CN206023222U - 基于串并联结构模块化的地铁能量回馈装置闭环控制装置 - Google Patents

基于串并联结构模块化的地铁能量回馈装置闭环控制装置 Download PDF

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张明
芮国强
李锦�
陈蕾
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刘定坤
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葛文海
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Abstract

本实用新型涉及一种串、并联结构的模块化地铁能量回馈装置的闭环控制装置。所述装置包括主控制器和底层控制器。主控制器和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。主控制器负责接收上位监控机或者手工输入的操作命令，进行直流稳压、两组串联逆变模块间均压、两组串联逆变模块组的三相交流输出电流进行闭环控制，并输出两组PWM控制信号，分别控制两组串联逆变模块组的IGBT开关动作，同一组并联逆变模块接收相同的PWM脉冲。本实用新型可以达到稳定直流触网电压的目的；且有效均衡两组串联逆变模块直流电压；能够保证很好的交流基波电流控制精度和电流波形质量；冗余运行、提高可靠性；可以根据系统需求输出无功电流。

Description

基于串并联结构模块化的地铁能量回馈装置闭环控制装置
技术领域
本发明涉及一种串、并联结构的模块化地铁能量回馈装置的闭环控制方法及其装置。
背景技术
随着城市规模的飞速扩大，现有的地面交通系统已经越来越不能满足城市生活的交通需求，要实现高效、有序、省时的交通效果，地下交通的建设在近几年显得越发的重要，任何一个大型城市，其地铁系统的覆盖范围均占城市面积的三分之一以上。
在运行过程中，由于地铁运行速度快，且站点设置较多，因此，相邻两站之间的通行时间一般控制在两分钟到三分钟之间，这就导致了地铁需要频繁起动和制动，在制动过程中，会产生巨大的制动能量，如果浪费不用，在现如今全球能源紧张的情况下，不得不说非常奢侈，也十分可惜，因此，对地铁制动能量进行回收利用已成为现有地下交通缩减运营成本、节约运行能源的重要课题。
随着电力电子技术的发展，能量回馈装置逐渐在地铁里得到了应用。能量回馈装置的基本原理是将电机发出的直流电能逆变成交流电回馈到电网，这样电能就得到了再生利用，有效地提高了能源的利用效率。
国内若干高校和企业对地铁能量回馈装置进行了有益的研究和探索：北京交通大学和北京千驷驭电气有限公司的专利《一种具有无功补偿功能的能馈式牵引供电装置及控制方法》(申请号：201010601917.9)、亚派科技股份有限公司的专利《一种地铁能量回馈装置》(专利号：ZL 2015 2 0606199.2)两篇专利比较具有代表性。但这两种方案都没有实现模块化设计，不能灵活覆盖不同电流等级需求，没有冗余运行能力，存在可靠性隐患。
上述两种方案都不能灵活满足各种功率等级需求，且没有冗余运行能力，存在可靠性隐患。
发明内容
1、所要解决的技术问题：
本发明要解决的技术问题提供一种是串、并联结构的模块化地铁能量回馈的闭环控制装置及方法，达到稳定直流触网电压的目的。
2、技术方案：
本发明提供的电路是一种基于串并联结构模块化的地铁能量回馈装置闭环控制装置和方法。所述基于串并联结构模块化的地铁能量回馈装置如图1所示，包括两组串联的逆变模块组，所述逆变模块组内包括至少一个逆变模块，所述逆变模块组内的多个逆变模块在交直流侧并联。在逆变模块组内并联逆变模块的数目由具体实际情况的电流决定。这样就可以满足 不同的功率需求。
本发明提供的电路是一种基于串并联结构模块化的地铁能量回馈装置闭环控制装置包括：主控制器和底层控制器。主控制器：与各逆变模块内部设置的底层控制器相互连接，接收的信息包括各个逆变模块工作状态，其作用为：输出控制量，接收各个逆变模块工作状态的信息，实现对两组串联逆变模块组的功率进行控制。底层控制器：设置于逆变模块内部；与所在的逆变模块输出端相连，与设置在所在逆变模块中的IGBT开关连接。
