CN113422397B - 一种用于柔性牵引供电装置能馈和整流的自动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及柔性电网的技术领域，公开了一种用于柔性牵引供电装置能馈和整流的自动控制方法，根据实时采集交流侧瞬时电压的有效值和幅值，获得直流侧的空载电压值和幅值，进而计算获得柔性牵引供电装置能馈和整流控制的各个电压阈值，然后将实时采集直流侧的空载电压值与各个电压阈值做比较，完成对柔性牵引供电装置能馈和整流的自动控制。本发明的自动控制方法能准确反映直流侧实时空载电压，并能自动调整阈值，能准确判断直流侧电网状态并实现能馈和整流的准确动作。

Description

一种用于柔性牵引供电装置能馈和整流的自动控制方法

技术领域

本发明涉及柔性电网的技术领域，尤其涉及一种用于柔性牵引供电装置能馈和整流的自动控制方法。

背景技术

通常地铁轨道交通系统采用二极管不控整流来向直流网供电，以供地铁列车牵引使用。在列车制动时，列车的动能将通过牵引电机倒送至直流牵引网上，由于二极管整流器的单向导通性，这部分能量不能回馈至交流电网，进而引起直流网电压抬升，为保证直流网电压稳定，传统的措施是采取电阻耗能或列车闸瓦摩擦制动。

目前越来越多的地铁采用基于逆变技术的能量回馈装置，在列车制动引起直流网压升高时，通过逆变器将直流电能反送到交流电网。同时，部分应用场合也对能量回馈装置也提出了整流的要求来配合原二极管整流器。柔性牵引供电装置是一种新型的集成装置，该装置通过一台四绕组变压器将能量回馈变流器和二极管不控整流器集成在一起，实现了直流供电和制动能量回馈的集成。当向直流牵引网供电时，二极管整流器和能馈变流器同时工作，向直流网输出牵引能量；当列车制动引起直流网电压升高时，二极管整流器反向截止，能馈变流器转入逆变状态，从直流网汲取能量并向交流网传输，以抑制直流网压的升高。

对逆变能馈状态的判断，通常是以直流网压是否触发阈值实现，即设定一个固定的直流电压阈值，将采集的直流网压与预先设定的直流电压阈值进行判断，当直流电压实时值超过此启动阈值时，能馈变流器启动，开始回馈能量，抑制直流网压的进一步升高；当直流网压下降到退出阈值时，能馈变流器退出。该方法存在如下问题：

(1)当交流网电压偏高时，直流侧空载网压也随之升高，导致空载电压与能馈启动阈值电压接近，容易造成误判和震荡，同时也容易导致能馈变流器和不控整流器的环流；

(2)当交流网电压偏低时，直流侧空载电压也随之降低，导致列车制动时的直流电压也相对降低，如果保持固定的阈值电压，则直流电压不易触发阈值，造成制动能量未被有效回收，导致能量浪费。

对整流状态的判断，通常是以直流网压来判断，即设定一个固定的直流网压阈值，当列车启动时直流电压下降到该阈值时，能馈变流器进入整流状态，与二极管整流器共同输出电流给直流牵引网。该方法同样存在一些问题：

(1)当交流网电压偏高时，直流侧空载网压也随之升高，导致在列车启动时，直流网压仍然较高，能馈变流器无法参与整流；当交流网电压偏低时，直流侧空载电压偏低，当列车运行时容易导致直流网电压非常容易触发阈值，导致能馈变流器频繁启动进行整流，引起设备不必要的损耗和对系统的频繁冲击；

(2)当二极管不控整流器和变流器共同整流时，存在一个负载分配的问题，常规的方法是控制变流器的阻抗特性来匹配整流器以实现负载均分，但实际这是一种开环控制方法，其精度较低；当变流器功率相对整流器较小时，这种方法容易导致变流器频繁满载，对设备整体寿命是不利的。

