CN111786588B - 基于anpc三电平逆变器的地铁双向变流控制装置及控制方法 - Google Patents

基于anpc三电平逆变器的地铁双向变流控制装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于ANPC三电平逆变器的地铁双向变流控制装置及控制方法，控制方法包括：主控制器和与安装在ANPC三电平逆变模块中底层控制器之间进行控制量的下发、逆变模块工作状态的上传；主控制器中DSP接收操作命令，进行直流稳压、ANPC三电平逆变器中点均压、两组ANPC三电平逆变模块组并联输出总电流进行闭环控制，采用断续空间矢量调制DSVPWM方法得到信号；该信号在主控制器FPGA中分别与两个错相180度的三角载波进行比较得到的信号下发给两组逆变模块组的逆变模块；底层控制器FPGA接收主控制器信号，并采用ANPC控制方式还原成标准的18路PWM信号，控制对应的ANPC三电平逆变模块内部所有IGBT开关动作。

Description

基于ANPC三电平逆变器的地铁双向变流控制装置及控制方法
技术领域
本发明涉及城市轨道交通供电系统技术领域，尤其涉及一种基于ANPC三电平逆变器的地铁双向变流控制装置及控制方法。
背景技术
近几年来我国城市轨道交通发展非常迅速，为了响应国家节能减排政策，国内地铁牵引供电系统逐步推广二极管整流机组+再生制动能量回馈装置模式来实现降低能耗的目的。但二极管整流机组输出直流牵引网电压随负载增加会出现较大跌落，导致供电距离较短，需要增加牵引供电站数量，提高了地铁建设成本。同时，加入的再生制动能量回馈装置进一步增加了整套牵引供电系统的复杂性和占地面积，提高了整体建设和运维成本。
随着大功率电力电子变流技术的发展，集整流牵引供电和逆变能量回馈功能于一身的双向变流装置逐渐在地铁里得到了应用。国内若干企业对地铁双向变流装置进行了有益的研究和探索。现有技术1徐州中矿大传动与自动化有限公司的专利《轨道交通双向变流柜》(申请号：201710039531.5)、现有技术2株洲中车时代电气股份有限公司的专利《一种轨道交通牵引供电系统及控制方法》(申请号：201710984413.1)两篇专利比较具有代表性。
在电路结构上，现有技术1《轨道交通双向变流柜》采用四台二极管中点钳位(NPC)三电平逆变器交、直流侧直接并联，取消了交流滤波电感，采用高阻抗变压器的漏感对开关纹波进行滤波。该方案的优点是三电平逆变器开关纹波小、损耗低、开关频率高，但NPC三电平逆变器在整流工况下存在长换流回路，IGBT关断电压尖峰较高，影响装置可靠性。其次，取消滤波电感虽然可以减小双向变流柜尺寸，但采用的高阻抗变压器尺寸、噪音均较大，并且四台NPC三电平逆变器之间存在电流分配不均的隐患。
现有技术2《一种轨道交通牵引供电系统及控制方法》采用两台逆变器交流侧串联滤波电感，然后连接到两套独立变压器绕组的电路结构。该方案的优点是两套独立变压器绕组实现了两台逆变器交流侧隔离，能够采用载波移相控制减小输出开关纹波。但这篇专利没有披露采用的具体逆变电路拓扑，并且两台逆变器本身没有进行模块化并联设计，不能灵活覆盖不同电流等级需求。
综上，上述两种方案都存在各自的缺陷，不能完全满足实际现场需求。
发明内容
1.所要解决的技术问题：
针对上述技术问题，本发明提供一种基于ANPC三电平逆变器的地铁双向变流控制装置及控制方法，通过控制ANPC三电平逆变器模块实现稳定直流触网电压，达到牵引整流、逆变回馈的目的。
2.技术方案：
一种基于ANPC三电平逆变器的地铁双向变流控制装置，其特征在于：包括双向变流装置与控制装置。
所述双向变流装置包括两组并联的ANPC三电平逆变模块组、一台副边双绕组升压变压器；所述ANPC三电平逆变模块组与直流电网相连将直流电转换成低压交流电传输至副边双绕组升压变压器，副边双绕组升压变压器输出中压交流电至中压电网；每组ANPC三电平逆变模块组包括至少一路ANPC三电平逆变模块；每个ANPC三电平逆变模块输出端通过与之串联的交流滤波电感连接至副边双绕组升压变压器的对应副边绕组；每个ANPC三电平逆变模块组内的每台ANPC三电平逆变模块交流输出经过滤波电感后连接同一个变压器副方绕组；变压器副方绕组的每相接线柱均连接相应的采样电流传感器。
所述控制装置包括主控制器和安装在每个ANPC三电平逆变模块中的控制ANPC三电平逆变模块的底层控制器；所述主控制器与上位监控机或者手工输入装置通信相连；所述主控器与底层控制器通过高速通信方式，进行控制量的下发、逆变模块工作状态的上传；所述主控制器由DSP和FPGA构成；所述底层控制器由FPGA构成；所述变压器接线柱连接的采样电流传感器与主控制器通信相连。
进一步地，所述ANPC三电平逆变模块的每相桥臂均由三只半桥IGBT模块构成的；其中1号IGBT模块包含开关元件T1m、T5m，二极管D1m、D5m,其中T1m、T5m分别反向并联D1m、D5m；2号IGBT模块包含开关元件T2m、T3m，二极管D2m、D3m,其中T2m、T3m分别反向并联D2m、D3m；3号IGBT模块包含开关元件T4m、T6m，二极管D4m、D6m,其中T4m、T6m分别反向并联D4m、D6m；其中m表示a、b、c三相；所述底层控制器控制相应的ANPC三电平逆变模块的IGBT模块通断。