主控制器与上位监控机或者手工输入的装置相连。通过上位监控机或者手工输入的装置对主控制器输入一些命令，比如输入直流触网电压目标值。
主控制器的第一输入端与三相电压互感器相连；主控制器的第二输入端与第一逆变模块组的交流电流霍尔传感器相连；主控制器的第三输入端与第二逆变模块组交流电流霍尔传感器的输出端相连；主控制器的第四输入端与直流侧两个电压霍尔传感器相连；
所述主控制器与两组串联逆变模块总的三相交流输出电流进行闭环控制，并分别向两组逆变模块组输出两组PWM控制信号，所述两组PWM控制信号分别与两组串联逆变模块组的IGBT开关相连；
所述主控制器向各个底层控制器输入端以通信发出PWM信号；
所述各个底层控制器与各相应的逆变模块内部交流电流互感器CTA、CTB、CTC相连；所述各个底层控制器输出PWM脉冲与各自对应的IGBT开关相互连接；所述各个底层控制器设置IO接口，与交流开关K1、K2相连。所述IO接口是用来控制K1、K2分断、闭合的，在停机和故障状态下分断K1、K2；在逆变回馈工况下，闭合K1、K2。
进一步地，所述底层控制器与主控制器传递的信息还包括逆变模块的故障信息和IGBT温度信息。所述主控制器监测到某个逆变模块故障退出运行，将功率输出同等幅度减小的信号传输到所述两组串联逆变模块组，所述串并联结构模块化的地铁能量回馈装置降额运行。
所述主控制器和底层控制器之间通过光纤进行通信。
本控制系统由主控制器和安装在逆变模块中的底层控制器构成，主控制器和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。主控制器负责接收上位监控机或者手工输入的操作命令，进行直流稳压、两组串联逆变模块间均压、两组串联逆变模块组的三相交流输出电流进行闭环控制，并输出两组PWM控制信号，分别控制两组串联逆变模块组的IGBT开关动作，同一组并联逆变模块接收相同的PWM脉冲。各个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，并还原成标准PWM信号，控制IGBT开关动作。底层控制器通过交流电流互感器CTA、CTB、CTC采样逆变模块输出电流I1a、I1b、I1c，进行快速过流保护：封锁PWM脉冲、断开交流开关K1、K2。底层控制器将逆变模块的故障信 息和IGBT温度通过上传光纤反馈给主控制器。若某个逆变模块故障退出运行，主控制同等幅度减小两组串联逆变模块的功率输出，回馈装置降额运行。
上述装置的控制方法为，所述方法包括如下步骤：
1)人工设置直流触网电压目标值Udc-ref，并实时检测两组逆变模块组的直流电压Udc1、Udc1，它们的和为直流总电压Udc-t，差为两组逆变模块组的直流电压偏差Udc-n；直流总稳压控制器将Udc-ref和Udc-t进行比较，当Udc-ref＜Udc-t时，直流总稳压控制器计算Udc-ref和Udc-t之间误差，将误差作为输入信号输入PI控制器，通过PI控制器输出三相旋转坐标系下的d轴有功电流指令Id-ref，所述三相旋转坐标系即dq坐标系；直流均压控制器将指令值0和直流电压偏差Udc-n进行比较，得到之间的误差，将误差作为输入信号输入PI控制器，得到两组逆变模块组的功率偏差修正量Id-n；将Id-ref减去Id-n，得到第一组逆变模块组的d轴有功指令Id1-ref，将Id-ref加上Id-n，得到第二组逆变模块的d轴有功指令Id2-ref。
2)三相电压互感器PT1、PT2、PT3分别检测升压变高压侧三相线采样电网电压Usa、Usb、Usc，采样电网电压Usa、Usb、Usc经由锁相环PLL计算得到dq反变换需要的电网同步信号ωt。
3)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，以步骤2得到的电网同步信号ωt为正弦波相位基准，采用dq反变换将q轴无功电流指令Iq-ref和步骤1得到的两组逆变模块d轴有功电流指令Id1-ref、Id2-ref反变换到三相ABC坐标系下，得到两组ABC三相电流指令Ia1-ref、Ib1-ref、Ic1-ref、Ia2-ref、Ib2-ref、Ic2-ref；通过三相电流控制器比较两组三相电流指令Ia1-ref、Ib1-ref、Ic1-ref、Ia2-ref、Ib2-ref、Ic2-ref和实际两组三相逆变模块组输出总电流Ia1、Ib1、Ic1、Ia2、Ib2、Ic2的差值，通过该差值计算得到两组三相控制输出Uia1-ref、Uib1-ref、Uic1-ref、Uia2-ref、Uib2-ref、Uic2-ref。
