CN110071648B - 一种城轨交通牵引供电系统中pwm整流器的运行控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种城轨交通牵引供电系统中PWM整流器的运行控制方法，包括控制PWM整流器工作在整流工况和逆变工况；PWM整流器处于整流工况时，控制PWM整流器中IGBT器件的触发脉冲关闭使得IGBT器件处于关断状态，PWM整流器中与IGBT器件反并联的二极管形成三相整流桥用于将整流变压器低压侧电压转换为直流电压输送到直流牵引电网中，减小了开关损耗，提供了整流器效率；PWM整流器处于逆变工况时，利用过调制提高PWM整流器产生的交流电压，利用向整流变压器低压侧的交流电网中注入感性无功电流使得PWM整流器直流侧电压小于交流侧电网电压峰值时仍能逆变将直流侧再生制动能量传送到交流电网，使得PWM整流器的整流变压器低压侧电压能够适应更高的电压值，便于与其他整流器共同使用。

Description

一种城轨交通牵引供电系统中PWM整流器的运行控制方法
技术领域
本发明涉及一种PWM整流器的运行控制方法，用于城轨交通牵引供电系统。
背景技术
城轨交通牵引供电系统牵引网采用直流供电，最常用电压等级有DC750V和DC1500V。牵引变电所先通过整流变压器将AC10kV或AC35kV降压到590V或1180V交流，再通过二极管整流转化为直流电，供给牵引网。图1和图2所示的是常用12脉波和24脉波整流器的主电路图，图3是图1和图2中整流单元的内部电路图。这种多脉波整流器结构采用错开整流变压器低压侧电压相位的方法，在保证高功率因数的前提下，既可以减小直流侧电压的脉动，又可以减小交流侧输入交流电流的电流畸变率。
城轨车辆站间距较短，启动制动频繁，因此，产生了大量的制动能量。车辆进站停车时，高速阶段(通常5km/h以上)采用再生制动，低速阶段(通常5km/h以下)采用机械制动。因为供电系统使用二极管整流器，能量不可逆，车辆再生制动时的能量如不释放，会抬高牵引网电压，车辆将过压保护动作。早期制动能量释放装置安装在车辆上，为了减小车辆重量，后来开始将制动能量释放装置移到车下。这两种方式都是将再生能量以热能消耗，释放在大气中。
近年来，能量回馈和超级电容储能两种形式开始用于吸收车辆再生制动能量。能量回馈方式有两种实现形式：其一，另增加一套能馈变流装置，将再生制动能量回馈达到中压或400V低压交流电网；其二，采用PWM整流器取代传统的二极管整流器，车辆牵引时，PWM整流器工作在整流工况将交流侧能量输送到直流牵引电网向牵引网供电，车辆再生制动时，PWM整流器将车辆再生制动能量回送到中压交流电网。PWM整流器，又称四象限整流器，其能实现交流与直流能量的双向变换，同时又能控制交流侧的功率因数，减小交流侧电流的畸变率。
采用PWM整流器的整流主电路如图4所示，其中，图中的PWM整流器的内部结构如图5所示，PWM整流器由三相逆变器(逆变器可以是两电平或三电平结构，图5只给出两电平逆变器结构)及其与整流变压器相连的连接电感La、Lb和Lc组成，三相逆变器包括IGBT器件和与IGBT器件反并联的二极管。相对于图1的结构，图4中采用PWM整流器的整流主电路就是将二极管整流单元更换为PWM整流单元。图5中的PWM整流器能实现双向能量变换，即有整流和逆变的双重功能：整流时，将交流侧能量送到直流侧；逆变时，能将直流侧能量送到交流侧。无论整流或逆变，均可控制交流侧功率因数，同时控制交流侧电流有较小的畸变率。这种方式将整流和回馈的两功能合二为一，减小了设备的数量和体积，是一种有应用前景的选择方案。但也存在如下两方面问题：
其一、PWM整流器整流工作时，功率器件工作在高频开关状态，因此，其开关损耗较二极管整流器大，降低了整流器的工作效率。
其二、要保证PWM整流器正常工作，PWM整流器的整流变压器低压侧电压较传统的二极管整流器的整流变压器低压侧电压低，两者变压器不兼容。关于这点，分析如下：
用于地铁牵引供电的PWM整流器在整流和逆变时采用功率因数为1和-1控制的控制方式，对应的交流侧电网电压、电感电流、电感电压及逆变器交流侧电压向量图关系如图6所示。图中
Figure BDA0002044330860000021
