iq作为反馈值、Iqref作为参考值，输入PI调节器；结合有功无功的输出，在dq坐标下，得到调节值；

6）将dq坐标下的调节值转换到abc坐标下分别得出a、b、c三相的调节值，进行pwm调制，得到H桥级联变流器脉冲分配信号。

牵引整流/回馈逆变工作模式下隔离型双有源桥DAB变流器的控制方式为，H桥级联变流器中每个H桥的直流电压由该H桥所在变流模组的隔离型双有源桥DAB变流器控制。

具体步骤：

1）在控制中心设置参考电压Vdc2ref，实时监测H２的装置内部直流母线电压值Vdc2作为闭环控制的反馈数值，与Vdc2ref进行比较；

２）步骤１）得出的比较值作为控制指令输入PI调节器，得到H2与H1的相位差θn，将该角度值进行PWM调制，得到DAB交流器脉冲分配信号。

如图5所示，当能馈型牵引供电装置做无功补偿运行时，其控制方法与工作在牵引整流/回馈逆变工作模式时的区别在于三相H桥级联变流器的外环不是电压环而是无功功率环。

具体步骤如下：

1）在控制端设置外环控制的无功功率参考值Qref；

2）实时监测外环控制中牵引网直流母线的无功功率实际值Qout，将其作为反馈电压值与外环控制的无功功率参考值Qref进行比较，得出两者的差值；当Qref-Qout＞0时，无需无功补偿；当Qref-Qout＜0时，输出无功补偿控制指令给内环电流控制；

3）将步骤2）的输出作为内环电流控制的控制指令输入PI调节器，得到内环控制d轴的有功参考电流Idref，同时根据需要无功补偿的大小得到q轴的无功参考电流Iqref；

4）对三相交流侧输出的电流I进行实时监测，并将其转换到dq坐标下，形成有功电流Id和无功电流Iq；

5）将Id作为反馈值、Idref作为参考值，输入PI调节器；需要无功补偿时，将Iq作为反馈值、Iqref作为参考值，输入PI调节器；结合有功无功的输出，在dq坐标下，得到调节值；

6）将dq坐标下的调节值转换到abc坐标下分别得出a、b、c三相的调节值，进行pwm调制，得到H桥级联变流器脉冲分配信号。

Claims (7)

1.一种模块级联式能馈型牵引供电装置，其特征是：包括三个单相级联双向流动变流器；每个单相级联双向变流器包括n个级联的变流模组；

所述变流模组包含三个H桥变流器H1、H2、H3及一个单相高频变压器；所述H桥变流器对外的电气端子包括两个直流端子和两个交流端子；H1的直流端子连接直流母线，交流端子连接单相高频变压器的原边，单相高频变压器的副边连接H2的交流端子，组成隔离型双有源桥DAB变流器；H3的直流端子连接H2的直流端子，交流端子与相邻组的H3的交流端子串联；

ｎ个H1的直流端子并联后形成对应的单相级联双向变流器的正负直流母线端，正负直流母线端分别通过直流开关柜和负极柜连接到直流牵引接触网和钢轨；ｎ个H3的交流端子串联后形成对应的单相级联双向变流器的正负交流母线端，正交流母线端通过并网电抗器和高压开关柜接入到电网，负交流母线端与另外两相级联双向变流器的负端短接形成中性点。

2.根据权利要求１所述的一种模块级联式能馈型牵引供电装置，其特征是：所述单相高频变压器包括两绕组变压器，所述绕组变压器的磁芯采用高频磁芯。

3.根据权利要求１或2所述的一种模块级联式能馈型牵引供电装置，其特征是：所述H桥变流器包括四个电力电子开关器件及直流电容，每两个电力电子开关器件串联后与直流电容并联，串联的电力电子开关器件之间引出H桥变流器的两个交流端子，直流电容的两端引出H桥变流器的两个直流端子。

4.采用权利要求１至3所述的任意一项所述的一种模块级联式能馈型牵引供电装置的控制方法，其特征是：当能馈型牵引供电装置工作在牵引整流/回馈逆变工作模式时，采用电压外环和电流内环的双闭环控制；装置实时检测牵引网直流母线电压，通过直流母线电压控制闭环来实时控制单相级联双向变流器与电网的能量交换；当车辆牵引启动时牵引网直流母线电压被拉低，单相级联双向变流器从电网获取能量引起装置内部直流母线电压上升，同时隔离型双有源桥DAB变流器将装置内部直流母线能量注入直流牵引网，在装置容量内保持牵引网直流母线电压和装置内部直流母线电压的稳定；当车辆制动再生制动时，再生能量使得直流母线电压升高，单相级联双向变流器向电网注入有功功率引起装置内部直流母线电压下降，同时隔离型双有源桥DAB变流器从直流牵引电网获得能量注入装置内部直流母线，维持牵引网直流母线电压和装置内部直流母线电压的稳定。

5.根据权利要求4所述的一种模块级联式能馈型牵引供电装置的控制方法，其特征是：所述电压外环和电流内环的双闭环控制包括以下步骤：

１）在控制端设置外环控制的参考电压Vdcref；

２）实时监测外环控制中牵引网直流母线电压Vdc，将其作为反馈电压值与外环参考电压值Vdcref进行比较，得出两者的差值；当Vdcref-Vdc＞0时，输出回馈逆变指令信号；当Vdcref-Vdc＜0时，输出牵引整流指令信号；

3）将步骤2）的输出作为内环电流控制的控制指令输入PI调节器，得到内环控制d轴的有功参考电流Idref，同时根据需要无功补偿的大小得到q轴的无功参考电流Iqref；

4）对三相交流侧输出的电流I进行实时监测，并将其转换到dq坐标下，形成有功电流Id和无功电流Iq；

5）将Id作为反馈值、Idref作为参考值，输入PI调节器；需要无功补偿时，将Iq作为反馈值、Iqref作为参考值，输入PI调节器；结合有功无功的输出，在dq坐标下，得到调节值；

6）将dq坐标下的调节值转换到abc坐标下分别得出a、b、c三相的调节值，进行pwm调制，得到H桥级联变流器脉冲分配信号。

6.根据权利要求4所述的一种模块级联式能馈型牵引供电装置的控制方法，其特征是：当能馈型牵引供电装置在无功补偿模式时，采用无功功率外环和电流内环的双闭环控制。

7.根据权利要求6所述的一种模块级联式能馈型牵引供电装置的控制方法，其特征是：所述无功功率外环和电流内环的双闭环控制包括以下步骤：

1）在控制端设置外环控制的无功功率参考值Qref；

2）实时监测外环控制中牵引网直流母线的无功功率实际值Qout，将其作为反馈电压值与外环控制的无功功率参考值Qref进行比较，得出两者的差值；当Qref-Qout＞0时，无需无功补偿；当Qref-Qout＜0时，输出无功补偿控制指令给内环电流控制；

3）将步骤2）的输出作为内环电流控制的控制指令输入PI调节器，得到内环控制d轴的有功参考电流Idref，同时根据需要无功补偿的大小得到q轴的无功参考电流Iqref；

4）对三相交流侧输出的电流I进行实时监测，并将其转换到dq坐标下，形成有功电流Id和无功电流Iq；

5）将Id作为反馈值、Idref作为参考值，输入PI调节器；需要无功补偿时，将Iq作为反馈值、Iqref作为参考值，输入PI调节器；结合有功无功的输出，在dq坐标下，得到调节值；

6）将dq坐标下的调节值转换到abc坐标下分别得出a、b、c三相的调节值，进行pwm调制，得到H桥级联变流器脉冲分配信号。