CN114123838A - 一种应用于地铁高海拔环境的双向变流器装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的应用于地铁高海拔环境的双向变流器装置，包括设置于直流牵引网与交流电网之间的双向变流器和变压器，双向变流器由三级串联五组并联的功率单元组成，双向变流器以三级中功率单元串联的方式与直流牵引网相连接，每级中五个功率单元的直流输入端相并联、交流输出端相并联。本发明的双向变流器装置的控制方法，将直流电压分为9个工作区间，来对列车的运行进行控制，该装置及控制方法既能够为地铁牵引网提供电能，也能够将列车再生制动产生的电能回馈到电网中去，有效地抑制了装置之间的环流，实现了电能在交流电网和牵引网之间的双向传递。
Description
技术领域
本发明涉及一种双向变流器装置及控制方法，更具体的说，尤其涉及一种应用于地铁高海拔环境的双向变流器装置及控制方法。
背景技术
近几年我国城市轨道交通快速发展，由于城市交通站间距离较短，其运行特点的特殊性就是列车启动、制动频繁，且制动时会产生大量的能量，国内地铁牵引供电系统一般采用电阻消耗方式消耗此能量或加入再生制动能量回馈装置回馈能量。
地铁牵引网制动能量不能被重复利用的根本原因在于现有的直流牵引供电系统采用不控整流机组供电，其只能实现能量的单向流动，不能将列车的制动能量反馈到交流电网中去。
本发明针对地铁高海拔应用场合，充分考虑高海拔环境下设备的绝缘耐压问题，提出了一种新型的双向变流器装置。此装置采用三级串联五组并联的拓扑结构，能过满足地铁高海拔应用场合。通过双向变流控制策略，该装置既能够为地铁牵引网提供电能，也能够将列车再生制动产生的电能回馈到电网中去，有效地抑制了装置之间的环流，实现了电能在交流电网和牵引网之间的双向传递。
发明内容
本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种应用于地铁高海拔环境的双向变流器装置及控制方法。
本发明的应用于地铁高海拔环境的双向变流器装置，包括设置于直流牵引网与交流电网之间的双向变流器和变压器，双向变流器的一端接于直流牵引网上，另一端经变压器接于交流电网上；地铁在启动或加速运行时，双向变流器将交流电网上的电能整流后输入至直流牵引网上；上地铁减速或制动时，双向变流器将直流牵引网上的电能逆变后输入至交流电网上；其特征在于：所述双向变流器由三级串联五组并联的功率单元组成，每级中由五个功率单元并联组成；双向变流器以三级中功率单元串联的方式与直流牵引网相连接，以满足耐压要求；每级中五个功率单元的直流输入端相并联、交流输出端相并联，以满足功率要求，每级五个功率单元的输出端并联后接于变压器的一个副边绕组上，变压器的原边绕组接于交流电网上。
本发明的应用于地铁高海拔环境的双向变流器装置的控制方法，将直流牵引网上的直流电压分为9个工作区间，分别是0~V1、V1~V2、V2~V3、V3~V4、V4~ V5、V5~ V6、V6~ V7、V7~ V8、V8~∞，其分别对应第一区间~第九区间，V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8依次增大；双向变流器装置的控制方法通过以下步骤来实现：
a).第一区间：直流电压V1是定义的直流牵引网正常工作的最低电压，当直流牵引网电压低于V1时，则认为直流牵引网存在故障，因此双向变流器在第一区间0~V1内处于截止状态；
b).第二区间：直流电压处于V1和V2之间时，直流电压相对比较低，说明此时直流牵引网上有较大的负载，双向变流器工作于可控整流模式，并以其最大功率恒功率运行；
