CN114221333A - 一种用于轨道交通双向变流器的智能网压控制方法及装置、系统 - Google Patents

一种用于轨道交通双向变流器的智能网压控制方法及装置、系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于轨道交通双向变流器的智能网压控制方法及装置、系统，该方法包括：采集三相交流电流，经过坐标变换解耦出负载的有功电流；获取双向变流器的输出初始给定电压；引入可控的虚拟前馈电阻；根据负载的有功电流、初始给定电压及虚拟前馈电阻得出双向变流器的输出电压；通过控制虚拟前馈电阻值的变化，使双向变流器的输出电压随负载有功电流的变化而变化。本发明解决了双向变流器与整流机组间输出功率的优先和协调问题，实现了双向变流器有效的提供牵引能量和回馈制动能量。

Description

一种用于轨道交通双向变流器的智能网压控制方法及装置、 系统
技术领域
本发明涉及轨道交通控制领域，尤其涉及一种用于轨道交通双向变流器的智能网压控制方法及装置、系统。
背景技术
城市轨道交通牵引供电系统主要采用二极管整流机组供电，在列车启动和加速时将电能由电网传递给列车，但在列车制动时，却无法进行能量的反向传递，只能采用车载或地面制动电阻进行列车制动能量的消耗，造成较大能源浪费。双向变流器本身具备四象限工作能力，能量可自然双向流动，即可提供牵引供电能力，又可以回馈列车制动能量，具备显著的节能提效优点。
现有技术中双向变流器作为一个可控的电压源，与整流机组组合成混合供电系统，要想实现双向变流器和整流机组可以有效的提供牵引能量和回馈制动能量，需要解决双向变流器与整流机组间输出功率的优先和协调问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于轨道交通双向变流器的智能网压控制方法及装置、系统，用于解决双向变流器与整流机组间输出功率的优先和协调问题。
为了解决上述技术问题，本发明的一方面，提供了一种用于轨道交通双向变流器的智能网压控制方法，该方法包括：
采集三相交流电流，经过坐标变换解耦出负载的有功电流；
获取双向变流器的输出初始给定电压；
引入可控的虚拟前馈电阻；
根据负载的有功电流、初始给定电压及虚拟前馈电阻得出双向变流器的输出电压；
通过控制虚拟前馈电阻值的变化，使双向变流器的输出电压随负载有功电流的变化而变化。
优选的，所述根据负载的有功电流、初始给定电压及虚拟前馈电阻得出双向变流器的输出电压为：
Udc_out＝Udc_ref-Rdroop·Iq_fbk
式中，Rdroop为引入的虚拟前馈电阻，Iq_fbk为解耦出负载的有功电流，Udc_ref为初始给定电压。
优选的，所述通过控制虚拟前馈电阻值的变化，使双向变流器的输出电压随负载有功电流的变化而变化，包括：
令双向变流器的输出初始给定电压不变；
对双向变流器的输出特性进行特性区间的划分；
根据划分的各特性区间的供电需求,计算出对应特性区间的虚拟前馈电阻值；
通过对应特性区间的虚拟前馈电阻值，得出双向变流器在对应特性区间的输出电压，进而实现双向变流器的输出电压随负载有功电流的变化而变化，使双向变流器呈现出不同的输出特性。
优选的，所述对双向变流器的输出特性进行特性区间的划分包括：根据整流机组的24脉动整流器推挽区间和自然下垂特性，将双向变流器的输出特性划分为牵引供电特性区间和回馈特性区间。
优选的，所述将双向变流器的输出特性划分为牵引供电特性区间和回馈特性区间后，还包括：对牵引供电特性区间和回馈特性区间进一步划分为六个区间段，所述六个区间段包括：
根据避免各站间能量环流和供电需求将所述牵引供电特性区间划分为：区间①斜率较陡一段、区间②稳压牵引输出段、区间③下垂混合供电段；
根据优先邻车吸收和维持接触网压恒定原则将所述能馈特性区间划分为：区间④斜率较陡二段、区间⑤恒压能量回馈段、区间⑥上翘回馈段。
