專(zhuān)利名稱(chēng)：一種具有無(wú)功補(bǔ)償功能的能饋式牽引供電裝置及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種城市軌道交通牽引供電裝置及控制方法，尤其指采用大功率雙向 變流器，能夠同時(shí)滿(mǎn)足列車(chē)的牽引供電、再生制動(dòng)能量吸收，并具有交流中壓電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償 功能的牽引供電裝置及控制方法。
背景技術(shù)：
城市軌道交通可以緩解城市交通日益擁堵的現(xiàn)狀，降低化石燃料的消耗，減少汽 車(chē)尾氣對(duì)空氣的污染，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展。當(dāng)前城市軌道交通牽引供電仍采用基于二極管的供電裝置。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 成本較低，但是直流電壓不可控，波動(dòng)范圍大，不利于列車(chē)性能的發(fā)揮；同時(shí)，能量只能單向 傳輸，列車(chē)再生制動(dòng)的多余能量不能回饋交流電網(wǎng)，需用制動(dòng)電阻消耗掉，造成能量的白白 浪費(fèi)。此外，制動(dòng)電阻發(fā)熱還會(huì)導(dǎo)致隧道溫度升高，增加環(huán)控系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，造成能源的再消 耗。利用大功率電力電子功率變換技術(shù)，研制一種具有能量回饋功能的牽引供電裝置是城 市軌道交通牽引供電未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。眾所周知，無(wú)功在供電網(wǎng)絡(luò)中傳輸，不僅會(huì)帶來(lái)有功功率損耗，而且會(huì)造成電壓損 失，影響電能傳輸容量和質(zhì)量。為此，電力企業(yè)會(huì)對(duì)客戶(hù)端的功率因數(shù)進(jìn)行考核，功率因數(shù) 低于最低限值的用戶(hù)會(huì)面臨處罰。對(duì)于城市軌道牽引供電系統(tǒng)，白天高峰時(shí)段用電負(fù)荷大， 電纜等效電容產(chǎn)生的無(wú)功所占總功率的比重相對(duì)較小，主變電站功率因數(shù)能維持0. 9以 上；但在非高峰時(shí)段或夜間休車(chē)時(shí)段，地鐵用電負(fù)荷很小，不到高峰時(shí)段的1/10。大量電纜 的等效電容產(chǎn)生的無(wú)功使得主變電站功率因數(shù)大大降低，嚴(yán)重時(shí)功率因數(shù)僅有0. 4左右， 大大低于電力企業(yè)規(guī)定的功率因數(shù)限值，因此迫切需要進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有牽引供電裝置直流電壓波動(dòng)范圍大、制動(dòng) 能量不能回饋的不足，提供一種能夠?qū)⒅苿?dòng)能量回饋交流電網(wǎng)，同時(shí)還具有一定無(wú)功補(bǔ)償 能力的能饋式牽引供電裝置及控制方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案如下—種具有無(wú)功補(bǔ)償功能的能饋式牽引供電裝置，其特殊之處在于它包括一臺(tái)雙分裂變壓器，該變壓器由一個(gè)原邊繞組和兩個(gè)副邊分裂繞組組成，原邊繞 組接交流中壓電網(wǎng)，采用星形連接，每個(gè)副邊繞組連接一臺(tái)大功率雙向變流器，各副邊繞組 的連接方式相同，均采用三角形連接，變壓器副邊繞組具有較大的漏感，用于替代雙向變流 器交流側(cè)濾波電感，減小系統(tǒng)體積。第一臺(tái)、第二臺(tái)大功率雙向變流器的直流輸出側(cè)串聯(lián)連接，以獲得較高的直流輸 出電壓。直流濾波電感串接在第一臺(tái)大功率雙向變流器的直流正端輸出與直流接觸網(wǎng)之 間。第二臺(tái)大功率雙向變流器的直流負(fù)端輸出接鋼軌。