CN201220603Y - 一种混合式牵引供电装置 - Google Patents

Abstract

能够提高整个供电装置性能、降低成本的混合式的牵引供电装置。技术方案是：包括二极管整流机组(1)，其特征在于：还设置有PWM整流机组(5)和中央控制器，二极管整流机组和PWM整流机组在交流侧和直流侧相连，构成并联关系，中央控制器通过对二极管整流器机组的两相交流电压、两相交流电流、以及直流输出电压的检测，计算出PWM整流机组中各PWM整流器单元的d轴和q轴电流给定值，并通过CAN网络传输到PWM整流机组中各PWM整流器单元，实现对二极管整流器机组和PWM整流器机组进行协调控制。

Description

一种混合式牵引供电装置

技术领域

本实用新型涉及一种供电变流装置，尤其是指用于轨道交通车辆牵引供电的混合式牵引供电装置。

背景技术

发展城市轨道交通，不仅是缓解城市交通拥堵的有效措施，也是改善城市人居环境、促进城市可持续发展的必然要求。

目前，我国城市轨道交通供电装置采用的是二极管整流器，供电电压为750V或1500V。这种二极管整流器沿用至今已经有几十年历史，它的最大优点是装置结构简单、性能可靠，但在“节能减排”和“大力发展城市轨道交通”逐渐提上日程的今天，其存在的一些不足之处也日益突显：

1、能量不能双向流动；车辆制动时的能量不能回馈电网，造成能量的大大浪费；

2、无输出电压调节功能，输出电压波动大；交流输入电压的波动，以及车辆不同运行工况间的切换，都会导致直流电压的较大波动(500-900V)，不利于车辆全功率可靠运行；

3、需要外加笨重制动电阻装置，不利于车辆轻型化。为了防止车辆制动能量导致直流电网电压超过限定值，目前普遍采用在车上配备制动电阻将制动能量以热能消耗掉；

4、对交流电网谐波污染较大。虽然通过增加二极管整流器的脉波数，可以大大减小输入电流谐波，但所需移相整流变压器设计复杂，所以目前二极管整流多采用24脉波。

PWM整流器具有能量双向流动，功率因数高，直流输出电压可调等诸多优点。因此，有人提出用PWM整流器简单替代现有牵引供电系统中二极管整流器，但是PWM整流器相对于二极管整流器电路结构和控制算法都非常复杂、成本大大增加、可靠性降低。此外，为了减小交流谐波，功率器件处于频繁的开关状态，若PWM整流器长期工作于大功率状态，能量损耗比较严重。

实用新型内容

本实用新型提出了一种混合式的牵引供电装置，该装置将二极管整流器机组和PWM整流器机组作为为一个有机整体，在控制上采用协调控制策略和等效调制频率倍增技术，使二极管整流器机组和PWM整流器机组的并联运行得以成功实现，并且大大提高整个供电装置性能，降低成本。

本实用新型的技术方案是：一种混合式牵引供电装置，包括二极管整流机组(1)，其特征在于：还设置有PWM整流机组(5)和中央控制器，二极管整流机组和PWM整流机组在交流侧和直流侧相连，构成并联关系，中央控制器通过CAN网络(9)与PWM整流机组中所有PWM整流器单元连接；中央控制器硬件包括五个传感器、一块信号调理板和一块CPU板，所述传感器包括2个交流电压传感器、2个交流电流传感器、一个直流电压传感器，交流电压传感器用于检测二极管两相交流电网电压u_a和u_b，交流电流传感器用于检测二极管整流机组的两相交流电流i_a和i_b，直流电压传感器用于检测直流电压U_dc，传感器的输出接到信号调理板；信号调理板由RC低通滤波电路和比例放大电路组成，信号调理板对来自传感器的信号进行滤波，并转换到工作电压范围后送到CPU板；CPU板由微处理器和一个CAN通信接口组成，CPU板对输入信号进行AD采样后，计算出PWM整流机组中各PWM整流器单元的d轴和q轴电流给定值，并通过CAN网络传输到PWM整流机组中各PWM整流器单元，实现对二极管整流器机组和PWM整流器机组进行协调控制；所有PWM整流器单元直流侧并联到一起，所述的PWM整流器单元(8)的控制部分由锁相环模块、坐标变换模块、PI调节模块、CAN网络通信接口模块以及脉冲产生模块组成，其中，锁相环模块、坐标变换模块、PI调节模块以及脉冲产生模块顺序连接，CAN网络通信接口模块与PI调节模块连接，接收来自中央控制器的电流给定值，锁相环采集PWM整流器单元的两相交流电压，获得同步角θ，然后将PWM整流器单元的交流电流转换到同步旋转的dq坐标系，再分别对d轴电流和q轴电流进行PI调节，并将其输出用于产生驱动脉冲。

所述的二极管整流机组采用24脉波二极管整流机组，其包括2台整流变压器(3)和4个二极管整流桥(4)，上述两台整流变压器为三绕组的移相式整流变压器，并采用延边三角形接法。