发明内容

本发明提供了一种用于柔性牵引供电装置能馈和整流的自动控制方法，解决了现有地铁运行供电网进行能馈控制时，直流电压阈值为固定值，易造成误判和震荡，同时也容易导致能馈变流器和不控整流器的环流等问题。

本发明可以通过以下技术方案实现：

一种用于柔性牵引供电装置能馈和整流的自动控制方法，根据实时采集交流侧瞬时电压的有效值和幅值，获得直流侧的空载电压值和幅值，进而计算获得柔性牵引供电装置能馈和整流控制的各个电压阈值，然后将实时采集直流侧的空载电压值与各个电压阈值做比较，完成对柔性牵引供电装置能馈和整流的自动控制。

进一步，当所述柔性牵引供电装置进入能馈或者整流控制时，均采用滞环控制方式，并且在进入整流控制时，设定变流器的输出直流指令为：I_{dc_inverter}＝k_rec*I_{dc_rectifer}，其中，I_{dc_rectifer}表示采集到的整流器输出直流电流，k_rec表示比例系数，根据实际需要整流器和变流器所提供的功率设定。

进一步，包括以下步骤：

步骤一、实时采集交流侧的瞬时电压，计算得到对应的有效值U_{ac_rms}和幅值U_{ac_peak}，进而获得直流侧的空载电压值U_{dc_avg}和幅值U_{dc_peak}，其中，U_{dc_avg}＝k_{dc_rms}*U_{ac_rms}，U_{dc_peak}＝k_{dc_peak}*U_{ac_peak}，k_{dc_rms}、k_{dc_peak}表示从交流侧至直流侧电压计算的比例系数，以及各个电压阈值，即直流牵引网电压升高状态阈值U_{dc_avg}*(1+ε₂)、直流牵引网电压下降状态阈值U_{dc_avg}*(1-ε₁)、能馈启动电压阈值U_{dc_avg}*(1+ε₂)+△U_{feedback_up}、能馈退出电压阈值U_{dc_avg}*(1+ε₂)-△U_{feedback_down}、整流启动电压阈值U_{dc_avg}*(1-ε₁)-△U_{rectifier_down}、整流退出电压阈值U_{dc_avg}*(1-ε₁)+△U_{rectifier_up}，其中，ε₁、ε₂表示电压阈值判断系数，△U_{feedback_up}、△U_{feedback_down}表示能馈控制中的上下滞环电压差值，△U_{rectifier_down}、△U_{rectifier_up}表示整流控制的上下滞环电压差值；

步骤二、实时采集直流侧空载电压值U_dc，若所述直流侧空载电压值U_dc大于直流牵引网电压升高状态阈值U_{dc_avg}*(1+ε₂)，则进一步与能馈启动电压阈值U_{dc_avg}*(1+ε₂)+△U_{feedback_up}，若大于，则进入能馈滞环控制，直至直流侧空载电压值U_dc小于能馈退出电压阈值U_{dc_avg}*(1+ε₂)-△U_{feedback_down}，输出能馈功率，完成能馈控制；

若所述直流侧空载电压值U_dc不大于直流牵引网电压升高状态阈值U_{dc_avg}*(1+ε₂)，则进一步将其与整流启动电压阈值U_{dc_avg}*(1-ε₁)-△U_{rectifier_down}，若小于，则进入能馈滞环控制，直至直流侧空载电压值U_dc大于整流退出电压阈值U_{dc_avg}*(1-ε₁)+△U_{rectifier_up}，输出整流功率，完成整流控制。

进一步，实时检测柔性牵引供电装置中整流器进线侧的三相交流瞬时电压，再对所述三相交流瞬时电压进行旋转坐标变换，转换到两相dq坐标系，然后对d轴、q轴的电压分量进行低通滤波后，再计算可得到正序基波电压的幅值U_{ac_peak}和有效值U_{ac_rms}。