一個(gè)中央控制器，其通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)與第一和第二大功率雙向變流器互聯(lián)。無(wú)功補(bǔ)償功能的能饋式牽引供電裝置的控制方法，該控制方法采用分層 控制，中央控制器負(fù)責(zé)有功電流指令和無(wú)功電流指令的計(jì)算，第一臺(tái)和第二臺(tái)大功率雙向 變流器根據(jù)有功電流指令和無(wú)功電流指令分別對(duì)各自交流電流進(jìn)行閉環(huán)控。有功電流指令的計(jì)算是通過(guò)檢測(cè)直流接觸網(wǎng)電壓，并進(jìn)行PI閉環(huán)控制得到。無(wú)功電流指令計(jì)算式為其中，Q為中央控制器接收的來(lái)自SCADA的主變電站進(jìn)線(xiàn)處的無(wú)功功率值，Ed為變 壓器二次側(cè)電壓轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的值。第一和第二大功率雙向變流器交流電流閉環(huán)控制方法采用基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 的電流解耦控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)有功和無(wú)功的獨(dú)立控制。所述基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的電流解耦控制，采用下列步驟a，檢測(cè)變壓器原邊電壓互感器輸出的兩相交流電壓，并進(jìn)行鎖相，得到電網(wǎng)電壓 同步角。b，分別檢測(cè)第一和第二大功率雙向變流器的兩相交流電流，并利用坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)換 到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，然后再根據(jù)有功電流指令和無(wú)功電流指令分別對(duì)d軸電流和q軸電流 進(jìn)行PI控制。c，將d、q軸PI控制的輸出用于空間矢量脈寬調(diào)制，產(chǎn)生六路驅(qū)動(dòng)脈沖。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有的優(yōu)點(diǎn)是(將下述三段合并描述)基于大功率雙向變流器，一方面能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向傳輸在列車(chē)牽引時(shí)，為列車(chē) 提供能量；當(dāng)列車(chē)制動(dòng)時(shí)，將多余的制動(dòng)能量反饋回交流電網(wǎng)，供其它負(fù)載使用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能； 另一方面，還可以利用雙向變流器的完全可控的特性，向中壓電網(wǎng)注入一定的感性或容性 的無(wú)功，實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償?shù)墓δ?，提高主變電站進(jìn)線(xiàn)處功率因數(shù)。整個(gè)裝置功能完善，性?xún)r(jià)比 尚ο


圖1具有無(wú)功補(bǔ)償功能的能饋式牽引供電裝置組成圖。圖2無(wú)功電流指令計(jì)算流程圖。圖3雙向變流器控制原理框圖。圖4中央控制器組成圖。
具體實(shí)施例方式結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。一種具有無(wú)功補(bǔ)償功能的能饋式牽引供電裝置，如圖1所示，它包括一臺(tái)雙分裂變壓器1，該變壓器由一個(gè)原邊繞組和兩個(gè)副邊分裂繞組組成，原邊繞 組接交流中壓電網(wǎng)，采用星形連接，每個(gè)副邊繞組連接一臺(tái)大功率雙向變流器，各副邊繞組 的連接方式相同，均采用三角形連接，變壓器副邊繞組具有較大的漏感，用于替代雙向變流 器交流側(cè)濾波電感，減小系統(tǒng)體積。第一臺(tái)、第二臺(tái)大功率雙向變流器2、5的直流輸出側(cè)串聯(lián)連接，以獲得較高的直流輸出電壓。