优选的，所述根据各特性区间的供电需求,计算出对应特性区间的虚拟前馈电阻值，所述区间①～⑥段对应特性区间的虚拟前馈电阻值为：
区间①斜率较陡一段的前馈电阻为：
Figure BDA0003403545030000021
区间②稳压牵引输出段的前馈电阻为Rdroop2＝0；
区间③下垂混合供电段的前馈电阻为：
Figure BDA0003403545030000022
区间④斜率较陡二段的前馈电阻为
Figure BDA0003403545030000023
区间⑤恒压能量回馈段的前馈电阻为Rdroop5＝0；
区间⑥上翘回馈段的前馈电阻为
Figure BDA0003403545030000024
其中，U0为空载电压设定值；Uele为牵引电压设定值；Umax为直流过电压保护值；Umin为不控直流电压值；Ufbk为回馈电压设定值；I1～I4为负载有功电流特定阈值；Ilim±为限幅电流值。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于轨道交通双向变流器的智能网压控制装置，该装置包括：采集模块、解耦模块、获取模块、虚拟前馈电阻模块、电压计算模块及控制模块；其中，
所述采集模块，用于采集三相交流电流；
所述解耦模块，用于将采集的三相交流电流进行坐标变换，解耦出负载的有功电流；
所述获取模块，用于获取双向变流器的输出初始给定电压；
所述虚拟前馈电阻模块，用于实现可变化的虚拟前馈电阻值；
所述电压计算模块，用于根据负载的有功电流、初始给定电压及虚拟前馈电阻得出双向变流器的输出电压；
所述控制模块，用于控制虚拟前馈电阻值的变化，并使双向变流器的输出电压随负载有功电流的变化而变化。
优选的，所述控制模块包括初始给定电压模块、虚拟前馈电阻值计算模块及电压输出模块，其中，
所述初始给定电压模块，用于输出双向变流器的初始给定电压，并使双向变流器的输出初始给定电压保持不变；
特性区间划分模块，用于对双向变流器的输出特性进行特性区间的划分；所述虚拟前馈电阻值计算模块，用于根据划分的各特性区间的供电需求,计算出对应特性区间的虚拟前馈电阻值；
所述电压输出模块，用于通过对应特性区间的虚拟前馈电阻值，得出双向变流器在对应特性区间的输出电压，实现双向变流器的输出电压随负载有功电流的变化而变化，使双向变流器呈现出不同的输出特性。
优选的，所述特性区间划分模块中还包括区间段划分模块，用于对回馈特性区间和牵引供电特性区间进行进一步划分，划分为六个区间段，所述六个区间段包括：
根据避免各站间能量环流和供电需求将所述牵引供电特性区间划分为：区间①斜率较陡一段、区间②稳压牵引输出段、区间③下垂混合供电段；
根据优先邻车吸收和维持接触网压恒定原则将所述能馈特性区间划分为：区间④斜率较陡二段、区间⑤恒压能量回馈段、区间⑥上翘回馈段。
根据本发明的再一方面，提供了一种用于轨道交通双向变流器的智能网压控制系统，该系统包括牵引回馈变压器、双向变流器及上述任一所述的用于轨道交通双向变流器的智能网压控制装置。
与现有技术相比，有益效果：
本发明通过采集三相交流电流，经过坐标变换解耦出负载的有功电流，并引入可控的虚拟前馈电阻，然后根据负载的有功电流、初始给定电压及虚拟前馈电阻得出双向变流器的输出电压，通过控制虚拟前馈电阻值的变化，使双向变流器的输出电压随负载有功电流的变化而变化，解决了解决双向变流器与整流机组间输出功率的优先和协调问题，使双向变流器和整流机组可以有效的提供牵引能量和回馈制动能量。本发明有效避免了双向变流器与整流机组间和站间的能量环流，为实现双向变流器在正线的全线路应用打下了坚定的基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明一实施例提供的一种用于轨道交通双向变流器的智能网压控制方法的流程图；
