CN108039730A - 一种地铁能量回馈装置的控制系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及一种地铁能量回馈装置的控制系统及其控制方法，电路包括：主电路为三相变流器；控制电路为：将直流电网的实际电压值Udc与预设的参考电压值Udc_ref做差输入电压环PI控制器；电压环PI控制器输出有功电流的指令电流Id*；控制后台设置的无功功率指令Qr输入无功电流指令运算模块输出无功电流指令Iq*。有功电流的指令电流Id*、所述无功电流指令Iq*以及经过锁相环采集的回馈变压器一次侧的相位信息共同输入dq/abc反变换模块；dq/abc反变换模块输出三相电流的参考指令Ia*,Ib*,Ic*。Ia*,Ib*,Ic*分别与实时电流ia,ib,ic电流进行做差后的三相电流值分别输入三个PR控制器。采用本发明的能量回馈装置，其逆变回馈功能不受任何影响，同时可最大程度提供最大的无功功率的输出能力。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种地铁能量回馈装置的控制系统及其控制方法。
背景技术
城市轨道交通牵引供电系统中，列车再生制动刹车时，刹车产生的能量回导致直流侧网压升高，目前对于这部分能量的主要处理方式为电阻制动，即通过在站内或列车上安装电阻，以消耗掉该电能，保证牵引电网的稳定性。但这会使得电能白白浪费掉，同时电阻发热会增加轨道交通环控设备的投入。
再生制动能量回馈装置是以大功率开关器件为核心的变流器装置。该设备采用快速检测算法以及对大功率开关器件的自动控制技术，可以将列车刹车时产生的再生电能，通过变流器转换为交流电能，并回馈到交流、供电系统中，供其他牵引机组或站内负荷使用。该设备可以完全避免电阻制动的各种弊端，将列车再生制动的电能最大程度的吸收，从而实现节能减排的目的。
再生制动能量回馈装置运行时，现有工作模式一般为逆变回馈模式，即列车在刹车过程中，直流侧网压会升高。能量回馈装置的电压传感器实时检测直流侧电压的大小，当该电压大于设备的启动电压时，设备即启动，通过稳定直流侧电压，将直流侧能量通过变流器，回馈至交流电网，从而实现将直流侧能量转换为交流能量再利用的目的。而在刹车过程结束后，设备一般处于待机模式或零电流并网模式。这种情况下对于能量回馈设备来讲是一种等待模式。
由于地铁供电系统传输距离长、用电设备复杂，导致线路中存在的一定的无功功率。该无功功率一方面会加重主变电所变压器的负荷强度，同时所带来的过低的功率因数，会导致地铁运营公司电费的增加。因此一般在地铁的主变电所35kV/10kV侧配置一定容量的中压无功补偿装置SVG，以提高电网的功率因数，提高供电的稳定性和电能质量。如果能将再生能量回馈装置在容量允许范围内(包括列车处于出站后和进站前的等待期间以及夜间不运行的时刻)，用作无功补偿功能，可在很大较大上降低主变电所的SVG的容量(一般单台能量回馈的容量可达2～4MVA，而主变电所一个供电区间内SVG的容量不超过10MVA)，在安装多台能量回馈装置时，甚至可以取消中压SVG装置，从而明显降低设备的安装运营成本。
目前，已公开的文献中，专利号CN 102267405 B一种能馈型牵引供电装置及其控制方法，该专利中提出能馈式牵引供电系统具有牵引、回馈或无功补偿三种工作模式可选择。其中，各模式分别独立运行，在牵引回馈模式下，无法运行无功补偿功能。同样，在无功补偿模式下，同样无法进行回馈模式运行。没有提及两种模式直接的协调运行方法。专利号CN 201878041 U一种具有无功补偿功能的能馈式牵引供电装置，其无功补偿功能仅是针对地铁在夜间停运或非高峰时段时，通过主控下发指令来进行无功功率控制输出。而在列车频繁刹车期间，无功补偿功能与制动回馈功能二者之间如何协调配合，才能使得列车运行的效用发挥到最大并没有提及。