所述PWM整流机组中变压器有一个原边绕组，一个或多个副边绕组；只有一个副边绕组时各PWM整流器单元的交流侧直接相连，有多个副边绕组时各PWM整流器单元交流侧分别连接到一个副边绕组上。

所述PWM整流机组中PWM整流器单元主电路采用两电平或三电平拓扑。

本实用新型的效果是：1、利用了二极管整流器简单可靠、开关损耗低的优点，车辆牵引所需功率主要由二极管整流器提供，当所需牵引功率迅速增大时，PWM整流器输出功率进行补充，防止直流电压跌落；2、车辆制动能量能够通过PWM整流器回馈交流电网，抑制直流电压升高，节约能量；3、PWM整流器具有谐波无功补偿功能，以减小二极管整流器注入交流电网谐波和无功；4、PWM整流器自动在不同工况间切换，确保了直流电压只在较小范围波动。

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步的说明。

附图说明

图1为本实用新型混合式供电装置电路框图；

图2为24脉波二极管整流机组电路框图；

图3为PWM整流机组电路框图；

图4为PWM整流器单元基于同步旋转坐标系的电流闭环控制原理图；

图5为传统PWM整流器双闭环控制原理图；

图6中央控制器电路框图。

具体实施方式

图1中，本实施例直流输出电压额定值为750V，整个供电装置由一个24脉波二极管整流机组、一个PWM整流机组和一个中央控制器组成。

图2是本实施例中24脉波二极管整流机组的电路图，其包括2台三绕组的移相式整流变压器和4个二极管整流桥。该整流变压器采用环氧树脂浇注干式变压器，变压器原边输入电压10kV，副边输出电压610V。变压器连接方式均采用Dy11d0，为了实现24脉波整流输出，两个变压器原边需采用延边三角形接法。

图3是本实施例中PWM整流机组的电路图。该PWM整流机组仅包括一台三绕组干式变压器和两个PWM整流器单元。

变压器采用环氧树脂浇注干式变压器，一个原边绕组，两个副边绕组，原边输入电压为10kV，副边输出电压420V，变压器连接方式为Yd11d11。为了防止雷电干扰侵入供电装置，需要在变压器原边处加装防雷装置。

PWM整流器单元主电路结构采用传统的两电平电路拓扑，其构件包括：6个功率开关管构成的三相桥电路、交流滤波电抗L、、直流侧支撑电容C、电压电流传感器，如图4所示。控制部分主要由以下几个功能块组成：锁相环、数据采集、坐标变换、PI控制、脉冲产生和通信接口。

中央控制器硬件包括五个传感器、一块信号调理板和一块CPU板，如图6所示。传感器用于将高压大电流转换为低压小电流信号，传感器的输出接到信号调理板；信号调理板对来自传感器的信号进行滤波，并转换到0-3V电压范围内后送到CPU板；CPU板对0-3V信号进行AD采样后，执行控制算法。上述传感器包括2个交流电压传感器、2个交流电流传感器、一个直流电压传感器；交流电压传感器用于检测两相交流电网电压u_a和u_b，交流电流传感器用于检测二极管整流机组的两相交流电流i_a和i_b，直流电压传感器用于检测直流电压U_dc，传感器安装位置如图1所示。上述信号调理板主要包括RC低通滤波电路和由运算放大器组成的比例放大电路；上述CPU板包括一个微处理器和一个CAN通信接口。整个中央控制器的作用是对二极管整流器机组和PWM整流器机组进行协调控制，输出电流控制指令(d轴和q轴电流给定值)，并通过CAN网络传到PWM整流机组中各PWM整流器单元。

图4给出了单个PWM整流器单元的控制原理，其采用的是基于同步旋转坐标系的电流解耦控制方法。具体工作步骤是：采集交流电压和交流电流，利用锁相环获得同步角θ，然后将交流电流转换到同步旋转的dq坐标系，再分别对d轴电流和q轴电流进行PI调节，并将其输出用于产生驱动脉冲。d轴电流给定值i_d ^*和q轴电流给定值i_q ^*都是经过CAN网络从中央控制器传来的。传统的PWM整流器控制方法除了上述电流环外，还包括一个直流电压外环，d轴电流的给定值由电压外环输出决定，如图5所示。电压外环的存在使得PWM整流器直流输出具有电压源特性，无法很好实现并联。本发明的独特之处在于，各PWM整流器单元上不设置直流电压外环，仅有电流内环，从而使得各PWM整流器单元直流输出具有电流源特性，易于并联。

下面对中央控制器完成的控制方法进行说明。

中央控制器检测两相交流电网电压u_a和u_b用于软件锁相环，得到电网同步角θ。然后将二极管整流器机组两相交流电流i_a和i_b转换到同步旋转坐标系，得到i_d和i_q，i_d中直流成分为i_d0，交流成分i_dh。事实上，i_d0代表的是二极管整流器机组传送的有功分量，i_dh+i_q代表无功和谐波分量。设直流输出电压额定值为750V，允许±50V波动，PWM整流器机组d、q轴电流给定值i_d ^*、i_q ^*计算如下：