图2本发明一实施例提供的控制虚拟前馈电阻值变化的方法流程图；
图3为本发明一实施例提供的有功电流前馈下垂控制特性的示意图。
具体实施方式
为了加深对本发明的认识和理解，下面结合附图和具体实施方式进一步介绍本发明的技术方案。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
双向变流器作为一个可控的电压源，与自然下垂特性的整流机组组合成混合供电系统，需要一个统一协调的控制策略，以确保双向变流器和整流机组都可以有效的提供牵引能量和回馈制动能量。为了解决双向变流器与整流机组间输出功率的优先和协调问题。图1为本发明一实施例提供的一种用于轨道交通双向变流器的智能网压控制方法流程图，该方法具体包括以下步骤：
步骤100：采集三相交流电流，经过坐标变换解耦出负载的有功电流；
步骤200：获取双向变流器的输出初始给定电压；
具体的，双向变流器的输出初始给定电压为系统根据35kV网侧电压，计算出空载时的初始电压给定值。
步骤300：引入可控的虚拟前馈电阻；
可选的，可在装置人机界面时设定各特性区间的虚拟前馈电阻值。
步骤400：根据负载的有功电流、初始给定电压及虚拟前馈电阻得出双向变流器的输出电压。
进一步，双向变流器的输出电压为：
Udc_out＝Udc_ref-Rdroop·Iq_fbk
式中，Rdroop为引入的虚拟前馈电阻，Iq_fbk为解耦出负载的有功电流，Udc_ref为初始给定电压。
步骤500：通过控制虚拟前馈电阻值的变化，使双向变流器的输出电压随负载有功电流的变化而变化。
进一步，通过控制虚拟前馈电阻值的变化，使双向变流器的输出电压随负载有功电流的变化而变化，如图2所示，该步骤具体包括：
步骤501：令双向变流器的输出初始给定电压不变；
步骤502：对双向变流器的输出特性进行特性区间的划分；
进一步，所述对双向变流器的输出特性进行特性区间的划分包括：根据整流机组的24脉动整流器推挽区间和自然下垂特性，将双向变流器的输出特性划分为牵引供电特性区间和回馈特性区间。
具体的，参考图3所示，双向变流器一方面考虑需要与整流机组配合提供牵引能量，另一方面考虑需要回馈列车制动能量，由于在牵引区间，整流机组的24脉动整流器存在推挽区间和自然下垂特性，所以可以将双向变流器的整个控制特性需要划分为回馈特性区间和牵引供电特性区间。虚线ONML为回馈特性区间，实线OPQR为牵引供电特性区间。另外，点划线OAB为整流机组的牵引特性曲线，O点为双向变流器的初始电压给定。
通过对图3所示的特性区间进行深入分析研究后，总结得出以下结论：
NP段在I1～I2的电流区间内Rdroop取值较大，斜率较陡；该段一方面可以避免双向变流器与其他整流机组间的功率环流，另一方面制动能量回馈时可以优先邻车吸收；
MN段为双向变流器恒压能量回馈段；
PQ段为双向变流器稳压牵引输出段，与整流机组牵引特性相交于A点，PQ段Rdroop也可以调整，用以控制整流机组和双向变流器的出功比例；
QR段为下垂混合供电阶段；该阶段双向变流器下垂特性输出，与整流机组牵引特性相交于B点，B点之后整流机组继续增加供电；
LM段为上翘回馈段，该段Rdroop较大，回馈能量太大，双向变流器已不足以稳定接触网压，电压上翘，邻站参与能量回馈；
M和R点为双向变流器电流限幅点。
根据上述各区间段的结论总结，在所述将双向变流器的输出特性划分为牵引供电特性区间和回馈特性区间后，还包括：对牵引供电特性区间和回馈特性区间进一步划分为六个区间段，所述六个区间段包括：
根据避免各站间能量环流和供电需求将所述牵引供电特性区间划分为：区间①斜率较陡一段、区间②稳压牵引输出段、区间③下垂混合供电段；
根据优先邻车吸收和维持接触网压恒定原则将所述能馈特性区间划分为：区间④斜率较陡二段、区间⑤恒压能量回馈段、区间⑥上翘回馈段。