因此本发明提出一种基于地铁能量回馈装置的控制系统及其控制方法，通过对无功补偿功能与列车制动回馈功能间的协调控制算法，来实现能量回馈装置的回馈功能优先、同时具有无功补偿能力最大化的运行控制方法。
发明内容
1、所要解决的技术问题：
本发明提供一种基于地铁能量回馈装置的控制系统及其控制方法，本方法以再生能量逆变回馈功能为优先，同时协调逆变回馈功能和无功补偿功能两者的控制，以在装置的额定连续运行功率范围内，最大程度的提供无功补偿能力，将再生能量逆变回馈装置的利用效果达到最大化，以实现最终减小目前地铁主变电所无功补偿装置(SVG)的容量或取消SVG装置，从而降低地铁主所中压SVG的建设投资及运营维护成本的目的。
2、技术方案：
一种地铁能量回馈装置的控制系统，用于控制能量回馈装置的主电路，包括控制电路；其特征在于；所述主电路包括三相变流器，三相变流器的直流侧连接1500V的直流电网，交流侧连接回馈变压器，回馈变压器的一次侧连接35kV/10kV交流电网。
控制电路包括：电压环PI控制器、无功电流指令运算模块、dq/abc反变换模块、三个PR控制器、SPWM与三相IGBT的驱动脉冲。
通过电压传感器采集的1500V的直流电网的实际电压值Udc与预设的参考电压值Udc_ref做差，差值输入电压环PI控制器；电压环PI控制器输出有功电流的指令电流Id*；
控制后台设置的无功功率指令Qr输入无功电流指令运算模块，无功电流指令运算模块输出无功电流指令Iq*。
所述有功电流的指令电流Id*、所述无功电流指令Iq*以及经过锁相环采集的回馈变压器一次侧的相位信息共同输入dq/abc反变换模块；dq/abc反变换模块输出三相电流的参考指令Ia*,Ib*,Ic*。
所述三相电流的参考指令Ia*,Ib*,Ic*分别与相应相回馈变压器的交流侧实时电流ia,ib,ic电流进行做差，做差后的三相电流值分别输入三个PR控制器；每个PR控制器输出相应相的静止坐标系下三相电流对应相的有功、无功电流的指令信号；所述静止坐标系下三相电流的有功、无功电流的指令信号通过SPWM调制，得到三相IGBT驱动脉冲，驱动IGBT器件控制地铁能量回馈装置的通断。
一种地铁能量回馈装置的控制系统的控制方法；其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：采集数据：采集1500V的直流电网的实际电压值为Udc，并与预设的直流电压参考值Udc_ref做差，两者差值经过电压环PI控制器，产生的结果为输出有功电流的指令电流Id*；利用PR控制器采集控制环路的内环的实时电流ia,ib,ic；利用无功电流指令运算模块接受系统的无功功率指令Qr并转变成无功电流指令Iq*的信号：
步骤二：控制再生制动能量与系统所需无功功率的输出的过程为：将所述输出有功电流的指令电流Id*与无功电流指令Iq*输入到dq/abc反变换模块中得到A,B,C三相电流的参考指令Ia*,Ib*,Ic*；所述三相电流的参考指令Ia*,Ib*,Ic*与实时电流ia,ib,ic做差后，将结果输入三相PR控制器进行闭环控制；PR控制器输出处理的结果输入SPWM进行调制后得到三相IGBT的驱动脉冲；三相IGBT的驱动脉冲进行控制地铁能量回馈装置的通断。
进一步地，所述步骤一中利用无功电流指令运算模块接受系统的无功功率指令Qr并转变成无功电流指令Iq*的信号的过程为：
3-1：通过地铁综合监控系统或控制后台，得到每台能量回馈装置需要回馈的无功功率指令Qr，根据公式得到系统的无功电流指令Iq1，其中UN为变流器侧交流电网电压的额定值，SN为能量回馈装置额定连续运行功率；