c).第三区间：直流电压处于V2和V3之间时，此时直流牵引网上的负载相对较小，双向变流器工作于稳压模式，以稳定直流电压为目标；但是为了防止各个站之间的双向变流器由于直流电压检测误差造成功率分配不均问题，采用下垂控制模式，即随着输出电流的增加自动降低直流稳压的目标值，防止各个双向变流器的输出功率差异过大；
d).第四区间：直流电压处于V3和V4之间时，当牵引网直流电压由电压V3逐渐上升至此电压区段时，此时双向变流器工作于整流模式滞环工作区，以最小电流工作；当牵引网直流电压由电压V6逐渐降低至此电压区段时，此时双向变流器工作于间歇停机模式；
e).第五区间：直流电压处于V4和V5之间时，认为直流牵引网处于间歇停机模式，此种情况下认为既没有车辆处于启动和加速的情况下运行、也没有车辆处于减速或者制动的情况下运行，在此区间内，双向变流器既不需要向直流牵引网提供能量，也不需要将直流牵引网上的制动能量逆变回馈到交流电网，双向变流器工作于间歇停机模式；
f).第六区间：直流电压处于V5和V6之间时，当牵引网直流电压由电压V6逐渐降低至此电压区段时，此时双向变流器工作于逆变模式滞环工作区，以最小电流工作；当牵引网直流电压由电压V3逐渐上升至此电压区段时，此时双向变流器装置工作于间歇停机模式；
g).第七区间：直流电压处于V6和V7之间时，此时直流牵引网上有一定的制动能量且制动能量相对较小，双向变流器工作于逆变回馈模式；随着直流电压的升高，逆变回馈的功率逐渐增大；双向变流器工作在线性区域，同样可以防止各个双向变流器的输出功率差异过大；
h).第八区间：直流电压处于V7和V8之间时，直流电压相对比较高，说明此时直流牵引网上有较大的制动能量，双向变流器工作于逆变回馈模式，并以其最大功率恒功率运行；
i).第九区间：直流电压V8定义为直流牵引网的最高电压，当超过此电压时，会对直流牵引网的用电设备产生一定的危害，也会超过双向变流器的安全工作电压，因此双向变流器会停止工作，处于截止状态。
本发明的应用于地铁高海拔环境的双向变流器装置的控制方法，步骤c)中：当牵引网直流电压降至低于整流工作模式启动电压V3后，双向变流器开机，双向变流器采用以V3为直流电压目标值进行闭环控制；随着电流指令的增大，自动降低闭环控制的直流电压目标值，最低达到V2；如果牵引网直流电压达到V2后，直流电压目标值不再降低；当牵引网直流电压高于V3后装置进入步骤d)中的整流滞环工作区，滞环电压以内双向变流器以最小电流工作，当电压升至V4后双向变流器停机。
本发明的应用于地铁高海拔环境的双向变流器装置的控制方法，步骤g)中：当牵引网直流电压上升到达逆变工作模式启动电压V6后，双向变流器开机，以V6为控制目标值进行闭环控制；随着电流指令的增大，自动增大闭环控制的直流电压目标值，最高达到V7；达到V7后，直流电压目标值不再上升；当牵引网直流电压低于V6后装置进入步骤f)中的逆变滞环工作区，滞环电压以内装置以最小电流工作，当电压降至V5后装置停机。
本发明的应用于地铁高海拔环境的双向变流器装置的控制方法，当牵引网直流电压由整流工作模式启动电压V3逐渐上升时，此时双向变流器装置在V4-V6电压等级区间是间歇停机模式；当牵引网直流电压由逆变工作模式启动电压V6逐渐降低时，此时双向变流器装置在V3-V5电压等级区间是间歇停机模式。
本发明的有益效果是：本发明的应用于地铁高海拔环境的双向变流器装置及控制方法，针对地铁高海拔应用场合，充分考虑高海拔环境下设备的绝缘耐压问题，提出了一种新型的双向变流器装置，此装置采用三级串联五组并联的拓扑结构，能过满足地铁高海拔应用场合，满足耐压以及功率要求。通过依据牵引网的直流电压大小划分为九个控制区间来对列车的运行进行控制，该装置及控制方法既能够为地铁牵引网提供电能，也能够将列车再生制动产生的电能回馈到电网中去，有效地抑制了装置之间的环流，实现了电能在交流电网和牵引网之间的双向传递。
附图说明