对上述区间段进行概括总结，得出以下各区间段的控制特性为：
区间①斜率较陡一段内输出电压随负载增加跌落较快，可以避免各双向变流器间的能量环流；
区间稳压牵引输出②段是双向变流器主要提供牵引功率的区间；
区间③下垂混合供电段双向变流器接近峰值功率，通过降低输出电压实现功率分流；
区间④斜率较陡二段内输出电压随回馈负载的增加抬升较快，可以给邻车吸收提供空间，同时可以避免各双向变流器间的能量环流；
区间⑤恒压能量回馈段是双向变流器主要回馈制动功率的区间；
区间⑥上翘回馈段双向变流器接近峰值功率，通过抬升输出电压实现回馈功率分流。
根据上述区间段的控制特性，参照图3，可以对各段斜率的选取进一步概括总结出以下结论：
(1)靠近纵轴附近小负载区间，选取较大斜率值，该区间的关键功能在于杜绝各双向变流器间的能量环流，并为邻车吸收保留空间。
如参照图3所示，当线路没有负载时，各双向变流器工作于NP区间，由于电压传感器的误差等原因，可能会导致相邻的双向变流器间产生电压差，由于理想电压源的恒压特性，几V的电压差就可以导致较大的能量环流。而在图3中的NP区间，在I1到I2的小区间内，外特性斜率较大，相邻双向变流器由于电压差出现环流时，一个电压升高，一个电压降低，很快电压就会平衡，环流非常小。
(2)主输出功率区间，可以选取较小斜率甚至是斜率为零，用于控制双向变流器与整流机组间的出功顺序和出功比例。
图3中在PQR段，PQ段和QR段斜率可调，PQ段斜率为0或者很小，双向变流器接近于稳压输出，实际运行中双向变流器的出功较多，而PQ段斜率较大时，双向变流器输出负载变大时输出电压下降较多，因此出功变少，整流机组出功比例变大。QR段的斜率可以设置较大，作为限制双向变流器功率的方法。
需要说明的是，斜率的选取在参考上述结论的同时，可根据各用户需求和要求不同，人为的设定斜率。
步骤503：根据特性区间内的供能需求,计算出对应特性区间的虚拟前馈电阻值；
进一步，根据各特性区间的供电需求,计算出对应特性区间的虚拟前馈电阻值，所述区间①～⑥段对应特性区间的虚拟前馈电阻值为：
区间①斜率较陡一段的前馈电阻为：
Figure BDA0003403545030000071
区间②稳压牵引输出段的前馈电阻为Rdroop2＝0；
区间③下垂混合供电段的前馈电阻为：
Figure BDA0003403545030000081
区间④斜率较陡二段的前馈电阻为
Figure BDA0003403545030000082
区间⑤恒压能量回馈段的前馈电阻为Rdroop5＝0；
区间⑥上翘回馈段的前馈电阻为
Figure BDA0003403545030000083
其中，U0为空载电压设定值；Uele为牵引电压设定值；Umax为直流过电压保护值；Umin为不控直流电压；Ufbk为回馈电压设定值；I1～I4为负载有功电流特定阈值；Ilim±为限幅电流值。
步骤504：通过对应特性区间的虚拟前馈电阻值，得出双向变流器在对应特性区间的输出电压，进而实现双向变流器的输出电压随负载有功电流的变化而变化，呈现出不同的外特性。
采用本申请实施例，通过采用有功电流前馈的智能网压控制技术，采集三相交流电流，经过坐标变换解耦出负载的有功电流，并引入可控的虚拟前馈电阻，然后根据负载的有功电流、初始给定电压及虚拟前馈电阻得出双向变流器的输出电压，通过控制虚拟前馈电阻值的变化，使双向变流器的输出电压随负载有功电流的变化而变化，解决了解决双向变流器与整流机组间输出功率的优先和协调问题，使双向变流器和整流机组可以有效的提供牵引能量和回馈制动能量。通过分段式下垂的设计思路和各段斜率的选取，可有效避免双向变流器与整流机组间和站间的能量环流，为实现双向变流器在正线的全线路应用打下了坚定的基础。
