CN111342503B - 一种模块化单元并联式制动能量回馈装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种模块化单元并联式制动能量回馈装置及其控制方法，其特征是所述的隔离开关分别与直流牵引电网的正极和负极电连接，所述的直流接触器的一端与隔离开关的正极电连接，直流接触器的另一端与直流支撑电容电连接，所述直流缓冲接触器与缓冲电阻串联并通过并联的方式与直流接触器电连接，所述模块化单元的直流侧与直流支撑电容电连接，模块化单元的交流侧与交流滤波电抗器电连接，所述的交流滤波电抗器另一端与低压断路器电连接，所述的低压断路器的另一端与隔离变压器的低压侧电连接，所述隔离变压器的高压侧与中压电网侧电连接；各个模块化单元独立完成电流闭环控制，各个模块化单元可以独立工作，也可以相互配合进行工作。

Description

一种模块化单元并联式制动能量回馈装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种轨道交通车辆制动能量吸收逆变回馈装置，尤其涉及一种模块化单元并联式制动能量回馈装置及其控制方法。
背景技术
现有城市轨道交通绝大多数采用直流牵引供电方式，牵引变电所采用二极管不可控整流作为直流牵引电源，能量只能由交流侧流向直流侧，能量只具备单向流动性。当列车再生制动时，牵引电机的电动工况转变为发电工况，列车的动能转化成为电能，除一部分被再生列车自身辅助电力设备消耗外，大部分回馈到直流牵引网上，一般会再设置一套再生制动能量吸收装置吸收掉多余的再生电能，维持网压稳定，最大限度地发挥列车再生制动能力。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种模块化单元并联式制动能量回馈装置及其控制方法，可以实现电能的双向流动，既可以将直流侧的制动能量逆变为交流电能反馈至交流电网，又可以从交流侧取电整流为直流电能提供至直流牵引电网。为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种模块化单元并联式制动能量回馈装置，包括隔离开关、直流接触器、直流缓冲接触器、缓冲电阻、直流支撑电容、模块化单元、交流滤波电抗器、低压断路器、隔离变压器和核心控制器，所述的隔离开关设置为双极隔离开关，隔离开关分别与直流牵引电网的正极和负极电连接，所述的直流接触器的一端与隔离开关的正极电连接，直流接触器的另一端与直流支撑电容电连接，所述直流缓冲接触器与缓冲电阻串联并通过并联的方式与直流接触器电连接，所述模块化单元的直流侧与直流支撑电容电连接，模块化单元的交流侧与交流滤波电抗器电连接，所述的核心控制器通过光纤与模块化单元相连接，所述的交流滤波电抗器另一端与低压断路器电连接，所述的低压断路器的另一端与隔离变压器的低压侧电连接，所述隔离变压器的高压侧与中压电网侧电连接。
进一步地，模块化单元设置为NPC三电平拓扑，多个模块化单元通过并联的方式连接在一起，其与装置整机的连接采用一次接插件，可以跟抽屉似的非常方便的插拔，方便检修维护。
进一步地，核心控制器设置为MCU。
一种模块化单元并联式制动能量回馈装置的控制方法，包括以下步骤：
（1）初始化，设备上电时刻，初始化内部数据；
（2）装置工作条件判断，根据直流牵引网、交流供电网的条件进行综合判断，包括以下3种情况：
①根据所检测到的交流电网的电压值，推算出直流牵引网的空载电压值，在直流空载电压值的基础上增加一个电压增量作为装置逆变回馈状态的启动电压下限，当直流牵引电网的电压高于逆变启动阈值和启动电压下限两者的较高值时，装置处于逆变回馈状态；
②在直流空载电压值的基础上减去一个电压增量作为装置整流状态的启动电压上限，当直流牵引电网的电压低于整流启动阈值和启动电压上限两者的较低值时，装置处于整流状态；
③直流牵引网电压处于逆变回馈状态和整流状态两者的启动电压中间时，装置处于待机状态；
（3）根据第（2）步所述的过程，核心控制器计算装置应当工作电流的大小，等效计算装置此时应当工作的功率大小；
（4）根据检测的交流电网相位，核心控制器将上一步计算的电流指令大小转换为与电网同步的控制信号发送给模块化单元；
（5）模块化单元独立完成电流闭环控制，根据核心控制器计算出的电流大小输出相应的电流。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：各个模块化单元独立完成电流闭环控制，相互之间没有影响，各个模块化单元可以独立工作，也可以相互配合进行工作，其工作与否，工作电流的大小受控于核心控制器，所有模块化单元互为工作冗余，其中一个模块化单元或者几个模块化单元出现问题，不影响其他模块化单元的工作，提高了装置的可靠性；所有的模块化单元完全一致，可相互替换，实现了装置的模块化、标准化设计，有利于批量生产，有利于设备的维护维修。
附图说明
以下结合附图对本发明做进一步详细描述。
附图1是本发明的结构示意图；
附图2是模块化单元的拓扑结构示意图；
附图3是模块化单元的控制结构示意图；
附图4是控制方法的流程示意图；