进一步地，所述副边双绕组升压变压器为三相三柱式，高压侧采用三角形接法，低压侧采用两组三相星型接法绕组。
一种基于ANPC三电平逆变器的地铁双向变流控制装置的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：在每个ANPC三电平逆变模块中均安装一个控制其动作的底层控制器；主控制器和底层控制器之间通过高速通信方式实现进行控制量的下发、逆变模块工作状态的上传。
S2：主控制器中的DSP用于接收上位监控机或者手工输入的操作命令，进行直流稳压、ANPC三电平逆变器中点均压、两组ANPC三电平逆变模块组的并联输出总电流进行闭环控制，并采用断续空间矢量调制DSVPWM方法得到以下信号：三相调制波Ua1-ref、Ub1-ref、Uc1-ref、Ua2-ref、Ub2-ref、Uc2-ref，正负半周标志Sig1a1、Sig1b1、Sig1c1、Sig1a2、Sig1b2、Sig1c2，脉冲交换标志Sig2a1、Sig2b1、Sig2c1、Sig2a2、Sig2b2、Sig2c2，并将上述信号送入主控制器中的FPGA。
S3:主控制器中的FPGA将接收到的两组三相调制波Ua1-ref、Ub1-ref、Uc1-ref与Ua2-ref、Ub2-ref、Uc2-ref分别与两个错相180度的三角载波进行比较，实现两组ANPC三电平逆变模块组并联输出的等效开关频率能够增加一倍，减小滤波电感体积；比较后得到两组三相PWM信号PWMa1、PWMb1、PWMc1与PWMa2、PWMb2、PWMc2，连同正负半周标志Sig1a1、Sig1b1、Sig1c1与Sig1a2、Sig1b2、Sig1c2，脉冲交换标志Sig2a1、Sig2b1、Sig2c1与Sig2a2、Sig2b2、Sig2c2一起通过高速通信方式分别对应下发给两组ANPC三电平逆变模块组，每组ANPC三电平逆变模块组中的每个逆变模块接收相同的控制信号。
S4：ANPC三电平逆变模块内部的底层控制器接收主控制器以通信方式下发的PWM信号、正负半周标志、脉冲通道交换标志信号，并采用ANPC控制方式还原成标准的每相6路三相共18路PWM信号，控制对应的ANPC三电平逆变模块内部所有IGBT开关动作，实现消除长换流回路的IGBT关断电压尖峰过高问题；底层控制器将对应的ANPC三电平逆变模块的故障信息和其IGBT温度通过上传反馈给主控制器。
S5：若某个ANPC三电平逆变模块故障退出运行，主控制器同等幅度减小两组ANPC三电平逆变模块组的功率输出，双向变流装置降额运行。
进一步地，S2中具体包括以下步骤：
2-1)人工设置直流触网电压目标值Udc-ref，并实时检测双向变流装置的正、负直流电压Udc1、Udc2；正、负直流电压Udc1、Udc2的和为直流总电压Udc-t，差为中点电压偏差Udc-n；直流总稳压控制器将Udc-ref和Udc-t进行比较，计算Udc-ref和Udc-t之间误差，并将误差作为输入信号输入PI控制器；通过PI控制器输出dq坐标系下的d轴有功电流指令Id-ref，；将Id-ref除以2得到第一ANPC三电平逆变模块组和第二ANPC三电平逆变模块组的d轴有功指令依次为Id1-ref、Id2-ref；若Udc-t小于Udc-ref，则误差为正值，稳压环得到正的电流指令，双向变流装置工作在牵引整流状态；若Udc-t大于Udc-ref，则误差为负值，稳压环得到负的电流指令，双向变流装置工作在逆变回馈状态。
2-2)根据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，将Iq-ref除以2得到第一ANPC三电平逆变模块组和第二ANPC三电平逆变模块组的q轴无功指令分别为Iq1-ref、Iq2-ref。
2-3)三相电压互感器PT1、PT2、PT3分别检测变压器升压变高压侧三相线采样电网电压Usa、Usb、Usc，该电压经由锁相环PLL计算得到dq变换需要的电网同步信号ωt；对电网电压Usa、Usb、Usc与第一ANPC三电平逆变模块组输出总电流Ia1、Ib1、Ic1与第二ANPC三电平逆变模块组输出总电流Ia2、Ib2、Ic2分别进行dq变换，分别得到dq坐标系下电网电压Usd、Usq,第一ANPC三电平逆变模块组输出总电流Id1、Iq1,第二ANPC三电平逆变模块组输出总电流Id2、Iq2。
2-4)每个ANPC三电平逆变模块组对应一组dq坐标系下的电流控制器；通过两组dq坐标系下的电流控制器分别比较第一ANPC三电平逆变模块组的电流指令Id1-ref、Iq1-ref与第二ANPC三电平逆变模块组的电流指令Id2-ref、Iq2-ref中的每组电流指令和实际每组ANPC三电平逆变模块组对应输出总电流Id1、Iq1、Id2、Iq2的差值，该差值分别输入对应的ANPC三电平逆变模块组的dq轴电流控制器，其控制输出均叠加上电网电压Usd、Usq,得到两组ANPC三电平逆变模块组对应的控制输出Uid1-ref、Uiq1-ref、Uid2-ref、Uiq2-ref；其中电流控制器采用PI控制器和六次谐振控制器R6并联结构；所述PI控制器能够对基波电流进行无静差控制，六次谐振控制器R6用来抑制DSVPWM引入的五、七次谐波电流。