本发明有益的技术效果如下：

通过采集整流器进线交流电压的瞬时值，计算出直流牵引网的空载电压，在空载电压的基础上自动调整能馈和整流启停的电压阈值；对直流电压进行低通滤波处理，有效降低直流电压的瞬时尖峰对能馈/整流启动的不利影响，同时也可保证启动时间满足需求；对能馈功能和整流功能的启停设置了滞环，进行投退的过渡处理，避免在阈值附近的投退振荡；另外计算整流工况下能馈变流器的指令功率，实现能馈变流器与整流器功率按需求分配。

附图说明

图1为本发明的柔性牵引供电装置的总体结构示意图；

图2为本发明的总体流程示意图；

图3为本发明的直流侧的空载电压值和幅值计算流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1和2所示，本发明提供了一种用于柔性牵引供电装置能馈和整流的自动控制方法，通过对交流侧瞬时电压进行实时检测和判断，进而可实时得到直流侧空载电压，在此基础上，自动调整柔性牵引供电装置中变流器的能馈与整流工况阈值，实现两种工况的准确切换，同时采用功率自动分配的方法，确保功率在整流器和变流器间按照设定的模式进行分配，即根据实时采集交流侧瞬时电压的有效值和幅值，获得直流侧的空载电压值和幅值，进而计算获得柔性牵引供电装置能馈和整流控制的各个电压阈值，然后将实时采集直流侧的空载电压值与各个电压阈值做比较，完成对柔性牵引供电装置能馈和整流的自动控制。与现有固定直流电压阈值的方法相比，本发明所提方法能准确反映直流侧实时空载电压，并能自动调整阈值，能准确判断直流侧电网状态并实现能馈和整流的准确动作。具体如下：

1)实时获取直流侧空载电压和幅值。首先，实时检测柔性牵引供电装置中的整流器进线侧三相交流瞬时电压，如借助电压霍尔传感器实时测量，再对该三相交流瞬时电压进行旋转坐标变换，转换到两相dq坐标系，对d轴、q轴分量进行低通滤波后再计算可得到正序基波电压的幅值U_{ac_peak}和有效值U_{ac_rms}。

由于整流机组在空载工况下的总阻抗是固定的，因此当交流电压有效值升高时，对应直流电压的平均值将升高；当交流电压中由于谐波电压的存在，导致峰值较高时，直流牵引网的直流电压峰值也相应升高。所以，当计算出交流电压的有效值和幅值后，可以成比例的计算出直流电压的稳定平均值U_{dc_avg}＝k_{dc_rms}*U_{ac_rms}，也可计算出直流电压的峰值：U_{dc_peak}＝k_{dc_peak}*U_{ac_peak}，如图3所示，其中k_{dc_rms}、k_{dc_peak}表示从交流电压至直流电压计算的比例系数，在整流机组主要参数确定后，该参数也为固定值，可通过仿真计算或现场空载时测量计算确定。

2)确定柔性牵引供电装置能馈和整流控制的各个电压阈值。

a)直流牵引网工作状态判断阈值

以直流空载电压平均值U_{dc_avg}为基准，确定直流牵引网电压升高状态阈值U_{dc_avg}*(1+ε₂)、直流牵引网电压下降状态阈值U_{dc_avg}*(1-ε₁)，ε₁、ε₂为电压阈值判断系数，根据地铁牵引网直流电压的波动幅值，可设置为0.01～0.02，并根据现场实际工况进行调整。

当U_dc<U_{dc_avg}*(1-ε₁)时，可判断直流网压由于列车启动或运行而降低；

当U_dc>U_{dc_avg}*(1+ε₂)时，可判断直流网压由于列车制动而升高；

当U_dc∈((U_{dc_avg}*(1-ε₁)，U_{dc_avg}*(1+ε₂))时，可认为直流网处于空载状态或等效空载状态即列车制动与牵引功率基本相当，相互抵消，此时列车处于正常运行状态。

b)能馈功能启动/退出的判断阈值:

以a)中确定的直流牵引网工作状态判断电压为基准，确定能馈启动电压阈值U_{dc_avg}*(1+ε₂)+△U_{feedback_up}、确定能馈退出电压阈值U_{dc_avg}*(1+ε₂)-△U_{feedback_down}，△U_{feedback_up}、△U_{feedback_down}为能馈控制中的上下滞环电压差值，可设置为50V～100V，并根据现场实际工况进行调整。

当U_dc>U_{dc_avg}*(1+ε₂)+△U_{feedback_up}时，可判断直流网处于列车制动状态，且由于制动导致直流牵引网的网压升高较多，此时需要开启能馈功能；

当U_dc<U_{dc_avg}*(1+ε₂)-△U_{feedback_down}时，可判断直流网已退出列车制动状态或处于临近退出状态，此时需要关闭能馈功能，需要注意的是这一状态判断是需要变流器当前状态是能馈开启。

c)整流功能启动/退出的判断阈值:

以a)中确定的直流牵引网工作状态判断电压为基准，确定整流启动电压阈值U_{dc_avg}*(1-ε₁)-△U_{rectifier_down}、确定整流退出电压阈值U_{dc_avg}*(1-ε₁)+△U_{rectifier_up}，△_{Urectifier_down}、△U_{rectifier_up}为整流控制中的上下滞环电压差值，可设置为30V～50V，并根据现场实际工况进行调整。

当U_dc<U_{dc_avg}*(1-ε₁)-△U_{rectifier_down}时，可判断直流网处于牵引供电状态，且网压已下降较多，需要变流器进入可控整流模式；

当U_dc>U_{dc_avg}*(1-ε₁)+△U_{rectifier_up}时，可判断直流网已退出牵引供电状态或此时对牵引供电功率需求较小，变流器可退出可控整流模式。

3)实时采集直流侧空载电压值U_dc，若直流侧空载电压值U_dc大于直流牵引网电压升高状态阈值U_{dc_avg}*(1+ε₂)，则进一步与能馈启动电压阈值U_{dc_avg}*(1+ε₂)+△U_{feedback_up}，若大于，则进入能馈滞环控制，直至直流侧空载电压值U_dc小于能馈退出电压阈值U_{dc_avg}*(1+ε₂)-△U_{feedback_down}，输出能馈功率，完成能馈控制；

若直流侧空载电压值U_dc不大于直流牵引网电压升高状态阈值U_{dc_avg}*(1+ε₂)，则进一步将其与整流启动电压阈值U_{dc_avg}*(1-ε₁)-△U_{rectifier_down}，若小于，则进入能馈滞环控制，直至直流侧空载电压值U_dc大于整流退出电压阈值U_{dc_avg}*(1-ε₁)+△U_{rectifier_up}，输出整流功率，完成整流控制。

在变流器进入可控整流状态时，变流器与二极管整流器共同整流供电，此时存在负载均分的问题。通常考虑是整流器与变流器共同均分牵引供电的功率，或者在小功率模式时由整流器承担主要功率，在功率较大时，由变流器承担额外的功率，不论何种方式，都需要变流器计算出目标功率并控制有功电流跟踪这一功率。在柔性牵引供电装置中，整流器和变流器的交流输入电流、直流输出电流都是可获得的，因此，可通过上述量计算实现准确的闭环功率分配。对本文的柔性牵引供电装置，当采集到整流器输出的直流电流I_{dc_rectifer}后，可设定变流器的输出直流的指令为：I_{dc_inverter}＝k_rec*I_{dc_rectifer}，将其与直流电压相乘后，即可得到有功功率，进而可计算出变流器交流电流的跟踪指令值，最终可控制变流器稳定跟踪指定的功率。