分别表示交流电网电压、电感电流、电感电压及逆变器交流侧电压向量。图6中a)是PWM整流工况，图6中b)是逆变工况，由此可见：PWM整流器无论是在整流工况还是在逆变工况，逆变器交流侧输出电压
Figure BDA0002044330860000022
的幅度都应大于交流侧电网的电压
Figure BDA0002044330860000023
的幅度。逆变器通常采用直流电压利用率高的空间矢量脉宽调制(SVPWM)，当调制度为1时，逆变器输出最大线电压峰值等于直流侧电压。因此，要保证PWM整流器正常工作，直流侧电压值应大于交流侧电网的线电压峰值。
在DC1500V城轨交通供电系统中，为了限制电网电压不超过1800V，PWM整流器的逆变回馈启动电压通常设置在1750V以下，为了保证逆变器的调制度不超过1，PWM整流器的整流变压器低压侧电压通常设计在1000V以下。目前采用二极管整流的1500V供电系统整流变压器低压侧电压为1180V。因此要将二极管整流的系统更新为PWM整流的系统，除了要将二极管整流单元更换为PWM整流单元外，整流变压器也必须降低低压侧电压。对于新建线路，可以采用全新的变压器和PWM整流单元，但对于老线改造，更换变压器会增加成本。
发明内容
针对传统PWM整流器在整流工作时开关损耗大，以及PWM整流器与二极管整流器无法共用相同的整流变压器等不足之处，本发明提出一种PWM整流器运行控制方法，能够应用于城轨交通牵引供电系统，采用本发明的运行控制方法控制的PWM整流器的交流侧可以适应更高的整流变压器低压侧电压，采用过调制和注入感性无功的方式可以使PWM整流器整流变压器低压侧电压提高到与二极管整流器的整流变压器低压侧电压相同，从而可以使PWM整流器与二极管整流器共用相同的整流变压器，在老线改造时，可直接用PWM整流器替换部分或全部二极管整流器的方式来升级传统的整流线路，增加了PWM整流器的线路具有能量回馈的功能，且不用更换变压器；另外本发明提出的控制方法在整流工况时仅采用二极管参与整流，提升了传统PWM整流器的工作效率。
本发明的技术方案为：
一种城轨交通牵引供电系统中PWM整流器的运行控制方法，所述城轨交通牵引供电系统包括整流变压器和PWM整流器，整流变压器的高压侧连接交流中压电网，其低压侧输出整流变压器低压侧电压；PWM整流器的交流侧连接所述整流变压器的低压侧，其直流侧连接直流牵引电网；
所述PWM整流器的运行控制方法包括控制所述PWM整流器工作在整流工况和逆变工况；
所述PWM整流器处于整流工况时，控制所述PWM整流器中IGBT器件的触发脉冲关闭使得IGBT器件处于关断状态，所述PWM整流器中与IGBT器件反并联的二极管形成三相整流桥，所述三相整流桥用于将所述整流变压器低压侧电压转换为直流电压输送到所述直流牵引电网中；
所述PWM整流器处于逆变工况时，采用方法一和方法二中至少一种方法控制所述PWM整流器将直流牵引电网的直流电压转换为交流电压反馈回所述交流中压电网中，所述方法一为利用过调制提高所述PWM整流器产生的交流电压，所述方法二为向所述整流变压器低压侧的交流电网中注入感性无功电流。
具体的，所述城轨交通牵引供电系统还包括二极管整流器，所述二极管整流器的交流侧连接的所述整流变压器低压侧电压与所述PWM整流器的交流侧连接的所述整流变压器低压侧电压相同。
本发明的工作原理为：
整流工况下PWM整流器将其交流侧连接的整流变压器低压侧电压转换为直流电压为直流牵引电网上的车辆供电，通过控制PWM整流器中IGBT器件触发脉冲关闭，让IGBT器件处于关断状态，使得仅与IGBT器件反并联的二极管(这个二极管可以是IGBT的体二极管也可以是外加并联在IGBT的二极管)构成三相整流桥，此时PWM整流器中通过二极管构成的三相整流桥的工作过程和原理与二极管整流器完全一样。这样带来的好处有：①PWM整流器的输出电压与传统二极管整流器输出电压有相似的特性，可以多台PWM整流器之间直接并联使用，也可与二极管整流器并联使用；②仅仅利用二极管参与整流，与IGBT反并联的二极管工作在工频整流状态，开关损耗较PWM整流器高频工作时大大减小。
逆变工况下通过PWM整流器将车辆的再生制动能量反馈回交流中压电网，并利用过调制和注入感性无功电流的方式使得PWM整流器能够适应更高电压的整流变压器低压侧电压。当将PWM整流器的整流变压器低压侧电压提高到与二极管整流器的整流变压器低压侧电压相同时，可以使PWM整流器和二极管整流器连接相同规格的整流变压器。