直流濾波電感3串接在第一臺(tái)大功率雙向變流器2的直流正端輸出與直流接 觸網(wǎng)之間。第二臺(tái)大功率雙向變流器5的直流負(fù)端輸出接鋼軌。一個(gè)中央控制器4，其通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)與第一臺(tái)和第二臺(tái)大功率雙向變流器2、5互聯(lián)。雙分裂變壓器1，該變壓器的作用是將高壓交流電壓降到PWM整流器所需交流電 壓。同時(shí)，兩個(gè)雙向變流器的交流側(cè)通過(guò)變壓器繞組實(shí)現(xiàn)隔離，為兩臺(tái)雙向變流器直流側(cè)串 聯(lián)創(chuàng)造必要條件。此外，經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)，使得變壓器兩個(gè)副邊繞組具有較大的漏感，用以代 替雙向變流器工作所需交流電感，減小系統(tǒng)體積，為此該變壓器的全穿越阻抗和半穿越阻 抗取值范圍通常在20% 50%之間即可滿(mǎn)足要求。本實(shí)施例中變壓器采用環(huán)氧樹(shù)脂澆注干式雙分裂變壓器，重量輕、耐火、阻燃、低 噪聲、壽命長(zhǎng)；變壓器容量1250kVA ；變壓器原邊輸入電壓33kV，副邊輸出電壓500V ；原 邊采用星型連接，副邊采用三角形連接，具體連接方式取Ydlldll。變壓器全穿越阻抗為 40%，半穿越阻抗為35%。第一臺(tái)和第二臺(tái)大功率雙向變流器2和5，本實(shí)施例是針對(duì)接觸網(wǎng)額定電壓為 1500V的地鐵牽引供電系統(tǒng)，因此每臺(tái)大功率雙向變流器的直流額定電壓為750V。大功率 雙向變流器的主電路為傳統(tǒng)的三相全橋兩電平結(jié)構(gòu)，主要包含功率開(kāi)關(guān)管、直流支撐電容 器、電壓電流傳感器、以及控制板(注三相交流電感用變壓器漏感替代)。功率開(kāi)關(guān)管選 擇西門(mén)康公司的SKiiP系列智能功率模塊，參數(shù)1700V/M00A，型號(hào)為SKiiP 2403GB173D, 該智能功率模塊自帶散熱器、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、溫度傳感器和電流傳感器，使用方便，可靠性高; 直流支撐電容為30000 μ F ；電壓電流傳感器采用LEM傳感器；控制板上主要器件為一塊數(shù) 字信號(hào)處理器和一個(gè)CAN通信接口，前者作用為采集大功率雙向變流器交直流側(cè)電壓電流 信號(hào)，執(zhí)行控制算法，產(chǎn)生PWM脈沖，驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管工作，而CAN通信接口用于與中央控制 器通信，接收中央控制器有功電流和無(wú)功電流指令?？刂瓢迳系臄?shù)字信號(hào)處理器采用TI公 司的TMS320F2812，該處理器自帶增強(qiáng)型CAN模塊，只需外加一個(gè)帶隔離和保護(hù)的CAN收發(fā) 器CTM1050T就能實(shí)現(xiàn)與中央控制器的CAN網(wǎng)絡(luò)通信。單臺(tái)大功率雙向變流器額的定功率 為500kW。直流濾波電感3的作用是濾除直流接觸網(wǎng)電壓中的高次諧波，減小接觸網(wǎng)電壓瞬 時(shí)波動(dòng)對(duì)大功率雙向變流器直流側(cè)的沖擊。本實(shí)施例中，直流濾波電感采用空心電感，抗飽 和能力強(qiáng)。電感量的選取需要考慮大功率雙向變流器直流電容的大小，以使得LC截止頻率 遠(yuǎn)低于接觸網(wǎng)高次諧波信號(hào)的頻率。本例中，直流濾波電感典型取值為200μΗ。中央控制器4，其一方面接收SCADA系統(tǒng)傳來(lái)主變電站進(jìn)線(xiàn)處的無(wú)功功率信息，用 于計(jì)算補(bǔ)償所需無(wú)功電流指令，另一方面檢測(cè)直流接觸網(wǎng)電壓，用于計(jì)算有功電流指令，最 后將有功電流指令和無(wú)功電流指令通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)傳給兩臺(tái)大功率雙向變流器。