2-5)将两组ANPC三电平逆变模块组对应的控制输出Uid1-ref、Uiq1-ref、Uid2-ref、Uiq2-ref分别进入DSVPWM模块进行调制；DSVPWM模块的调制算法将输出最大电流桥臂的IGBT由PWM脉冲开关动作改为长通或者长断；DSVPWM模块输出以下控制信号：调制波Ua1-ref、Ub1-ref、Uc1-ref、Ua2-ref、Ub2-ref、Uc2-ref，正负半周标志Sig1a1、Sig1b1、Sig1c1、Sig1a2、Sig1b2、Sig1c2，脉冲交换标志Sig2a1、Sig2b1、Sig2c1、Sig2a2、Sig2b2、Sig2c2。其中DSVPWM模块的调制算法能够减少1/3的开关动作次数、大约一半的开关损耗。
进一步地，S4中具体包括以下步骤：
4-1)第一ANPC三电平逆变模块组中的所有底层控制器接收到相同的三相PWM信号PWMa1、PWMb1、PWMc1，正负半周标志Sig1a1、Sig1b1、Sig1c1，脉冲交换标志Sig2a1、Sig2b1、Sig2c1；底层控制器首先通过正负半周标志Sig1a1、Sig1b1、Sig1c1判断逆变交流电压是正半波还是负半波，如果处在正半波，则PWMa1-x-2，、PWMb1-x-2、PWMc1-x-2给长通信号，PWMa1-x-3、PWMb1-x-3、PWMc1-x-3、PWMa1-x-4、PWMb1-x-4、PWMc1-x-4、PWMa1-x-6、PWMb1-x-6、PWMc1-x-6给长断信号；如果处在负半波，则PWMa1-x-3、PWMb1-x-3、PWMc1-x-3给长通信号，PWMa1-x-1、PWMb1-x-1、PWMc1-x-1、PWMa1-x-2、PWMb1-x-2、PWMc1-x-2、PWMa1-x-5、PWMb1-x-5、PWMc1-x-5给长断信号；其中下标x代表同一组中的第x台逆变模块，1≦x≦n，n为对应的ANPC三电平逆变模块组的ANPC三电平逆变模块的数目。
4-2)第一ANPC三电平逆变模块组中的每个底层控制器继续通过脉冲交换标志Sig2a1、Sig2b1、Sig2c1判断PWM脉冲通道是否需要交换，存在以下四种处理方式：①如果不需交换、交流电压正半周，则将PWMa1、PWMb1、PWMc1赋给PWMa1-x-1、PWMb1-x-1、PWMc1-x-1，PWMa1、PWMb1、PWMc1互补取反后赋给PWMa1-x-5、PWMb1-x-5、PWMc1-x-5；②如果需要交换、交流电压正半周，则将PWMa1、PWMb1、PWMc1赋给PWMa1-x-5、PWMb1-x-5、PWMc1-x-5，PWMa1、PWMb1、PWMc1互补取反后赋给PWMa1-x-1、PWMb1-x-1、PWMc1-x-1；③如果不需交换、交流电压负半周，则将PWMa1、PWMb1、PWMc1赋给PWMa1-x-4、PWMb1-x-4、PWMc1-x-4，PWMa1、PWMb1、PWMc1互补取反后赋给PWMa1-x-6、PWMb1-x-6、PWMc1-x-6；④如果需要交换、交流电压负半周，则将PWMa1、PWMb1、PWMc1赋给PWMa1-x-6、PWMb1-x-6、PWMc1-x-6，PWMa1、PWMb1、PWMc1互补取反后赋给PWMa1-x-4、PWMb1-x-4、PWMc1-x-4。
4-3)第二ANPC三电平逆变模块组中的所有底层控制器接收到相同的三相PWM信号PWMa2、PWMb2、PWMc2，正负半周标志Sig1a2、Sig1b2、Sig1c2，脉冲交换标志Sig2a2、Sig2b2、Sig2c2。然后采用和4-1)、4-2)相同的ANPC控制步骤得到每相6路三相共18路PWM信号：PWMa2-x-1、PWMb2-x-1、PWMc2-x-1、PWMa2-x-2、PWMb2-x-2、PWMc2-x-2、PWMa2-x-3、PWMb2-x-3、PWMc2-x-3、PWMa2-x-4、PWMb2-x-4、PWMc2-x-4、PWMa2-x-5、PWMb2-x-5、PWMc2-x-5、PWMa2-x-6、PWMb2-x-6、PWMc2-x-6。
3.有益效果：
(1)本发明中的ANPC三电平逆变器模块实现稳定直流触网电压，达到牵引整流、逆变回馈的目的。
(2)本发明中采用断续空间矢量调制DSVPWM调制方法，有效降低开关损耗。
(3)本发明中采用模块化有源中点钳位ANPC实现控制消除长换流回路的IGBT关断电压尖峰过高问题。
(4)本系统能够实现故障冗余运行、可靠性强。
附图说明
图1为一种基于ANPC三电平逆变器的地铁双向变流控制装置的控制系统结构示意图；
图2为本发明中的ANPC三电平逆变模块的控制器结构示意图；