1)利用过调制提高PWM整流器交流输出电压
过调制的目的是在PWM整流器的三相逆变器输入的直流电压不变的情况下，提高交流侧输出电压。调制是采用载制波与三角载波(频率幅度不变)比较得到系列脉冲信号，用这个信号去驱动逆变器得到与脉冲相对应的输出脉冲电压。调制度小于1时，一个载波周期脉冲数等于载波频率与调制波频率之比，输出电压基波正比于调制波基波。SVPMW不过调制时，输出线电压峰值最大出现在调制波最大值与载波幅度相等时，此时线电压峰值等于直流电压。当再增加调制波幅度时，一个载波周期的脉冲数减小，输出电压会增加，但输出电压谐波含量也会增加。而本发明应用于城轨交通牵引供电系统，系统中有多个PWM整流器，由于采用多个PWM整流器与移相整流变压器相连，在过调制时，每个PWM整流器的谐波含量大，但中压侧的大部分谐波电流相互抵消，在中压侧实现了低的电流谐波含量。三相逆变器SVPMW调制为1时，其交流输出基波线电压峰值等于直流侧电压，即：UI_max＝Ud，为了减小交流侧电流谐波含量，常用PWM控制方法调制度不大于1；实际上，采用过调制时，三相逆变器相电压可输为方波，此时其交流输出电压最大，输出线电压基波峰值与直流侧电压关系为：UI_max＝1.1Ud。可见，可以利用过调制可将逆变器的输出交流电压在调制度为1的基础上提高10％。
2)逆变时PWM整流器向电网注入感性无功电流，功率因数控制在-1到0之间
图7是PWM整流器在逆变工况，功率因数-1到0时的交流电网电压
Figure BDA0002044330860000041
电感电流
Figure BDA0002044330860000042
电感电压
Figure BDA0002044330860000043
及逆变器交流侧电压
Figure BDA0002044330860000044
间的向量关系图。此时PWM整流器向交流电网传送有功外，同时向交流电网注入感性无功电流。因此，图7中电感电流
Figure BDA0002044330860000045
包括有功分量
Figure BDA0002044330860000046
和无功分量
Figure BDA0002044330860000047
电感电压
Figure BDA0002044330860000048
超前电感电流
Figure BDA0002044330860000049
交流电网电压
Figure BDA00020443308600000410
是电感电压
Figure BDA00020443308600000411
和逆变器交流侧电压
Figure BDA00020443308600000412
的向量和。由图7)可以看出：此时逆变器交流侧电压
Figure BDA00020443308600000413
幅度小于交流电网电压
Figure BDA00020443308600000414
幅度。也就说，向交流电网注入感性无功后，PWM整流器中三相逆变器交流电压小于交流电网电压时也可以工作，这样在直流侧电压小于交流侧电网电压峰值时仍能逆变将直流侧车辆再生制动能量传送到交流电网。
通过采用过调制的方式、或采用向电网注入感性无功的方式、或同时采用过调制并注入感性无功的方式，使得PWM整流器交流侧连接的整流变压器低压侧电压能够适应更高的电压值，例如将PWM整流器和二极管整流器并联使用时，采用本发明的方法可保证PWM整流器在逆变工况时当其交流侧连接的整流变压器低压侧电压与二极管整理器的交流侧连接的整流变压器低压侧电压相同时仍可正常工作。
本发明提出的运行控制方法应用于城轨交通PWM整流器供电系统，不仅具有整流和能馈的双重功能，与现有控制PWM整流器的控制方法相比有如下优点：
其一、整流时工况时，封锁IGBT触发脉冲使IGBT处于关断状态，利用IGBT的反并联二极管构成整流桥，直流侧输出电压与传统的二极管整流器输出电压特性相似，随后的其三中说明输入交流电压与传统的二极管整流的交流输入电压也相同，因此，同一牵引供电网上，既可以全部采用由本发明的运行控制方法控制的PWM整流器直接并联，也可以与传统的二极管整流器直接并联构混合供电系统。