4)两组三相控制输出Uia1-ref、Uib1-ref、Uic1-ref、Uia2-ref、Uib2-ref、Uic2-ref分别进入调制模块进行单极倍频调制，得到两组每相4路、三相共12路脉冲控制信号PWMa11,12,13,14、PWMb11,12,13,14、PWMc11,12,13,14、PWMa21,22,23,24、PWMb21,22,23,24、PWMc21,22,23,24，通过通信方式送给两组逆变模块组各自的A、B、C三相H桥的12只IGBT进行开关控制，并联逆变模块接收相同的控制信号。
上述步骤3还包括如下步骤：
3-1)将PI控制器和基波谐振控制器R1、三次谐振控制器R3、五次谐振控制器R5、七次谐振控制器R7并联，形成PI+R1+R3+R5+R7模块，两组三相电流指令Ia1-ref、Ib1-ref、Ic1-ref、Ia2-ref、Ib2-ref、Ic2-ref和实际两组三相逆变输出总电流Ia1、Ib1、Ic1、Ia2、Ib2、Ic2的差值作为输入信号输入该模块。
3-2)按照公式计算得出对应谐振控制器的输出值，所述s是复频域算子，ωn是谐振中心频率，Ki是比例增益。
3-3)将PI+R1+R3+R5+R7控制器的输出值加上升压变高压侧三相线采样电网电压Usa、Usb、Usc，得到输出值，即两组三相控制输出Uia1-ref、Uib1-ref、Uic1-ref、Uia2-ref、Uib2-ref、Uic2-ref。
如上所示：本发明通过分别检测三相电流，并以此为基础进行单极倍频调制，该方法在变压器的低压端就实现了倍频的效果，从而向中压交流电网馈入正确的三相交流电流，达到稳定直流触网电压的目的。
3、有益效果：
(1)达到稳定直流触网电压的目的；(2)有效均衡两组串联逆变模块直流电压；(3)能够保证很好的交流基波电流控制精度和电流波形质量；(4)冗余运行、提高可靠性；(5)可以根据系统需求输出无功电流。
附图说明
图1是串并联结构的模块化地铁能量回馈装置控制系统结构示意图；
图2是串并联结构的模块化地铁能量回馈装置控制系统的逆变模块内部控制器结构示意图；
图3是控制系统框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，为本发明涉及的串、并联结构的模块化地铁能量回馈装置。本回馈装置包括：若干台DC750V逆变模块、升压变压器，馈入直流触网的电能进入逆变模块直流侧，逆变模块将直流电转换成低压交流电，低压交流电经变压器升压成中压交流电馈入中压电网，其中，DC750V逆变模块通过直流侧2模块串联实现DC1500V场合应用，通过直流侧并联满足不同的输入电流要求。DC750V逆变模块包括3相H桥逆变器、交流电流互感器、逆变器侧滤波电感、交流滤波电容、直流滤波电感、直流熔断器、交流断路器，交流输出端和变压器相连。直流电经开关频率f的3相H桥单极倍频逆变，输出等效开关频率为2f的三相脉冲交流电。该脉冲交流电经过LCL滤波器得到三相正弦低压交流电，低压正弦交流电经变压器升压成中压正弦交流电馈入中压电网。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 组三相独立绕组。DC750V逆变模块中的H桥逆变器输出采用LCL滤波器，逆变器侧滤波电感和交流滤波电容安装在逆变模块中，网侧滤波电感利用变压器漏感实现，无需专门配备。
当列车制动时，列车上的牵引电机工作在发电机状态，制动机械能转换成电能馈入直流触网，然后进入DC750V逆变模块，逆变模块将直流转换成交流，变压器将逆变模块输出的低压交流升压成中压馈入中压电网，如图1、2所示的各个部件如下：
模块化回馈装置：两组DC750V逆变模块直流侧串联满足DC1500V应用；每组DC750V逆变模块交、直流侧并联，满足不同电流需求。TA1、TB1、TC1和TA2、TB2、TC2分别采样两组串联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，分别采样两组串联逆变模块的直流母线电压，进行稳压控制。