1.当直流电压U_dc在允许范围700V～800V之间时，PWM整流器机组传输有功功率，只用于消除二极管整流器机组的谐波和补偿无功，因此PWM整流器机组d轴电流给定值 $i_d^{*}=-i_{\mathrm{dh}},$ q轴电流给定值为 $i_q^{*}=-i_q;$

2.当直流电压U_dc低于下限值700V时，说明车辆处于启动或大功率牵引工况，PWM整流器机组需要工作在整流状态，输出功率抑制直流电压进一步跌落。具体方法是以700V作为电压目标值进行闭环PI控制，PI调节器的输出限定为正值，并作为PWM整流器机组d轴电流给定值i_d ^*，q轴电流给定值i_q ^*取0。

3.当直流电压U_dc高于上限值800V时，说明车辆处于制动工况，PWM整流器需要工作在逆变状态，将制动能量反馈回交流电网，抑制直流电压继续升高。具体方法是以800V作为电压目标值进行闭环PI控制，PI调节器的输出限定为负值，并作为PWM整流器机组d轴电流给定值i_d ^*，q轴电流给定值i_q ^*取0。

各PWM整流器单元d、q轴电流的给定值等于上述i_d ^*、i_q ^*的1/N，N为PWM整流器单元的数量，本实施例N＝2。

本实施例中两个PWM整流器单元调制频率均为2kHz，针对本实施例中两个PWM整流器单元并联的主电路结构，还采用了一种新型的PWM调制技术——等效调制频率倍增技术，其只需要在传统空间矢量脉宽调制SVPWM基础上，以电网电压过零点为基准将两个PWM整流器单元矢量调制的时间点相互错开1/2个调制周期，就可以使本实施例中整个PWM整流机组等效调制频率变为4kHz，交流电流带宽增加，更容易对二极管整流部分低次谐波电流的消除和进行无功补偿。

以上所述仅为本发明的一个实施例而已，不能以之限定本发明的实施范围，故同类组件的置换，以及基本原理与本发明所述控制方法相同的控制方法，皆属本专利保护范围。

Claims (4)

1、一种混合式牵引供电装置，包括二极管整流机组(1)，其特征在于：还设置有PWM整流机组(5)和中央控制器，二极管整流机组和PWM整流机组在交流侧和直流侧相连，构成并联关系，中央控制器通过CAN网络(9)与PWM整流机组中所有PWM整流器单元连接；中央控制器硬件包括五个传感器、一块信号调理板和一块CPU板，所述传感器包括2个交流电压传感器、2个交流电流传感器、一个直流电压传感器，交流电压传感器用于检测二极管两相交流电网电压u_a和u_b，交流电流传感器用于检测二极管整流机组的两相交流电流i_a和i_b，直流电压传感器用于检测直流电压U_dc，传感器的输出接到信号调理板；信号调理板由RC低通滤波电路和比例放大电路组成，信号调理板对来自传感器的信号进行滤波，并转换到工作电压范围后送到CPU板；CPU板由微处理器和一个CAN通信接口组成，CPU板对输入信号进行AD采样后，计算出PWM整流机组中各PWM整流器单元的d轴和q轴电流给定值，并通过CAN网络传输到PWM整流机组中各PWM整流器单元，实现对二极管整流器机组和PWM整流器机组进行协调控制；所有PWM整流器单元直流侧并联到一起，所述的PWM整流器单元(8)的控制部分由锁相环模块、坐标变换模块、PI调节模块、CAN网络通信接口模块以及脉冲产生模块组成，其中，锁相环模块、坐标变换模块、PI调节模块以及脉冲产生模块顺序连接，CAN网络通信接口模块与PI调节模块连接，接收来自中央控制器的电流给定值，锁相环采集PWM整流器单元的两相交流电压，获得同步角θ，然后将PWM整流器单元的交流电流转换到同步旋转的dq坐标系，再分别对d轴电流和q轴电流进行PI调节，并将其输出用于产生驱动脉冲。

2、如权利要求1所述的一种混合式牵引供电装置，其特征在于：所述的二极管整流机组采用24脉波二极管整流机组，其包括2台整流变压器(3)和4个二极管整流桥(4)，上述两台整流变压器为三绕组的移相式整流变压器，并采用延边三角形接法。

3、如权利要求1或2所述的一种混合式牵引供电装置，其特征在于：所述PWM整流机组中变压器有一个原边绕组，一个或多个副边绕组；只有一个副边绕组时各PWM整流器单元的交流侧直接相连，有多个副边绕组时各PWM整流器单元交流侧分别连接到一个副边绕组上。

4、如权利要求3所述的一种混合式牵引供电装置，其特征在于：所述PWM整流机组中PWM整流器单元主电路采用两电平或三电平拓扑。

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