图1为本发明的应用于地铁高海拔环境的双向变流器装置的原理图；
图2为本发明的应用于地铁高海拔环境的双向变流器装置的电路图；
图3为本发明的应用于地铁高海拔环境的双向变流器装置的控制方法的原理图；
图4为本发明的应用于地铁高海拔环境的双向变流器装置的控制方法的实际测试结果示意图。
图中：1双向变流器，2变压器，3直流牵引网，4交流电网，5功率单元。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，给出了本发明的应用于地铁高海拔环境的双向变流器装置的原理图，其由双向变流器1和变压器2组成，双向变流器1和变压器2依次设置在直流牵引网3与交流电网4之间，双向变流器1的一端接于直流牵引网3上，另一端经变压器2接于交流电网4上；地铁在启动或加速运行时，双向变流器1将交流电网4上的电能整流后输入至直流牵引网3上；上地铁减速或制动时，双向变流器1将直流牵引网3上的电能逆变后输入至交流电网4上。这样，地铁牵引供电系统中无需再采用不控整流机组+再生制动能量回馈装置模式来回馈电能，只需安装双向变流器装置便可实现能量的双向流动。
如图2所示，给出了本发明的应用于地铁高海拔环境的双向变流器装置的电路图，装置采用三级串联五组并联的拓扑结构：双向变流模块通过三级串联方式与直流电网相连；每级中由五个双向变流模块并联组成，每级中双向变流模块直流输入端与交流输出端均分别并联；每级双向变流模块输出端并联后分别连接至副边三绕组牵引变压器，可以同时满足耐压和功率的要求。
如图3所示，给出了本发明的应用于地铁高海拔环境的双向变流器装置的控制方法的原理图，将直流牵引网上的直流电压分为9个工作区间，分别是0~V1、V1~V2、V2~V3、V3~V4、V4~ V5、V5~ V6、V6~ V7、V7~ V8、V8~∞，其分别对应第一区间~第九区间，V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8依次增大；双向变流器装置的控制方法通过以下步骤来实现：
a).第一区间：直流电压V1是定义的直流牵引网正常工作的最低电压，当直流牵引网电压低于V1时，则认为直流牵引网存在故障，因此双向变流器在第一区间0~V1内处于截止状态；
b).第二区间：直流电压处于V1和V2之间时，直流电压相对比较低，说明此时直流牵引网上有较大的负载，双向变流器工作于可控整流模式，并以其最大功率恒功率运行；
c).第三区间：直流电压处于V2和V3之间时，此时直流牵引网上的负载相对较小，双向变流器工作于稳压模式，以稳定直流电压为目标；但是为了防止各个站之间的双向变流器由于直流电压检测误差造成功率分配不均问题，采用下垂控制模式，即随着输出电流的增加自动降低直流稳压的目标值，防止各个双向变流器的输出功率差异过大；
d).第四区间：直流电压处于V3和V4之间时，当牵引网直流电压由电压V3逐渐上升至此电压区段时，此时双向变流器工作于整流模式滞环工作区，以最小电流工作；当牵引网直流电压由电压V6逐渐降低至此电压区段时，此时双向变流器工作于间歇停机模式；
e).第五区间：直流电压处于V4和V5之间时，认为直流牵引网处于间歇停机模式，此种情况下认为既没有车辆处于启动和加速的情况下运行、也没有车辆处于减速或者制动的情况下运行，在此区间内，双向变流器既不需要向直流牵引网提供能量，也不需要将直流牵引网上的制动能量逆变回馈到交流电网，双向变流器工作于间歇停机模式；
f).第六区间：直流电压处于V5和V6之间时，当牵引网直流电压由电压V6逐渐降低至此电压区段时，此时双向变流器工作于逆变模式滞环工作区，以最小电流工作；当牵引网直流电压由电压V3逐渐上升至此电压区段时，此时双向变流器装置工作于间歇停机模式；