通过配置k_rec的具体值，即可实现整流器与变流器功率的准确分配。具体来说，当希望整流器与变流器均分功率时，则可手动设置k_rec＝1时；当希望变流器承担1/3的牵引整流功率，整流器承担2/3的功率时，可手动设置k_rec＝0.5时；当希望整流器与变流器间功率以其他比例分配时，可同样以二者间的功率比例计算出k_rec。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (2)

1.一种用于柔性牵引供电装置能馈和整流的自动控制方法，其特征在于：根据实时采集交流侧瞬时电压的有效值和幅值，获得直流侧的空载电压值和幅值，进而计算获得柔性牵引供电装置能馈和整流控制的各个电压阈值，然后将实时采集直流侧的空载电压值与各个电压阈值做比较，完成对柔性牵引供电装置能馈和整流的自动控制；

当所述柔性牵引供电装置进入能馈或者整流控制时，均采用滞环控制方式，并且在进入整流控制时，设定变流器的输出直流指令为：I_{dc_inverter}＝k_rec*I_{dc_rectifer}，其中，I_{dc_rectifer}表示采集到的整流器输出直流电流，k_rec表示比例系数，根据实际需要整流器和变流器所提供的功率设定；

步骤一、实时采集交流侧的瞬时电压，计算得到对应的有效值U_{ac_rms}和幅值U_{ac_peak}，进而获得直流侧的空载电压值U_{dc_avg}和幅值U_{dc_peak}，其中，U_{dc_avg}＝k_{dc_rms}*U_{ac_rms}，U_{dc_peak}＝k_{dc_peak}*U_{ac_peak}，k_{dc_rms}、k_{dc_peak}表示从交流侧至直流侧电压计算的比例系数，以及各个电压阈值，即直流牵引网电压升高状态阈值U_{dc_avg}*(1+ε₂)、直流牵引网电压下降状态阈值U_{dc_avg}*(1-ε₁)、能馈启动电压阈值U_{dc_avg}*(1+ε₂)+△U_{feedback_up}、能馈退出电压阈值U_{dc_avg}*(1+ε₂)-△U_{feedback_down}、整流启动电压阈值U_{dc_avg}*(1-ε₁)-△U_{rectifier_down}、整流退出电压阈值U_{dc_avg}*(1-ε₁)+△U_{rectifier_up}，其中，ε₁、ε₂表示电压阈值判断系数，△U_{feedback_up}、△U_{feedback_down}表示能馈控制中的上下滞环电压差值，△U_{rectifier_down}、△U_{rectifier_up}表示整流控制的上下滞环电压差值；

步骤二、实时采集直流侧空载电压值U_dc，若所述直流侧空载电压值U_dc大于直流牵引网电压升高状态阈值U_{dc_avg}*(1+ε₂)，则进一步将其与能馈启动电压阈值U_{dc_avg}*(1+ε₂)+△U_{feedback_up}比较，若大于，则进入能馈滞环控制，直至直流侧空载电压值U_dc小于能馈退出电压阈值U_{dc_avg}*(1+ε₂)-△U_{feedback_down}，输出能馈功率，完成能馈控制；

若所述直流侧空载电压值U_dc不大于直流牵引网电压升高状态阈值U_{dc_avg}*(1+ε₂)，则进一步将其与整流启动电压阈值U_{dc_avg}*(1-ε₁)-△U_{rectifier_down}比较，若小于，则进入整流滞环控制，直至直流侧空载电压值U_dc大于整流退出电压阈值U_{dc_avg}*(1-ε₁)+△U_{rectifier_up}，输出整流功率，完成整流控制。

2.根据权利要求1所述的用于柔性牵引供电装置能馈和整流的自动控制方法，其特征在于：实时检测柔性牵引供电装置中整流器进线侧的三相交流瞬时电压，再对所述三相交流瞬时电压进行旋转坐标变换，转换到两相dq坐标系，然后对d轴、q轴的电压分量进行低通滤波后，再计算可得到正序基波电压的幅值U_{ac_peak}和有效值U_{ac_rms}。

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