在一实施例中，本发明还提出了一种用于轨道交通双向变流器的智能网压控制装置，该装置包括：采集模块、解耦模块、获取模块、虚拟前馈电阻模块、电压计算模块及控制模块；其中，
所述采集模块，用于采集三相交流电流；
所述解耦模块，用于将采集的三相交流电流进行坐标变换，解耦出负载的有功电流；
所述获取模块，用于获取双向变流器的输出初始给定电压；
所述虚拟前馈电阻模块，用于用于实现可变化的虚拟前馈电阻值；
所述电压计算模块，用于根据负载的有功电流、初始给定电压及虚拟前馈电阻得出双向变流器的输出电压；
所述控制模块，用于控制虚拟前馈电阻值的变化，并使双向变流器的输出电压随负载有功电流的变化而变化。
进一步，所述控制模块包括初始给定电压模块、虚拟前馈电阻值计算模块及电压输出模块，其中，
所述初始给定电压模块，用于输出双向变流器的初始给定电压，并使双向变流器的输出初始给定电压保持不变；
特性区间划分模块，用于对双向变流器的输出特性进行特性区间的划分；
所述虚拟前馈电阻值计算模块，用于根据划分的各特性区间的供电需求,计算出对应特性区间的虚拟前馈电阻值；
所述电压输出模块，用于通过对应特性区间的虚拟前馈电阻值，得出双向变流器在对应特性区间的输出电压，实现双向变流器的输出电压随负载有功电流的变化而变化，使双向变流器呈现出不同的输出特性。
进一步，所述特性区间划分模块中还包括区间段划分模块，用于对回馈特性区间和牵引供电特性区间进行进一步划分，划分为六个区间段，所述六个区间段包括：
根据避免各站间能量环流和供电需求将所述牵引供电特性区间划分为：区间①斜率较陡一段、区间②稳压牵引输出段、区间③下垂混合供电段；
根据优先邻车吸收和维持接触网压恒定原则将所述能馈特性区间划分为：区间④斜率较陡二段、区间⑤恒压能量回馈段、区间⑥上翘回馈段。
在一实施例中，本发明提供出了一种用于轨道交通双向变流器的智能网压控制系统，该系统包括牵引回馈变压器、PWM双向变流器及上述实施例任一所述的用于轨道交通双向变流器的智能网压控制装置。
基于控制装置的描述，参见前述相同或相似部分的描述，在此不再赘述。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.一种用于轨道交通双向变流器的智能网压控制方法，其特征在于：该方法包括：
采集三相交流电流，经过坐标变换解耦出负载的有功电流；
获取双向变流器的输出初始给定电压；
引入可控的虚拟前馈电阻；
根据负载的有功电流、初始给定电压及虚拟前馈电阻得出双向变流器的输出电压；
通过控制虚拟前馈电阻值的变化，使双向变流器的输出电压随负载有功电流的变化而变化。
2.根据权利要求1所述的用于轨道交通双向变流器的智能网压控制方法，其特征在于：所述根据负载的有功电流、初始给定电压及虚拟前馈电阻得出双向变流器的输出电压为：
Udc_out＝Udc_ref-Rdroop·Iq_fbk
式中，Rdroop为引入的虚拟前馈电阻，Iq_fbk为解耦出负载的有功电流，Udc_ref为初始给定电压。
3.根据权利要求2所述的用于轨道交通双向变流器的智能网压控制方法，其特征在于：所述通过控制虚拟前馈电阻值的变化，使双向变流器的输出电压随负载有功电流的变化而变化，包括：
令双向变流器的输出初始给定电压不变；
对双向变流器的输出特性进行特性区间的划分；
根据划分的各特性区间的供电需求,计算出对应特性区间的虚拟前馈电阻值；
通过对应特性区间的虚拟前馈电阻值，得出双向变流器在对应特性区间的输出电压，进而实现双向变流器的输出电压随负载有功电流的变化而变化，使双向变流器呈现出不同的输出特性。
4.根据权利要求3所述的用于轨道交通双向变流器的智能网压控制方法，其特征在于：所述对双向变流器的输出特性进行特性区间的划分包括：根据整流机组的24脉动整流器推挽区间和自然下垂特性，将双向变流器的输出特性划分为牵引供电特性区间和回馈特性区间。