3-2：判断设备是否处于逆变回馈状态：如果直流电网的实际电压值Udc>Uth并且直流电网的实际电流值Idc>0，则能量回馈装置处于回馈状态；其中Uth为预设电压阈值，该值高于直流侧空载电压，但小于设备的回馈时的控制电压；如果不满足直流电网的实际电压值Udc>Uth并且Idc>0，则能量回馈装置处于无回馈状态即零电流等待状态，此时，能量回馈装置输出无功电流指令Iq*＝Iq1，同时该无功电流指令Iq*的满足约束条件：即无功功率大小不能超过能量回馈装置的额定连续运行功率SN
3-3：若装置处于回馈状态，先判断能量回馈装置的回馈功率即刹车能量是否大于能量回馈装置的连续运行功率SN；若刹车能量超过了SN，即：则无功功率指令Iq*＝0，即保证回馈功能优先；若刹车能量小于SN，即则无功电流指令Iq*的计算方法为：同时，该无功电流指令Iq*满足约束条件：
3、有益效果：
(1)采用本发明的能量回馈装置，当列车制动刹车时的其逆变回馈功能不受任何影响。同时能量回馈装置可最大程度的在装置的额定连续运行功率容量内，提供最大的无功功率的输出能力，从而可将能量回馈装置的效用发挥到最大化。
(2)本发明中：定义能量回馈装置的峰值功率(容量)为SMAX，额定连续运行功率定义为SN，则在仅具有逆变回馈功能时，能量回馈装置的工作范围时间短，一般只有几十秒钟，其余约3/4的时间都处在等待状态。由于系统的无功基本上一直存在，因此在剩余约3/4的时间段内，在设备的连续运行容量范围内，都可以进行无功功率的补偿。另外考虑每天6小时左右的地铁停运时间。能量回馈装置可有效补偿系统无功功率的时间段将达到80％。因为每台能量回馈装置的无功补偿能力较大(MW级)，在地铁全线的牵混所安装能量回馈装置后，基本上可取消掉主变电所中压SVG装置。从而可大幅降低地铁的建设和运行维护费用，提供能量回馈装置的有效利用率。
附图说明
图1为本发明所采用的系统图和控制框图；
图2为本发明的控制流程图；
图3为本发明中无功电流指令运算模块实现的具体流程图；
图4为在本方法提供的控制策略下，能量回馈装置容量有效利用情况对比图。
具体实施方式
如图1所示为本发明所采用的系统图和控制框图。其中，主电路是基于三相变流器拓扑(三相H桥逆变器或三相全桥变流器)。图1中是以三相H桥逆变器为例的系统图。如图所示主电路包括三相变流器，三相变流器的直流侧连接1500V的直流电网，交流侧连接回馈变压器，回馈变压器的一次侧连接35kV/10kV交流电网。每个三相变流器的交流侧相对独立。每相变流器的输出均通过LCL滤波器连接至回馈变压器的低压侧，高压侧通过开关柜与外部电网35KV/10KV并网。图中系统的模拟量采样通过直流侧电压传感器、直流侧电流传感器、交流侧电流传感器，交流侧电压互感器来实现。通过本装置与控制方法，实现了电能在直流侧和交流侧直接的相互转换。
本发明提出的控制方法是在能量回馈装置的双闭环控制器基础之上，增加了系统无功功率指令Qr接收信号和无功电流指令运算模块。如图1所示。其中，通过检测到的直流电压Udc与直流电压参考值Udc_ref相比较，两者差值经过PI(比例积分)控制器，其运算结果作为输出有功电流的指令Id*。电网系统中的无功功率指令Qr，通过无功电流指令运算模块，得到无功电流指令Iq*。有功电流的指令Id*、无功电流指令Iq*和电网电压相位通过dq/abc反变换,得到A,B,C三相电流的参考指令Ia*,Ib*,Ic*，与采集到的回馈变压器交流侧实时电流ia,ib,ic作差，通过比例谐振控制器(PR控制器)后，经过SPWM调制，得到三相IGBT的驱动脉冲，从而控制能量回馈装置的通断。