g).第七区间：直流电压处于V6和V7之间时，此时直流牵引网上有一定的制动能量且制动能量相对较小，双向变流器工作于逆变回馈模式；随着直流电压的升高，逆变回馈的功率逐渐增大；双向变流器工作在线性区域，同样可以防止各个双向变流器的输出功率差异过大；
h).第八区间：直流电压处于V7和V8之间时，直流电压相对比较高，说明此时直流牵引网上有较大的制动能量，双向变流器工作于逆变回馈模式，并以其最大功率恒功率运行；
i).第九区间：直流电压V8定义为直流牵引网的最高电压，当超过此电压时，会对直流牵引网的用电设备产生一定的危害，也会超过双向变流器的安全工作电压，因此双向变流器会停止工作，处于截止状态。
步骤c)中：当牵引网直流电压降至低于整流工作模式启动电压V3后，双向变流器开机，双向变流器采用以V3为直流电压目标值进行闭环控制；随着电流指令的增大，自动降低闭环控制的直流电压目标值，最低达到V2；如果牵引网直流电压达到V2后，直流电压目标值不再降低；当牵引网直流电压高于V3后装置进入步骤d)中的整流滞环工作区，滞环电压以内双向变流器以最小电流工作，当电压升至V4后双向变流器停机。
步骤g)中：当牵引网直流电压上升到达逆变工作模式启动电压V6后，双向变流器开机，以V6为控制目标值进行闭环控制；随着电流指令的增大，自动增大闭环控制的直流电压目标值，最高达到V7；达到V7后，直流电压目标值不再上升；当牵引网直流电压低于V6后装置进入步骤f)中的逆变滞环工作区，滞环电压以内装置以最小电流工作，当电压降至V5后装置停机。
当牵引网直流电压由整流工作模式启动电压V3逐渐上升时，此时双向变流器装置在V4-V6电压等级区间是间歇停机模式；当牵引网直流电压由逆变工作模式启动电压V6逐渐降低时，此时双向变流器装置在V3-V5电压等级区间是间歇停机模式。
如图4所示，给出了本发明的应用于地铁高海拔环境的双向变流器装置的控制方法的实际测试结果示意图，Ud为直流侧电压；iabc1为绕组1输出三相电流；iabc2为绕组2输出三相电流；iabc3为绕组3输出三相电流；Ua1/ia1分别为绕组1中A相电压/A相电流。从仿真图中可以看出，装置每个绕组三相电流的大小和方向随着直流侧电压大小的变化而发生改变，即装置能够依据双向变流控制策略运行曲线进行工作模式的切换，实现双向变流功能。
Claims (5)
1.一种应用于地铁高海拔环境的双向变流器装置，包括设置于直流牵引网（3）与交流电网（4）之间的双向变流器（1）和变压器（2），双向变流器的一端接于直流牵引网上，另一端经变压器接于交流电网上；地铁在启动或加速运行时，双向变流器将交流电网上的电能整流后输入至直流牵引网上；上地铁减速或制动时，双向变流器将直流牵引网上的电能逆变后输入至交流电网上；其特征在于：所述双向变流器（1）由三级串联五组并联的功率单元（5）组成，每级中由五个功率单元并联组成；双向变流器以三级中功率单元串联的方式与直流牵引网相连接，以满足耐压要求；每级中五个功率单元的直流输入端相并联、交流输出端相并联，以满足功率要求，每级五个功率单元的输出端并联后接于变压器的一个副边绕组上，变压器的原边绕组接于交流电网上。
2.一种基于权利要求1所述的应用于地铁高海拔环境的双向变流器装置的控制方法，其特征在于，将直流牵引网上的直流电压分为9个工作区间，分别是0~V1、V1~V2、V2~V3、V3~V4、V4~ V5、V5~ V6、V6~ V7、V7~ V8、V8~∞，其分别对应第一区间~第九区间，V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8依次增大；双向变流器装置的控制方法通过以下步骤来实现：
a).第一区间：直流电压V1是定义的直流牵引网正常工作的最低电压，当直流牵引网电压低于V1时，则认为直流牵引网存在故障，因此双向变流器在第一区间0~V1内处于截止状态；