图3为一种基于ANPC三电平逆变器的地铁双向变流控制方法的控制系统框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体的说明。
如附图1至附图2一种基于ANPC三电平逆变器的地铁双向变流控制装置，其特征在于：包括双向变流装置与控制装置。
如附图1所示，基于ANPC三电平逆变器的地铁双向变流控制装置包括两组并联的ANPC三电平逆变模块组、一台副边双绕组升压变压器；所述ANPC三电平逆变模块组与直流电网相连将直流电转换成低压交流电传输至副边双绕组升压变压器，副边双绕组升压变压器输出中压交流电至中压电网；每组ANPC三电平逆变模块组包括至少一路ANPC三电平逆变模块；每个ANPC三电平逆变模块输出端通过与之串联的交流滤波电感连接至副边双绕组升压变压器的对应副边绕组；且每个ANPC三电平逆变模块组内的每台ANPC三电平逆变模块交流输出经过滤波电感后连接同一个变压器副方绕组；变压器副方绕组的每相接线柱均连接相应的采样电流传感器。附图中采用的是光纤通信，包括1根下发/一根上传光纤。
所述控制装置包括主控制器和安装在每个ANPC三电平逆变模块中的底层控制器；所述主控制器与上位监控机或者手工输入装置通信相连；所述主控器与底层控制器通过高速通信方式，进行控制量的下发、逆变模块工作状态的上传；所述主控制器由DSP和FPGA构成；所述底层控制器由FPGA构成；所述变压器接线柱连接的采样电流传感器与主控制器通信相连。
进一步地，如附图2所示，所述ANPC三电平逆变模块的每相桥臂均由三只半桥IGBT模块构成的；其中1号IGBT模块包含开关元件T1m、T5m，二极管D1m、D5m,其中T1m、T5m分别反向并联D1m、D5m；2号IGBT模块包含开关元件T2m、T3m，二极管D2m、D3m,其中T2m、T3m分别反向并联D2m、D3m；3号IGBT模块包含开关元件T4m、T6m，二极管D4m、D6m,其中T4m、T6m分别反向并联D4m、D6m；其中m表示a、b、c三相；所述底层控制器控制相应的ANPC三电平逆变模块的IGBT模块通断。
进一步地，所述副边双绕组升压变压器为三相三柱式，高压侧采用三角形接法，低压侧采用两组三相星型接法绕组。
如附图3所示，一种基于ANPC三电平逆变器的地铁双向变流控制装置的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：在每个ANPC三电平逆变模块中均安装一个控制其动作的底层控制器；主控制器和底层控制器之间通过高速通信方式实现进行控制量的下发、逆变模块工作状态的上传。
S2：主控制器中的DSP用于接收上位监控机或者手工输入的操作命令，进行直流稳压、ANPC三电平逆变器中点均压、两组ANPC三电平逆变模块组的并联输出总电流进行闭环控制，并采用断续空间矢量调制DSVPWM方法得到以下信号：三相调制波Ua1-ref、Ub1-ref、Uc1-ref、Ua2-ref、Ub2-ref、Uc2-ref，正负半周标志Sig1a1、Sig1b1、Sig1c1、Sig1a2、Sig1b2、Sig1c2，脉冲交换标志Sig2a1、Sig2b1、Sig2c1、Sig2a2、Sig2b2、Sig2c2，并将上述信号送入主控制器中的FPGA。
S3:主控制器中的FPGA将接收到的两组三相调制波Ua1-ref、Ub1-ref、Uc1-ref与Ua2-ref、Ub2-ref、Uc2-ref分别与两个错相180度的三角载波进行比较，实现两组ANPC三电平逆变模块组并联输出的等效开关频率能够增加一倍，减小滤波电感体积；比较后得到两组三相PWM信号PWMa1、PWMb1、PWMc1与PWMa2、PWMb2、PWMc2，连同正负半周标志Sig1a1、Sig1b1、Sig1c1与Sig1a2、Sig1b2、Sig1c2，脉冲交换标志Sig2a1、Sig2b1、Sig2c1与Sig2a2、Sig2b2、Sig2c2一起通过高速通信方式分别对应下发给两组ANPC三电平逆变模块组，每组ANPC三电平逆变模块组中的每个逆变模块接收相同的控制信号。
S4：ANPC三电平逆变模块内部的底层控制器接收主控制器以通信方式下发的PWM信号、正负半周标志、脉冲通道交换标志信号，并采用ANPC控制方式还原成标准的每相6路三相共18路PWM信号，控制对应的ANPC三电平逆变模块内部所有IGBT开关动作，实现消除长换流回路的IGBT关断电压尖峰过高问题；底层控制器将对应的ANPC三电平逆变模块的故障信息和其IGBT温度通过上传反馈给主控制器。
S5：若某个ANPC三电平逆变模块故障退出运行，主控制器同等幅度减小两组ANPC三电平逆变模块组的功率输出，双向变流装置降额运行。
进一步地，S2中具体包括以下步骤：