其二、整流工况时，IGBT脉冲锁处于关断状态，仅与IGBT反并联的二极管工作在工频整流状态，开关损耗很小，功率器件的总损耗大大小于PWM整流器工作于高频整流状态时的器件损耗，从而提高了整流器的效率，减小整流器的损耗(在城轨交通运行中，车辆再生制动的能量先是被线路上其它牵引车辆吸收，只有没能被吸收完的能量才需要回馈到交流电网，因此，整流器整流工况运行时间大于制动工况运行。)。
其三、在逆变工况，因为引入逆变器过调制和向交流电网注入感性无功的控制策略，使得与PWM整流器相连的整流变压器低压侧电压可以与传统的二极管整流器的整流变压器低压差电压等级相同，在对已有的老线改造时可以直接用PWM整流器更换传统的二极管整流器进行升级，使改造后的线路具有再生能馈功能，且不用更换变压器，减小改造费用和改造周期。
附图说明
图1是12脉波整流器的主电路图，其中，TR是整流变压器，初级接中压10kV或35kV电网，两个次级绕组相差30o；BR1和BR2是三相二极管整流器，内部结构见图3。
图2是24脉波整流器的主电路图，其中，TR1和TR2是整流变压器，初级接中压10kV或35kV电网；TR1和TR2的初级采用延边三角形接法，使得RT1和TR2的对应次级间相位差15o，BR1—BR4是三相二极管整流器，内部结构见图3。
图3是三相二极管整流器的内部结构图，其中D1-D6是二极管，三相交流电经整流桥后转化为直流电。
图4是采用PWM整流器的电路图，其中，TR是整流变压器，初级接中压10kV或35kV电网，两个次级绕组相差30o；BR_PWM1和BR_PWM2是三相PWM整流器，内部结构见图5。
图5是三相PWM整流器的内部结构，La、Lb和Lc是连接电感，T1-T6是6只IGBT器件，T1-T6都是由一个IGBT功率开关及与其反并联的二极管构成，T1-T6构成三相逆变器，封锁IGBT触发信号时，三相逆变器等效为一个三相整流桥；Cd为三相逆变器直流侧支撑电容；Ud为三相逆变器直流侧电压。
图6是PWM整流器工作功率因数为1和-1时的向量关系图，其中a)是PWM整流器处于整流工况，功率因数为1，交流电网电压、电感电流、电感电压及逆变器交流侧电压向量关系图；b)是PWM处于逆变工况，功率因数为-1时，交流电网电压、电感电流、电感电压及逆变器交流侧电压向量关系图；图中
Figure BDA0002044330860000061
分别表示交流电网电压、电感电流、电感电压及逆变器交流侧电压向量。
图7是PWM整流器在逆变工况下，功率因数在-1到0之间时的向量关系图。
图8是PWM整流器与传统24脉波整流器混合式的DC1500V城轨牵引供电系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，详细描述本发明的技术方案。
本发明提出一种PWM整流器的运行控制方法，适用于城轨交通牵引供电系统，城轨交通牵引供电系统中可以仅使用PWM整流器进行整流和逆变，由于使用本发明提出的运行控制方法控制的PWM整流器能够适应更高电压值的整流变压器低压侧电压，所以也可以将PWM整流器与其他整流器混合使用，下面以将由本发明的运行控制方法控制的PWM整流器与二极管整流器并联使用为例进行详细说明。
采用本发明的方法控制的PWM整流器可以用于轨道交通全线整流站，多台直接并联；因为列车再生时，部分能量为线路上其它车辆吸收，PWM整流器的再生回馈功率通常小于牵引功率，因此，一条线上整流电站可以采用部分PWM整流变电站和部分传统的二极管整变电站直接并联构成混合供电系统，或都是一个变电站内部分整流器采用PWM整流单元，部分整流器采用二极管整单元构成混合供电系统。
以图8为例来说明采用本发明控制方法实现PWM整流器与传统24脉波整流器混合式的DC1500V城轨牵引供电系统。
图8中1#整流变电站是传统的24脉波二极管整流电路，TR1和TR2是两个初级延边三角形接法的整流变压器，TR1和TR2的4个低压绕组电压均为1180V，BR1-BR4是二极管整流器，内部结构见图3；图8中2#号整流变电站是由PWM整流器构成的整流电路，TR3和TR4是与1#整流变电站中的TR1和TR2接法、容量及绕组电压完全相同的整流变压器，TR3和TR4的低压侧绕组电压也为1180V，BR_PWM1-BR_PWM4是PWM整流器，PWM整流器的结构如图5所示。图8中QF1和QF2是直流断路器，用于过载和短路保护，正常时QF1和QF2闭合，整流器与牵引网相连；当整流或逆变工况下某整流器输出过载或短路时，对应断路器QF1或QF2分断，让故障整流器与牵引网隔离。