b).第二区间：直流电压处于V1和V2之间时，直流电压相对比较低，说明此时直流牵引网上有较大的负载，双向变流器工作于可控整流模式，并以其最大功率恒功率运行；
c).第三区间：直流电压处于V2和V3之间时，此时直流牵引网上的负载相对较小，双向变流器工作于稳压模式，以稳定直流电压为目标；但是为了防止各个站之间的双向变流器由于直流电压检测误差造成功率分配不均问题，采用下垂控制模式，即随着输出电流的增加自动降低直流稳压的目标值，防止各个双向变流器的输出功率差异过大；
d).第四区间：直流电压处于V3和V4之间时，当牵引网直流电压由电压V3逐渐上升至此电压区段时，此时双向变流器工作于整流模式滞环工作区，以最小电流工作；当牵引网直流电压由电压V6逐渐降低至此电压区段时，此时双向变流器工作于间歇停机模式；
e).第五区间：直流电压处于V4和V5之间时，认为直流牵引网处于间歇停机模式，此种情况下认为既没有车辆处于启动和加速的情况下运行、也没有车辆处于减速或者制动的情况下运行，在此区间内，双向变流器既不需要向直流牵引网提供能量，也不需要将直流牵引网上的制动能量逆变回馈到交流电网，双向变流器工作于间歇停机模式；
f).第六区间：直流电压处于V5和V6之间时，当牵引网直流电压由电压V6逐渐降低至此电压区段时，此时双向变流器工作于逆变模式滞环工作区，以最小电流工作；当牵引网直流电压由电压V3逐渐上升至此电压区段时，此时双向变流器装置工作于间歇停机模式；
g).第七区间：直流电压处于V6和V7之间时，此时直流牵引网上有一定的制动能量且制动能量相对较小，双向变流器工作于逆变回馈模式；随着直流电压的升高，逆变回馈的功率逐渐增大；双向变流器工作在线性区域，同样可以防止各个双向变流器的输出功率差异过大；
h).第八区间：直流电压处于V7和V8之间时，直流电压相对比较高，说明此时直流牵引网上有较大的制动能量，双向变流器工作于逆变回馈模式，并以其最大功率恒功率运行；
i).第九区间：直流电压V8定义为直流牵引网的最高电压，当超过此电压时，会对直流牵引网的用电设备产生一定的危害，也会超过双向变流器的安全工作电压，因此双向变流器会停止工作，处于截止状态。
3.根据权利要求2所述的应用于地铁高海拔环境的双向变流器装置的控制方法，其特征在于，步骤c)中：当牵引网直流电压降至低于整流工作模式启动电压V3后，双向变流器开机，双向变流器采用以V3为直流电压目标值进行闭环控制；随着电流指令的增大，自动降低闭环控制的直流电压目标值，最低达到V2；如果牵引网直流电压达到V2后，直流电压目标值不再降低；当牵引网直流电压高于V3后装置进入步骤d)中的整流滞环工作区，滞环电压以内双向变流器以最小电流工作，当电压升至V4后双向变流器停机。
4.根据权利要求2或3所述的应用于地铁高海拔环境的双向变流器装置的控制方法，其特征在于，步骤g)中：当牵引网直流电压上升到达逆变工作模式启动电压V6后，双向变流器开机，以V6为控制目标值进行闭环控制；随着电流指令的增大，自动增大闭环控制的直流电压目标值，最高达到V7；达到V7后，直流电压目标值不再上升；当牵引网直流电压低于V6后装置进入步骤f)中的逆变滞环工作区，滞环电压以内装置以最小电流工作，当电压降至V5后装置停机。
5.根据权利要求2或3所述的应用于地铁高海拔环境的双向变流器装置的控制方法，其特征在于，当牵引网直流电压由整流工作模式启动电压V3逐渐上升时，此时双向变流器装置在V4-V6电压等级区间是间歇停机模式；当牵引网直流电压由逆变工作模式启动电压V6逐渐降低时，此时双向变流器装置在V3-V5电压等级区间是间歇停机模式。
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