2-1)人工设置直流触网电压目标值Udc-ref，并实时检测双向变流装置的正、负直流电压Udc1、Udc2；正、负直流电压Udc1、Udc2的和为直流总电压Udc-t，差为中点电压偏差Udc-n；直流总稳压控制器将Udc-ref和Udc-t进行比较，计算Udc-ref和Udc-t之间误差，并将误差作为输入信号输入PI控制器；通过PI控制器输出dq坐标系下的d轴有功电流指令Id-ref，；将Id-ref除以2得到第一ANPC三电平逆变模块组和第二ANPC三电平逆变模块组的d轴有功指令依次为Id1-ref、Id2-ref；若Udc-t小于Udc-ref，则误差为正值，稳压环得到正的电流指令，双向变流装置工作在牵引整流状态；若Udc-t大于Udc-ref，则误差为负值，稳压环得到负的电流指令，双向变流装置工作在逆变回馈状态。
2-2)根据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，将Iq-ref除以2得到第一ANPC三电平逆变模块组和第二ANPC三电平逆变模块组的q轴无功指令分别为Iq1-ref、Iq2-ref。
2-3)三相电压互感器PT1、PT2、PT3分别检测变压器升压变高压侧三相线采样电网电压Usa、Usb、Usc，该电压经由锁相环PLL计算得到dq变换需要的电网同步信号ωt；对电网电压Usa、Usb、Usc与第一ANPC三电平逆变模块组输出总电流Ia1、Ib1、Ic1与第二ANPC三电平逆变模块组输出总电流Ia2、Ib2、Ic2分别进行dq变换，分别得到dq坐标系下电网电压Usd、Usq,第一ANPC三电平逆变模块组输出总电流Id1、Iq1,第二ANPC三电平逆变模块组输出总电流Id2、Iq2；。
2-4)每个ANPC三电平逆变模块组对应一组dq坐标系下的电流控制器；通过两组dq坐标系下的电流控制器分别比较第一ANPC三电平逆变模块组的电流指令Id1-ref、Iq1-ref与第二ANPC三电平逆变模块组的电流指令Id2-ref、Iq2-ref中的每组电流指令和实际每组ANPC三电平逆变模块组对应输出总电流Id1、Iq1、Id2、Iq2的差值，该差值分别输入对应的ANPC三电平逆变模块组的dq轴电流控制器，其控制输出均叠加上电网电压Usd、Usq,得到两组ANPC三电平逆变模块组对应的控制输出Uid1-ref、Uiq1-ref、Uid2-ref、Uiq2-ref；其中电流控制器采用PI控制器和六次谐振控制器R6并联结构；所述PI控制器能够对基波电流进行无静差控制，六次谐振控制器R6用来抑制DSVPWM引入的五、七次谐波电流。
2-5)将两组ANPC三电平逆变模块组对应的控制输出Uid1-ref、Uiq1-ref、Uid2-ref、Uiq2-ref分别进入DSVPWM模块进行调制；DSVPWM模块的调制算法将输出最大电流桥臂的IGBT由PWM脉冲开关动作改为长通或者长断，能够降低开关损耗；DSVPWM模块输出以下控制信号：调制波Ua1-ref、Ub1-ref、Uc1-ref、Ua2-ref、Ub2-ref、Uc2-ref，正负半周标志Sig1a1、Sig1b1、Sig1c1、Sig1a2、Sig1b2、Sig1c2，脉冲交换标志Sig2a1、Sig2b1、Sig2c1、Sig2a2、Sig2b2、Sig2c2。
进一步地，S4中具体包括以下步骤：
4-1)第一ANPC三电平逆变模块组中的所有底层控制器接收到相同的三相PWM信号PWMa1、PWMb1、PWMc1，正负半周标志Sig1a1、Sig1b1、Sig1c1，脉冲交换标志Sig2a1、Sig2b1、Sig2c1；底层控制器首先通过正负半周标志Sig1a1、Sig1b1、Sig1c1判断逆变交流电压是正半波还是负半波，如果处在正半波，则PWMa1-x-2，、PWMb1-x-2、PWMc1-x-2给长通信号，PWMa1-x-3、PWMb1-x-3、PWMc1-x-3、PWMa1-x-4、PWMb1-x-4、PWMc1-x-4、PWMa1-x-6、PWMb1-x-6、PWMc1-x-6给长断信号；如果处在负半波，则PWMa1-x-3、PWMb1-x-3、PWMc1-x-3给长通信号，PWMa1-x-1、PWMb1-x-1、PWMc1-x-1、PWMa1-x-2、PWMb1-x-2、PWMc1-x-2、PWMa1-x-5、PWMb1-x-5、PWMc1-x-5给长断信号；其中下标x代表同一组中的第x台逆变模块，1≦x≦n，n为对应的ANPC三电平逆变模块组的ANPC三电平逆变模块的数目。
4-2)第一ANPC三电平逆变模块组中的每个底层控制器继续通过脉冲交换标志Sig2a1、Sig2b1、Sig2c1判断PWM脉冲通道是否需要交换，存在以下四种处理方式：①如果不需交换、交流电压正半周，则将PWMa1、PWMb1、PWMc1赋给PWMa1-x-1、PWMb1-x-1、PWMc1-x-1，PWMa1、PWMb1、PWMc1互补取反后赋给PWMa1-x-5、PWMb1-x-5、PWMc1-x-5；②如果需要交换、交流电压正半周，则将PWMa1、PWMb1、PWMc1赋给PWMa1-x-5、PWMb1-x-5、PWMc1-x-5，PWMa1、PWMb1、PWMc1互补取反后赋给PWMa1-x-1、PWMb1-x-1、PWMc1-x-1；③如果不需交换、交流电压负半周，则将PWMa1、PWMb1、PWMc1赋给PWMa1-x-4、PWMb1-x-4、PWMc1-x-4，PWMa1、PWMb1、PWMc1互补取反后赋给PWMa1-x-6、PWMb1-x-6、PWMc1-x-6；④如果需要交换、交流电压负半周，则将PWMa1、PWMb1、PWMc1赋给PWMa1-x-6、PWMb1-x-6、PWMc1-x-6，PWMa1、PWMb1、PWMc1互补取反后赋给PWMa1-x-4、PWMb1-x-4、PWMc1-x-4。