DC750V逆变模块：逆变器为3相H桥，采用单极倍频技术，逆变输出频率是实际开关频率的2倍，且输出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。输出开关纹波频率高、幅值小，能够减小输出LCL滤波器尺寸、降低成本；H桥逆变器的每个桥臂交流输出都串联滤波电感，抑制模块并联桥臂间的环流。当主控制器检测到直流触网电压高于设定的门槛值，通过光纤控制H桥逆变器把直流触网过来的直流电转换成交流电，送给变压器；CTA、CTB、CTC为交流电流互感器，分别检测逆变器三相输出电流，进行快速过流保护；LA1、LA2、LB1、LB2、LC1、LC2分别是3相H桥逆变器的逆变器侧滤波电感；CA、CB、CC分别是每相的交流滤波电容；K1、K2分别是交流断路器，用于过流保护；F1、F2是直流熔断器，用于短路保护。
变压器：将逆变模块输出的低压交流升压到中压，馈入中压电网；变压器为三相三柱式，高压侧三角形接法，连接35/33kV电网，低压侧为两组三相独立绕组，输出电压0.5kV；两组三相独立绕组为两组DC750V模块串联、3相H桥提供必需的相间隔离。变压器具有6％的短路阻抗，其漏感用作逆变器输出LCL滤波器的网侧电感。所以，变压器一兼三职，具有电压耦合、低压侧相间隔离、网侧滤波电感三重功能；PT1、PT2、PT3是交流电压互感器，用于检测电网电压，给主控制器提供电网同步信号并进行电网电压前馈控制。
如图1、2所示，本发明方法包括下述特征：
1)由主控制器和安装在各个逆变模块中的底层控制器构成，主控制器和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。
2)主控制器负责接收上位监控机或者手工输入的操作命令，进行直流稳压、两组串联逆变模块间均压、两组串联逆变模块的三相交流输出电流进行闭环控制，并输出两组PWM控制信号，分别控制两组串联逆变模块的IGBT开关动作，并联逆变模块接收相同的PWM脉冲。
3)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，并还原成标准PWM信号，控制IGBT开关动作。底层控制器通过交流电流互感器CTA、CTB、CTC采样逆变模块输出电流I1a、I1b、I1c，进行快速过流保护：封锁PWM脉冲、断开交流开关K1、K2。底层控制器将逆变模块的故障信息和IGBT温度通过上传光纤反馈给主控制器。
4)若某个逆变模块故障退出运行，主控制同等幅度减小两组串联逆变模块的功率输出，回馈装置降额运行。
如图3所示，整个电压、电流闭环控制的过程如下：
2-1)人工设置直流触网电压目标值Udc-ref，并实时检测两组逆变模块组的直流电压Udc1、Udc1，它们的和为直流总电压Udc-t，差为两组逆变模块组的直流电压偏差Udc-n；直流总稳压控制器将Udc-ref和Udc-t进行比较，当Udc-ref＜Udc-t时，直流总稳压控制器计算Udc-ref和Udc-t之间误差，将误差作为输入信号输入PI控制器，通过PI控制器输出三相旋转坐标系下的d轴有功电流指令Id-ref，所述三相旋转坐标系即dq坐标系；直流均压控制器将指令值0和直流电压偏差Udc-n进行比较，得到之间的误差，将误差作为输入信号输入PI控制器，得到两组逆变模块组的功率偏差修正量Id-n；将Id-ref减去Id-n，得到第一组逆变模块组的d轴有功指令Id1-ref，将Id-ref加上Id-n，得到第二组逆变模块组的d轴有功指令Id2-ref。
2-2)三相电压互感器PT1、PT2、PT3分别检测升压变高压侧三相线采样电网电压Usa、Usb、Usc，采样电网电压Usa、Usb、Usc经由锁相环PLL计算得到dq反变换需要的电网同步信号ωt。
2-3)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，以步骤2得到的电网同步信号ωt为正弦波相位基准，采用dq反变换将q轴无功电流指令Iq-ref和步骤1得到的两组逆变模块d轴有功电流指令Id1-ref、Id2-ref反变换到三相ABC坐标系下，得到两组ABC三相电流指令Ia1-ref、Ib1-ref、Ic1-ref、Ia2-ref、Ib2-ref、Ic2-ref；通过三相电流控制器比较两组三相电流指令Ia1-ref、Ib1-ref、Ic1-ref、Ia2-ref、Ib2-ref、Ic2-ref和实际两组三相逆变模块组输出总电流Ia1、Ib1、Ic1、Ia2、Ib2、Ic2的差值，通过该差值计算得到两组三相控制输出Uia1-ref、Uib1-ref、Uic1-ref、Uia2-ref、Uib2-ref、Uic2-ref。