图2为本发明的控制流程图。从图中可以看出本发明包括：步骤一：采集数据：采集1500V的直流电网的实际电压值为Udc，并与预设的直流电压参考值Udc_ref做差，两者差值经过电压环PI控制器，产生的结果为输出有功电流的指令电流Id*；利用PR控制器采集控制环路的内环的实时电流ia,ib,ic；利用无功电流指令运算模块接受系统的无功功率指令Qr并转变成无功电流指令Iq*的信号：
步骤二：控制再生制动能量与系统所需无功功率的输出的过程为：将所述输出有功电流的指令电流Id*与无功电流指令Iq*输入到dq/abc反变换模块中得到A,B,C三相电流的参考指令Ia*,Ib*,Ic*；所述三相电流的参考指令Ia*,Ib*,Ic*与实时电流ia,ib,ic做差后，将结果输入三相PR控制器进行闭环控制；PR控制器输出处理的结果输入SPWM进行调制后得到三相IGBT的驱动脉冲；三相IGBT的驱动脉冲进行控制地铁能量回馈装置的通断。
图3为本发明中无功电流指令运算模块实现的具体流程图。如图所示包括，
3-1：通过地铁综合监控系统或控制后台，得到每台能量回馈装置需要回馈的无功功率指令Qr，根据公式得到系统的无功电流指令Iq1，其中UN为变流器侧交流电网电压的额定值，SN为能量回馈装置额定连续运行功率。
3-2：判断设备是否处于逆变回馈状态：如果直流电网的实际电压值Udc>Uth并且直流电网的实际电流值Idc>0，则能量回馈装置处于回馈状态；其中Uth为预设电压阈值，该值高于直流侧空载电压，但小于设备的回馈时的控制电压；如果不满足直流电网的实际电压值Udc>Uth并且Idc>0，则能量回馈装置处于无回馈状态即零电流等待状态，此时，能量回馈装置输出无功电流指令Iq*＝Iq1，同时该无功电流指令Iq*的满足约束条件：即无功功率大小不能超过能量回馈装置的额定连续运行功率SN。
3-3：若装置处于回馈状态，先判断能量回馈装置的回馈功率即刹车能量是否大于能量回馈装置的连续运行功率SN；若刹车能量超过了SN，即：则无功功率指令Iq*＝0，即保证回馈功能优先；若刹车能量小于SN，即则无功电流指令Iq*的计算方法为：同时，该无功电流指令Iq*满足约束条件：
如图4所示为在本方法提供的控制策略下，能量回馈装置容量有效利用情况对比图。定义能量回馈装置的峰值功率(容量)为SMAX，额定连续运行功率定义为SN，由于逆变回馈过程一般时间短(仅为几十秒钟刹车一次，刹车间隔一般大于2分钟)。则在仅具有逆变回馈功能策略下，装置只运行在图中的逆变回馈过程范围内。通过本专利提出的无功补偿功能和逆变回馈功能的协调控制方法，可将能量回馈装置的效用发挥到最大化。图3所示，在地铁制动开始之前，能量回馈装置均具有最大无功输出能力。地铁制动开始后，以逆变回馈为主，逆变回馈功率小于其额定连续运行功率时，则输出一定的无功，具体计算方法如图2所示；逆变回馈功率超过其额定连续运行功率后，无功补偿能力降低至零；逆变回馈功率从最大逐渐降低至小于其额定连续运行功率后，无功补偿能力从0逐渐增大至额定连续运行功率。在列车等待期间及夜间，则无功补偿能力直接等于额定连续运行功率。考虑到每台能量回馈的无功补偿能力较大(能量回馈的额定连续运行功率可达MW级)，在地铁全线的牵混所安装能量回馈装置后，基本上可取消掉主变电所中压SVG装置，从而大幅降低地铁的建设和运行维护费用。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。
Claims (3)
1.一种地铁能量回馈装置的控制系统，用于控制能量回馈装置的主电路，包括控制电路；其特征在于：所述主电路包括三相变流器，三相变流器的直流侧连接1500V的直流电网，交流侧连接回馈变压器，回馈变压器的一次侧连接35kV/10kV交流电网；
控制电路包括：电压环PI控制器、无功电流指令运算模块、dq/abc反变换模块、三个PR控制器、SPWM与三相IGBT的驱动脉冲；