4-3)第二ANPC三电平逆变模块组中的所有底层控制器接收到相同的三相PWM信号PWMa2、PWMb2、PWMc2，正负半周标志Sig1a2、Sig1b2、Sig1c2，脉冲交换标志Sig2a2、Sig2b2、Sig2c2。然后采用和4-1)、4-2)相同的ANPC控制步骤得到每相6路三相共18路PWM信号：PWMa2-x-1、PWMb2-x-1、PWMc2-x-1、PWMa2-x-2、PWMb2-x-2、PWMc2-x-2、PWMa2-x-3、PWMb2-x-3、PWMc2-x-3、PWMa2-x-4、PWMb2-x-4、PWMc2-x-4、PWMa2-x-5、PWMb2-x-5、PWMc2-x-5、PWMa2-x-6、PWMb2-x-6、PWMc2-x-6。
具体实施例：
当列车牵引/制动时，双向变流装置自动检测直流母线电压，将装置控制在整流/逆变状态，实现牵引供电/制动能量回馈，如图1、2、3所示的各个部件如下：
模块化双向变流装置：两组ANPC三电平逆变模块组分别连接到升压变压器副方的两套三相星型接法绕组；每组ANPC三电平逆变模块组交流侧串联滤波电感并联、直流侧直接并联，满足不同电流需求。TA1、TB1、TC1和TA2、TB2、TC2分别采样两组ANPC三电平逆变模块输出总电流，进行电流闭环控制。TV1、TV2为直流电压霍尔传感器，分别采样上、下半直流母线电压，进行稳压控制。
ANPC三电平逆变模块：逆变器为ANPC三电平电路拓扑，输出1/2Udc、0、-1/2Udc三种电平，相比普通两电平电路的Udc、-Udc输出，能将开关纹波幅值减小一倍。并且IGBT只承担1/2Udc母线电压，是普通两电平电路的一半，可以采用较低耐压的IGBT降低开关损耗，提高开关频率。这样输出开关纹波频率高、幅值小，能够减小交流滤波电感尺寸、降低成本。
在本实施例中每个ANPC三电平逆变桥臂采用3只英飞凌1700V/1400A半桥IGBT模块构成，其中1号IGBT模块实现T1/D1、T5/D5，2号IGBT模块实现T2/D2、T3/D3，3号IGBT模块实现T4/D4、T6/D6。采用交流电压正半波T2长通，T1、T5互补PWM；交流电压负半波T3长通，T4、T6互补PWM的控制方式可以确保换流回路都在1、3号IGBT模块内部，有效降低IGBT关断电压尖峰，保证装置运行可靠性。
交流滤波电感：每台ANPC三电平逆变器的交流输出都串联滤波电感，该电感不仅滤除开关纹波，还抑制逆变模块并联桥臂间的环流。相比采用高阻抗变压器漏感方案，专门设计的三相三柱铁芯电感体积小、噪音低。
变压器：将ANPC三电平逆变模块输出的低压交流升压到中压，接入中压电网；变压器为三相三柱式，高压侧三角形接法，连接35/33kV电网，低压侧为两组三相星型接法绕组，额定线电压0.95kV；两组三相星型接法绕组为两组ANPC三电平逆变模块的载波移相控制进行隔离，防止产生高频环流。变压器具有6％的短路阻抗，其漏感被用作逆变器输出滤波电感的一部分，由于其感值较小，因此主要还是依靠专门安装的铁芯滤波电感。PT1、PT2、PT3是交流电压互感器，用于检测电网电压，给主控制器(安装在逆变模块中)提供电网同步信号并进行电网电压前馈控制。
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.基于ANPC三电平逆变器的地铁双向变流控制装置的控制方法，其特征在于：用于控制基于ANPC三电平逆变器的地铁双向变流控制装置，所述基于ANPC三电平逆变器的地铁双向变流控制装置包括双向变流装置与控制装置；
所述双向变流装置包括两组并联的ANPC三电平逆变模块组、一台副边双绕组升压变压器；所述ANPC三电平逆变模块组与直流电网相连将直流电转换成低压交流电传输至副边双绕组升压变压器，副边双绕组升压变压器输出中压交流电至中压电网；每组ANPC三电平逆变模块组包括至少一路ANPC三电平逆变模块；每个ANPC三电平逆变模块输出端通过与之串联的交流滤波电感连接至副边双绕组升压变压器的对应副边绕组；每个ANPC三电平逆变模块组内的每台ANPC三电平逆变模块交流输出经过滤波电感后连接同一个变压器副方绕组；变压器副方绕组的每相接线柱均连接相应的采样电流传感器；
所述控制装置包括主控制器和安装在每个ANPC三电平逆变模块中的控制ANPC三电平逆变模块的底层控制器；所述主控制器与上位监控机或者手工输入装置通信相连；所述主控制器与底层控制器通过高速通信方式，进行控制量的下发、逆变模块工作状态的上传；所述主控制器由DSP和FPGA构成；所述底层控制器由FPGA构成；所述变压器接线柱连接的采样电流传感器与主控制器通信相连；