2-4)两组三相控制输出Uia1-ref、Uib1-ref、Uic1-ref、Uia2-ref、Uib2-ref、Uic2-ref分别进入调制模块进行单极倍频调制，得到两组每相4路、三相共12路脉冲控制信号PWMa11,12,13,14、PWMb11,12,13,14、PWMc11,12,13,14、PWMa21,22,23,24、PWMb21,22,23,24、PWMc21,22,23,24，通过通信方式送给两组逆变模块各自的A、B、C三相H桥的12只IGBT进行开关控制，并联逆变模块接收相同的控制信号。
进一步，所述步骤3还包括如下步骤：
2-3-1)将PI控制器和基波谐振控制器R1、三次谐振控制器R3、五次谐振控制器R5、七次谐振控制器R7，形成PI+R1+R3+R5+R7模块，两组三相电流指令Ia1-ref、Ib1-ref、Ic1-ref、Ia2-ref、Ib2-ref、Ic2-ref和实际两组三相逆变输出总电流Ia1、Ib1、Ic1、Ia2、Ib2、Ic2的差值作为输入信号输入该模块。
2-3-2)按照公式计算得出对应谐振控制器的输出值，所述s是复频域算子，ωn是谐振中心频率，Ki是比例增益。3相H桥本质上是3单相电路，不能像普通三相桥在dq旋转坐标系下进行电流闭环控制，必须在三相ABC静止坐标系下进行控制。在dq坐标系下很容易实现基波电流无静差控制，因为基波电流在dq坐标系下是直流量，采用PI控制器就能实现无差控制。但在ABC坐标系下，单纯PI控制器就不能保证基波电流的稳态误差，因此采用PI+R1+R3+R5+R7方案，R1、R3、R5、R7代表基波、3、5、7次谐振控制器。它们能够分别对基波、3、5、7次谐波提供很高的开环增益，从而保证基波控制精度、降低输出交流电流中的低次谐波含量、提高电流波形质量。
2-3-3)将PI+R1+R3+R5+R7控制器的输出值加上升压变高压侧三相线采样电网电压Usa、Usb、Usc，得到输出值，即两组三相控制输出Uia1-ref、Uib1-ref、Uic1-ref、Uia2-ref、Uib2-ref、Uic2-ref。
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)

1.一种基于串并联结构模块化的地铁能量回馈装置闭环控制装置,所述基于串并联结构模块化的地铁能量回馈装置包括两组串联的逆变模块组，所述逆变模块组内包括至少一个逆变模块，所述逆变模块组内的多个逆变模块在交直流侧并联，其特征在于：包括
主控制器：与各逆变模块内部设置的底层控制器相互连接，接收的信息包括各个逆变模块工作状态；
底层控制器：设置于逆变模块内部；与所在的逆变模块输出端相连，与设置在所在逆变模块中的IGBT开关连接；
主控制器与上位监控机或者手工输入的装置相连；
主控制器的第一输入端与三相电压互感器相连；主控制器的第二输入端与第一逆变模块组的交流电流霍尔传感器相连；主控制器的第三输入端与第二逆变模块组交流电流霍尔传感器的输出端相连；主控制器的第四输入端与直流侧两个电压霍尔传感器相连；
所述主控制器与两组串联逆变模块总的三相交流输出电流进行闭环控制，并分别向两组逆变模块组输出两组PWM控制信号，所述两组PWM控制信号分别与两组串联逆变模块组的IGBT开关相连；
所述主控制器向各个底层控制器输入端以通信发出PWM信号；
所述各个底层控制器与各相应的逆变模块内部交流电流互感器CTA、CTB、CTC相连；所述各个底层控制器输出PWM脉冲与各自对应的IGBT开关相互连接；所述各个底层控制器设置IO接口，与交流开关K1、K2相连。
2.根据权利要求1所述的基于串并联结构模块化的地铁能量回馈装置闭环控制装置，其特征在于：所述底层控制器与主控制器传递的信息还包括逆变模块的故障信息和IGBT温度信息。
3.根据权利要求2所述的基于串并联结构模块化的地铁能量回馈装置闭环控制装置，其特征在于：所述主控制器和底层控制器之间通过光纤进行通信。
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