5.根据权利要求4所述的用于轨道交通双向变流器的智能网压控制方法，其特征在于：所述将双向变流器的输出特性划分为牵引供电特性区间和回馈特性区间后，还包括：对牵引供电特性区间和回馈特性区间进一步划分为六个区间段，所述六个区间段包括：
根据避免各站间能量环流和供电需求将所述牵引供电特性区间划分为：区间①斜率较陡一段、区间②稳压牵引输出段、区间③下垂混合供电段；
根据优先邻车吸收和维持接触网压恒定原则将所述能馈特性区间划分为：区间④斜率较陡二段、区间⑤恒压能量回馈段、区间⑥上翘回馈段。
6.根据权利要求5所述的用于轨道交通双向变流器的智能网压控制方法，其特征在于：所述根据各特性区间的供电需求,计算出对应特性区间的虚拟前馈电阻值，所述区间①～⑥段对应特性区间的虚拟前馈电阻值为：
区间①斜率较陡一段的前馈电阻为：
Figure FDA0003403545020000021
区间②稳压牵引输出段的前馈电阻为Rdroop2＝0；
区间③下垂混合供电段的前馈电阻为：
Figure FDA0003403545020000022
区间④斜率较陡二段的前馈电阻为
Figure FDA0003403545020000023
区间⑤恒压能量回馈段的前馈电阻为Rdroop5＝0；
区间⑥上翘回馈段的前馈电阻为
Figure FDA0003403545020000024
其中，U0为空载电压设定值；Uele为牵引电压设定值；Umax为直流过电压保护值；Umin为不控直流电压值；Ufbk为回馈电压设定值；I1～I4为负载有功电流特定阈值；Ilim±为限幅电流值。
7.一种用于轨道交通双向变流器的智能网压控制装置，其特征在于：该装置包括：采集模块、解耦模块、获取模块、虚拟前馈电阻模块、电压计算模块及控制模块；其中，
所述采集模块，用于采集三相交流电流；
所述解耦模块，用于将采集的三相交流电流进行坐标变换，解耦出负载的有功电流；
所述获取模块，用于获取双向变流器的输出初始给定电压；
所述虚拟前馈电阻模块，用于实现可变化的虚拟前馈电阻值；
所述电压计算模块，用于根据负载的有功电流、初始给定电压及虚拟前馈电阻得出双向变流器的输出电压；
所述控制模块，用于控制虚拟前馈电阻值的变化，并使双向变流器的输出电压随负载有功电流的变化而变化。
8.根据权利要求7所述的用于轨道交通双向变流器的智能网压控制装置，其特征在于：所述控制模块包括初始给定电压模块、虚拟前馈电阻值计算模块及电压输出模块，其中，
所述初始给定电压模块，用于输出双向变流器的初始给定电压，并使双向变流器的输出初始给定电压保持不变；
特性区间划分模块，用于对双向变流器的输出特性进行特性区间的划分；
所述虚拟前馈电阻值计算模块，用于根据划分的各特性区间的供电需求,计算出对应特性区间的虚拟前馈电阻值；
所述电压输出模块，用于通过对应特性区间的虚拟前馈电阻值，得出双向变流器在对应特性区间的输出电压，实现双向变流器的输出电压随负载有功电流的变化而变化，使双向变流器呈现出不同的输出特性。
9.根据权利要求8所述的用于轨道交通双向变流器的智能网压控制装置，其特征在于：所述特性区间划分模块中还包括区间段划分模块，用于对回馈特性区间和牵引供电特性区间进行进一步划分，划分为六个区间段，所述六个区间段包括：
根据避免各站间能量环流和供电需求将所述牵引供电特性区间划分为：区间①斜率较陡一段、区间②稳压牵引输出段、区间③下垂混合供电段；
根据优先邻车吸收和维持接触网压恒定原则将所述能馈特性区间划分为：区间④斜率较陡二段、区间⑤恒压能量回馈段、区间⑥上翘回馈段。
10.一种用于轨道交通双向变流器的智能网压控制系统，其特征在于：该系统包括牵引回馈变压器、双向变流器及权利要求7-9任一所述的用于轨道交通双向变流器的智能网压控制装置。
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