通过电压传感器采集的1500V的直流电网的实际电压值Udc与预设的参考电压值Udc_ref做差，差值输入电压环PI控制器；电压环PI控制器输出有功电流的指令电流Id*；
控制后台设置的无功功率指令Qr输入无功电流指令运算模块，无功电流指令运算模块输出无功电流指令Iq*；
所述有功电流的指令电流Id*、所述无功电流指令Iq*以及经过锁相环采集的回馈变压器一次侧的相位信息共同输入dq/abc反变换模块；dq/abc反变换模块输出三相电流的参考指令Ia*,Ib*,Ic*；
所述三相电流的参考指令Ia*,Ib*,Ic*分别与相应相回馈变压器的交流侧实时电流ia,ib,ic电流进行做差，做差后的三相电流值分别输入三个PR控制器；每个PR控制器输出相应相的静止坐标系下三相电流对应相的有功、无功电流的指令信号；所述静止坐标系下三相电流的有功、无功电流的指令信号通过SPWM调制，得到三相IGBT驱动脉冲，驱动IGBT器件控制地铁能量回馈装置的通断。
2.一种地铁能量回馈装置的控制系统的控制方法，所述地铁能量回馈装置的控制系统如权利要求1所述；其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：采集数据：采集1500V的直流电网的实际电压值为Udc，并与预设的直流电压参考值Udc_ref做差，两者差值经过电压环PI控制器，产生的结果为输出有功电流的指令电流Id*；利用PR控制器采集控制环路的内环的实时电流ia,ib,ic；利用无功电流指令运算模块接受系统的无功功率指令Qr并转变成无功电流指令Iq*的信号：
步骤二：控制再生制动能量与系统所需无功功率的输出的过程为：将所述输出有功电流的指令电流Id*与无功电流指令Iq*输入到dq/abc反变换模块中得到A,B,C三相电流的参考指令Ia*,Ib*,Ic*；所述三相电流的参考指令Ia*,Ib*,Ic*与实时电流ia,ib,ic做差后，将结果输入三相PR控制器进行闭环控制；PR控制器输出处理的结果输入SPWM进行调制后得到三相IGBT的驱动脉冲；三相IGBT的驱动脉冲进行控制地铁能量回馈装置的通断。
3.根据权利要求2所述的一种地铁能量回馈装置的控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤一中利用无功电流指令运算模块接受系统的无功功率指令Qr并转变成无功电流指令Iq*的信号的过程为：
3-1：通过地铁综合监控系统或控制后台，得到每台能量回馈装置需要回馈的无功功率指令Qr，根据公式得到系统的无功电流指令Iq1，其中UN为变流器侧交流电网电压的额定值，SN为能量回馈装置额定连续运行功率；
3-2：判断设备是否处于逆变回馈状态：如果直流电网的实际电压值Udc>Uth并且直流电网的实际电流值Idc>0，则能量回馈装置处于回馈状态；其中Uth为预设电压阈值，该值高于直流侧空载电压，但小于设备的回馈时的控制电压；如果不满足直流电网的实际电压值Udc>Uth并且Idc>0，则能量回馈装置处于无回馈状态即零电流等待状态，此时，能量回馈装置输出无功电流指令Iq*＝Iq1，同时该无功电流指令Iq*的满足约束条件：即无功功率大小不能超过能量回馈装置的额定连续运行功率SN；
3-3：若装置处于回馈状态，先判断能量回馈装置的回馈功率即刹车能量是否大于能量回馈装置的连续运行功率SN；若刹车能量超过了SN，即：则无功功率指令Iq*＝0，即保证回馈功能优先；若刹车能量小于SN，即则无功电流指令Iq*的计算方法为：同时，该无功电流指令Iq*满足约束条件：
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