附图中：QS1、隔离开关，KM1、直流接触器，KM2、直流缓冲接触器，R1、缓冲电阻，C1、直流支撑电容，单元1～N：模块化单元，L1-1、L1-2、L1-3～LN-1、LN-2、LN-3：交流滤波电抗器，QF1、低压断路器，T1、隔离变压器。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图1、附图2、附图3和附图4及具体实施例对本发明作进一步的说明。
如附图1、附图2和附图3所示，一种模块化单元并联式制动能量回馈装置，包括隔离开关QS1、直流接触器KM1、直流缓冲接触器KM2、缓冲电阻R1、直流支撑电容C1、N个模块化单元、3*N个交流滤波电抗器、低压断路器QF1、隔离变压器T1和MCU，所述的隔离开关QS1为双极隔离开关，分别连接直流牵引电网的正极和负极，直流接触器KM1一端连接隔离开关的正极，另一端连接直流支撑电容C1，缓冲接触器KM2与缓冲电阻R1串联后与KM1并联，N个模块化单元直流侧并联后连接直流支撑电容C1的两端，每一个模块化单元的A、B、C三相交流侧分别与三个交流滤波电抗器相连，每一个模块化单元都是通过两根光纤（一收、一发两根光纤）与MCU连接，所有同一相的交流滤波电抗器的另一端并联一起后与低压断路器QF1的一端相连，低压断路器的另一端连接隔离变压器T1的低压侧，隔离变压器T1的高压侧并入中压交流供电网络。
进一步地，模块化单元内部为NPC三电平拓扑，其与装置整机的连接采用一次接插件，可以跟抽屉似的非常方便的插拔，方便检修维护。
如附图4所示，一种模块化单元并联式制动能量回馈装置的控制方法，包括以下步骤：
（1）初始化，设备上电时刻，初始化内部数据；
（2）装置工作条件判断，根据直流牵引网、交流供电网的条件进行综合判断，包括以下3种情况：
①根据所检测到的交流电网的电压值，推算出直流牵引网的空载电压值，在直流空载电压值的基础上增加一个电压增量作为装置逆变回馈状态的启动电压下限，当直流牵引电网的电压高于逆变启动阈值和启动电压下限两者的较高值时，装置处于逆变回馈状态；
②在直流空载电压值的基础上减去一个电压增量作为装置整流状态的启动电压上限，当直流牵引电网的电压低于整流启动阈值和启动电压上限两者的较低值时，装置处于整流状态；
③直流牵引网电压处于逆变回馈状态和整流状态两者的启动电压中间时，装置处于待机状态；
（3）根据第（2）步所述的过程，核心控制器计算装置应当工作电流的大小，等效计算装置此时应当工作的功率大小；
（4）根据检测的交流电网相位，核心控制器将上一步计算的电流指令大小转换为与电网同步的控制信号发送给模块化单元；
（5）模块化单元独立完成电流闭环控制，根据核心控制器计算出的电流大小输出相应的电流。
本发明的工作原理和工作过程如下：逆变回馈状态的工作过程，当列车制动抬升直流牵引网电压达到本发明所述装置启动阈值时，装置处于逆变运行模式，通过将直流牵引供电网络中列车制动产生的直流电逆变为交流电并反馈至交流供电网络，保障列车电制动功能的发挥，同时起到稳定直流牵引网电压，抑制其超过标准允许值的作用，当列车制动回馈功率大于装置逆变功率峰值时，装置处于额定功率恒功率运行。
整流状态时的工作过程，其直流侧相关电气参数与牵引整流机组进行匹配，此种情况下输出特性为与整流机组类似的下垂特性，随输出电流的增大自动降低可控整流的直流电压目标值，实现与整流机组共同为直流牵引电网提供直流电能。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：各个模块化单元独立完成电流闭环控制，相互之间没有影响，各个模块化单元可以独立工作，也可以相互配合进行工作，其工作与否，工作电流的大小受控于核心控制器，所有模块化单元互为工作冗余，其中一个模块化单元或者几个模块化单元出现问题，不影响其他模块化单元的工作，提高了装置的可靠性；所有的模块化单元完全一致，可相互替换，实现了装置的模块化、标准化设计，有利于批量生产，有利于设备的维护维修。
利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种模块化单元并联式制动能量回馈装置的控制方法，包括以下步骤：
(1)初始化，设备上电时刻，初始化内部数据；
(2)装置工作条件判断，根据直流牵引网、交流供电网的条件进行综合判断，包括以下3种情况：
①根据所检测到的交流电网的电压值，推算出直流牵引网的空载电压值，在直流空载电压值的基础上增加一个电压增量作为装置逆变回馈状态的启动电压下限，当直流牵引电网的电压高于逆变启动阈值和启动电压下限两者的较高值时，装置处于逆变回馈状态；
②在直流空载电压值的基础上减去一个电压增量作为装置整流状态的启动电压上限，当直流牵引电网的电压低于整流启动阈值和启动电压上限两者的较低值时，装置处于整流状态；
③直流牵引网电压处于逆变回馈状态和整流状态两者的启动电压中间时，装置处于待机状态；
(3)根据第(2)步所述的过程，核心控制器计算装置应当工作电流的大小，等效计算装置此时应当工作的功率大小；
(4)根据检测的交流电网相位，核心控制器将上一步计算的电流指令大小转换为与电网同步的控制信号发送给模块化单元；
(5)模块化单元独立完成电流闭环控制，根据核心控制器计算出的电流大小输出相应的电流。
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