所述ANPC三电平逆变模块的每相桥臂均由三只半桥IGBT模块构成的；其中1号IGBT模块包含开关元件T1m、T5m ，二极管D1m、D5m,其中 T1m、T5m分别反向并联D1m、D5m；2号IGBT模块包含开关元件T2m、T3m ，二极管D2m、D3m, 其中T2m、T3m分别反向并联D2m、D3m；3号IGBT模块包含开关元件T4m、T6m ，二极管D4m、D6m, 其中T4m、T6m分别反向并联D4m、D6m；其中m表示a、b、c三相；所述底层控制器控制相应的ANPC三电平逆变模块的IGBT模块通断；
所述副边双绕组升压变压器为三相三柱式，高压侧采用三角形接法，低压侧采用两组三相星型接法绕组；
基于ANPC三电平逆变器的地铁双向变流控制装置的控制方法，包括以下步骤：
S1：在每个ANPC三电平逆变模块中均安装一个控制其动作的底层控制器；主控制器和底层控制器之间通过高速通信方式实现进行控制量的下发、逆变模块工作状态的上传；
S2：主控制器中的DSP用于接收上位监控机或者手工输入的操作命令，进行直流稳压、ANPC三电平逆变器中点均压、两组ANPC三电平逆变模块组的并联输出总电流进行闭环控制，并采用断续空间矢量调制DSVPWM方法得到以下信号：三相调制波Ua1-ref、Ub1-ref、Uc1-ref、Ua2-ref、Ub2-ref、Uc2-ref，正负半周标志Sig1a1、Sig1b1、Sig1c1、Sig1a2、Sig1b2、Sig1c2，脉冲交换标志Sig2a1、Sig2b1、Sig2c1、Sig2a2、Sig2b2、Sig2c2，并将上述信号送入主控制器中的FPGA；
S3:主控制器中的FPGA将接收到的两组三相调制波Ua1-ref、Ub1-ref、Uc1-ref与Ua2-ref、Ub2-ref、Uc2-ref分别与两个错相180度的三角载波进行比较，实现两组ANPC三电平逆变模块组并联输出的等效开关频率能够增加一倍，减小滤波电感体积；比较后得到两组三相PWM信号PWMa1、PWMb1、PWMc1与PWMa2、PWMb2、PWMc2，连同正负半周标志Sig1a1、Sig1b1、Sig1c1与Sig1a2、Sig1b2、Sig1c2，脉冲交换标志Sig2a1、Sig2b1、Sig2c1与Sig2a2、Sig2b2、Sig2c2一起通过高速通信方式分别对应下发给两组ANPC三电平逆变模块组，每组ANPC三电平逆变模块组中的每个逆变模块接收相同的控制信号：
S4：ANPC三电平逆变模块内部的底层控制器接收主控制器以通信方式下发的PWM信号、正负半周标志、脉冲通道交换标志信号，并采用ANPC控制方式还原成标准的每相6路三相共18路PWM信号，控制对应的ANPC三电平逆变模块内部所有IGBT开关动作，实现消除长换流回路的IGBT关断电压尖峰过高问题；底层控制器将对应的ANPC三电平逆变模块的故障信息和其IGBT温度通过上传反馈给主控制器；
S5：若某个ANPC三电平逆变模块故障退出运行，主控制器同等幅度减小两组ANPC三电平逆变模块组的功率输出，双向变流装置降额运行。
2.根据权利要求1所述的基于ANPC三电平逆变器的地铁双向变流控制装置的控制方法，其特征在于：S2中具体包括以下步骤：
2-1）人工设置直流触网电压目标值Udc-ref，并实时检测双向变流装置的正、负直流电压Udc1、Udc2；正、负直流电压Udc1、Udc2的和为直流总电压Udc-t，差为中点电压偏差Udc-n；直流总稳压控制器将Udc-ref和Udc-t进行比较，计算Udc-ref和Udc-t之间误差，并将误差作为输入信号输入PI控制器；通过PI控制器输出dq坐标系下的d轴有功电流指令Id-ref；将Id-ref除以2得到第一ANPC三电平逆变模块组和第二ANPC三电平逆变模块组的d轴有功指令依次为Id1-ref、Id2-ref；若Udc-t小于Udc-ref，则误差为正值，稳压环得到正的电流指令，双向变流装置工作在牵引整流状态；若Udc-t大于Udc-ref，则误差为负值，稳压环得到负的电流指令，双向变流装置工作在逆变回馈状态；
2-2）根据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，将Iq-ref除以2得到第一ANPC三电平逆变模块组和第二ANPC三电平逆变模块组的q轴无功指令分别为Iq1-ref、Iq2-ref；
2-3）三相电压互感器PT1、PT2、PT3分别检测变压器升压变高压侧三相线采样电网电压Usa、Usb、Usc，该电压经由锁相环PLL计算得到dq变换需要的电网同步信号ωt；对电网电压Usa、Usb、Usc与第一ANPC三电平逆变模块组输出总电流Ia1、Ib1、Ic1与第二ANPC三电平逆变模块组输出总电流Ia2、Ib2、Ic2分别进行dq变换，分别得到dq坐标系下电网电压Usd、Usq,第一ANPC三电平逆变模块组输出总电流Id1、Iq1,第二ANPC三电平逆变模块组输出总电流Id2、Iq2；