车辆牵引时，1#整流变电站和2#整流变电站均工作在整流工况，1#整流变电站输出与2#整流变电站输出并联给牵引网供电。此时，2#整流变电站的IGBT触发脉冲被封锁使IGBT处于关断状态，仅剩与IGBT反并联的二极管构成三相整流桥，因此2#整流变电站的4个PWM整流器等效为4个三相二极管整流桥，与1#整流变电站中二极管整流器的4个整流桥一样。这样2#整流变电站与1#整流变电站一起向牵引网供电，所供电流分配决定于牵引供电网上的车辆负载与两个整流变电站间阻抗。当车辆在两个整流变电站的牵引网中点时，车辆与两个整流变电站的阻抗相等，两个整流变电站给车辆提供的负载电流相等；当车辆距1#整流变电站较近时，则1#整流变电站提供的负载电流大于2#整流变电站提供的负载电流；当车辆距1#整流变电站较远时，则1#整流变电站提供的负载电流小于2#整流变电站提供的负载电流。
车辆再生制动时，再生制动能量将抬高牵引网电压，当电网电压高于整流器的空载电压时，1#整流变电站和2#整流变电站的整流桥二极管均受反压关断，输出电流均为0。当牵引电网电压继续提高，达到PWM整流器逆变的启动电压(如启动电压设定1720V)时，2#整流变电站的PWM整流器开始工作在逆变工况。为了让PWM整流器能将直流牵引网能量稳定传向交流中压电网(此时可能PWM整流器交流侧电压峰值高于直流侧电压，采用功率因数为-1和调制度不大于1的SVPWM调制，整流器不能稳定工作)，控制PWM整流器的逆变器过调制提高PWM整流器的交流侧电压，或向交流电网注入感性无功使得PWM整流器中三相逆变器交流电压小于交流电网电压时也可以工作，这样在直流侧电压小于交流侧电网电压峰值时整流器仍能逆变将直流侧再生制动能量传送到交流电网，或者两种措施先后实施将再生制动能量回馈到交流电网。此时1#整流变电站处于空载状态，输出功率为0；2#整流变电站工作在逆变状态，将车辆再生制动能量传送到牵引交流电网。在中压侧，四个PWM整流器的大部分谐波电流抵消，电流谐波含量低。
当车辆重新牵引，牵引网电压降低到小于整流器空载电压时，1#整流变电站和2#整流变电站又同时向牵引网整流供电，此时2#整流变电站工作在IGBT触发脉冲被封锁关断的整流状态，与1#整流变电站一起向牵引网上的车辆供电。
本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其他各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种城轨交通牵引供电系统中PWM整流器的运行控制方法，所述城轨交通牵引供电系统包括整流变压器和PWM整流器，整流变压器的高压侧连接交流中压电网，其低压侧输出整流变压器低压侧电压；PWM整流器的交流侧连接所述整流变压器的低压侧，其直流侧连接直流牵引电网；
其特征在于，所述PWM整流器交流侧连接的所述整流变压器低压侧电压能够适应二极管整流器的交流侧电压；
所述PWM整流器的运行控制方法包括控制所述PWM整流器工作在整流工况和逆变工况；
所述PWM整流器处于整流工况时，控制所述PWM整流器中IGBT器件的触发脉冲关闭使得IGBT器件处于关断状态，所述PWM整流器中与IGBT器件反并联的二极管形成三相整流桥，所述三相整流桥用于将所述整流变压器低压侧电压转换为直流电压输送到所述直流牵引电网中；
所述PWM整流器处于逆变工况时，采用方法一和方法二中至少一种方法控制所述PWM整流器将直流牵引电网的直流电压转换为交流电压反馈回所述交流中压电网中，所述方法一为利用过调制提高所述PWM整流器产生的交流电压，所述方法二为向所述整流变压器低压侧的交流电网中注入感性无功电流。
2.根据权利要求1所述的城轨交通牵引供电系统中PWM整流器的运行控制方法，其特征在于，所述城轨交通牵引供电系统还包括二极管整流器，所述二极管整流器的交流侧连接的所述整流变压器低压侧电压与所述PWM整流器的交流侧连接的所述整流变压器低压侧电压相同。
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