2-4）每个ANPC三电平逆变模块组对应一组dq坐标系下的电流控制器；通过两组dq坐标系下的电流控制器分别比较第一ANPC三电平逆变模块组的电流指令Id1-ref、Iq1-ref与第二ANPC三电平逆变模块组的电流指令Id2-ref、Iq2-ref中的每组电流指令和实际每组ANPC三电平逆变模块组对应输出总电流Id1、Iq1、Id2、Iq2的差值，该差值分别输入对应的ANPC三电平逆变模块组的dq轴电流控制器，其控制输出均叠加上电网电压Usd、Usq,得到两组ANPC三电平逆变模块组对应的控制输出Uid1-ref、Uiq1-ref、Uid2-ref、Uiq2-ref；其中电流控制器采用PI控制器和六次谐振控制器R6并联结构；所述PI控制器能够对基波电流进行无静差控制，六次谐振控制器R6用来抑制DSVPWM引入的五、七次谐波电流；
2-5）将两组ANPC三电平逆变模块组对应的控制输出Uid1-ref、Uiq1-ref、Uid2-ref、Uiq2-ref分别进入DSVPWM模块进行调制；DSVPWM模块的调制算法将输出最大电流桥臂的IGBT由PWM脉冲开关动作改为长通或者长断；DSVPWM模块输出以下控制信号：调制波Ua1-ref、Ub1-ref、Uc1-ref、Ua2-ref、Ub2-ref、Uc2-ref，正负半周标志Sig1a1、Sig1b1、Sig1c1、Sig1a2、Sig1b2、Sig1c2，脉冲交换标志Sig2a1、Sig2b1、Sig2c1、Sig2a2、Sig2b2、Sig2c2。
3.根据权利要求2所述的一种基于ANPC三电平逆变器的地铁双向变流控制装置的控制方法，其特征在于：S4中具体包括以下步骤：
4-1）第一ANPC三电平逆变模块组中的所有底层控制器接收到相同的三相PWM信号PWMa1、PWMb1、PWMc1，正负半周标志Sig1a1、Sig1b1、Sig1c1，脉冲交换标志Sig2a1、Sig2b1、Sig2c1；底层控制器首先通过正负半周标志Sig1a1、Sig1b1、Sig1c1判断逆变交流电压是正半波还是负半波，如果处在正半波，则PWMa1-x-2、PWMb1-x-2、PWMc1-x-2给长通信号，PWMa1-x-3、PWMb1-x-3、PWMc1-x-3、PWMa1-x-4、PWMb1-x-4、PWMc1-x-4、PWMa1-x-6、PWMb1-x-6、PWMc1-x-6给长断信号；如果处在负半波，则PWMa1-x-3、PWMb1-x-3、PWMc1-x-3给长通信号，PWMa1-x-1、PWMb1-x-1、PWMc1-x-1、PWMa1-x-2、PWMb1-x-2、PWMc1-x-2、PWMa1-x-5、PWMb1-x-5、PWMc1-x-5给长断信号；其中下标x代表同一组中的第x台逆变模块，1≦x≦n，n为对应的ANPC三电平逆变模块组的ANPC三电平逆变模块的数目；
4-2）第一ANPC三电平逆变模块组中的每个底层控制器继续通过脉冲交换标志Sig2a1、Sig2b1、Sig2c1判断PWM脉冲通道是否需要交换，存在以下四种处理方式：①如果不需交换、交流电压正半周，则将PWMa1、PWMb1、PWMc1赋给PWMa1-x-1、PWMb1-x-1、PWMc1-x-1，PWMa1、PWMb1、PWMc1互补取反后赋给PWMa1-x-5、PWMb1-x-5、PWMc1-x-5；②如果需要交换、交流电压正半周，则将PWMa1、PWMb1、PWMc1赋给PWMa1-x-5、PWMb1-x-5、PWMc1-x-5，PWMa1、PWMb1、PWMc1互补取反后赋给PWMa1-x-1、PWMb1-x-1、PWMc1-x-1；③如果不需交换、交流电压负半周，则将PWMa1、PWMb1、PWMc1赋给PWMa1-x-4、PWMb1-x-4、PWMc1-x-4，PWMa1、PWMb1、PWMc1互补取反后赋给PWMa1-x-6、PWMb1-x-6、PWMc1-x-6；④如果需要交换、交流电压负半周，则将PWMa1、PWMb1、PWMc1赋给PWMa1-x-6、PWMb1-x-6、PWMc1-x-6，PWMa1、PWMb1、PWMc1互补取反后赋给PWMa1-x-4、PWMb1-x-4、PWMc1-x-4；
4-3）第二ANPC三电平逆变模块组中的所有底层控制器接收到相同的三相PWM信号PWMa2、PWMb2、PWMc2，正负半周标志Sig1a2、Sig1b2、Sig1c2，脉冲交换标志Sig2a2、Sig2b2、Sig2c2；然后采用和4-1）、4-2）相同的ANPC控制步骤得到每相6路三相共18路PWM信号：PWMa2-x-1、PWMb2-x-1、PWMc2-x-1、PWMa2-x-2、PWMb2-x-2、PWMc2-x-2、PWMa2-x-3、PWMb2-x-3、PWMc2-x-3、PWMa2-x-4、PWMb2-x-4、PWMc2-x-4、PWMa2-x-5、PWMb2-x-5、PWMc2-x-5、PWMa2-x-6、PWMb2-x-6、PWMc2-x-6。
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