中央控制 器由一個(gè)CPU最小系統(tǒng)、一個(gè)RS422通信接口、一個(gè)CAN通信接口，以及一個(gè)直流電壓采集 單元組成，如圖4所示。本實(shí)施例中，CPU最小系統(tǒng)的CPU采用TI公司的數(shù)字信號(hào)處理器 TMS320F2812。RS422通信接口采用MAXIM公司的專(zhuān)用芯片MAX1490。CAN通信接口采用自 帶隔離和保護(hù)的專(zhuān)用CAN收發(fā)器CTM1050T。直流電壓采集單元由運(yùn)算放大器、電阻電容， 以及AD采樣芯片組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電壓的信號(hào)調(diào)理和AD采樣，本實(shí)施例中運(yùn)算放大器采用 LM258, AD采樣芯片采用AD9221。一種具有無(wú)功補(bǔ)償功能的能饋式牽引供電裝置的控制方法，其特點(diǎn)是采用分層控制，即中央控制器4負(fù)責(zé)有功電流指令i/和無(wú)功電流指令的計(jì)算，第一臺(tái)和第二臺(tái)大 功率雙向變流器2、5根據(jù)有功電流指令和無(wú)功電流指令對(duì)其交流電流進(jìn)行閉環(huán)控制。有功電流指令的計(jì)算是通過(guò)檢測(cè)直流接觸網(wǎng)電壓，并進(jìn)行PI閉環(huán)控制得到，目的 是維持接觸網(wǎng)電壓穩(wěn)定。無(wú)功電流指令的計(jì)算是通過(guò)接收來(lái)自SCADA的主變電站進(jìn)線(xiàn)處的無(wú)功功率值Q， 然后除以1. 5倍變壓器二次側(cè)電壓Ed (同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的值)，將無(wú)功Q轉(zhuǎn)換成與雙分裂 變壓器二次側(cè)電壓對(duì)應(yīng)的無(wú)功電流值；再乘以-1，得到需要補(bǔ)償?shù)目偀o(wú)功電流；最后乘以 1/2，得到每臺(tái)大功率變流器需要提供的無(wú)功補(bǔ)償電流指令，計(jì)算流程圖如圖2所示。無(wú)功電流指令計(jì)算式為ι.； = =0.5^第一臺(tái)和第二臺(tái)大功率雙向變流器的交流電流閉環(huán)控制方法采用基于同步旋轉(zhuǎn) 坐標(biāo)系的電流解耦控制，分別對(duì)d軸電流id和q軸電流iq進(jìn)行閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)有功和無(wú) 功的獨(dú)立控制，控制原理框圖如圖3所示。坐標(biāo)變換是將采集的交流電流ia和ib從靜止坐標(biāo)系變換到旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系，得到 d軸電流id和q軸電流iq。PI控制指在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系對(duì)電流給定值與電流實(shí)際反饋值進(jìn)行數(shù)字PI運(yùn)算， 采用抗飽和PI控制。脈沖產(chǎn)生則是將電流環(huán)PI的輸出變換到兩相靜止坐標(biāo)系，然后利用空間矢量脈 寬調(diào)制算法產(chǎn)生PWM脈沖，最終用于驅(qū)動(dòng)IGBT功率開(kāi)關(guān)管。圖3所示的第一臺(tái)和第二臺(tái)大功率雙向變流器基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的電流解耦 控制方法，實(shí)現(xiàn)步驟包括步驟一，檢測(cè)雙分裂變壓器1原邊電壓互感器輸出的兩相交流電壓Ua和％，并進(jìn) 行鎖相，得到電網(wǎng)電壓同步角Θ。第二，分別檢測(cè)第一臺(tái)和第二臺(tái)大功率雙向變流器的兩相交流電流、和ib，并利 用坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，然后再根據(jù)有功電流指令i/和無(wú)功電流指令；分別 對(duì)d軸電流id和q軸電流i,進(jìn)行PI控制。第三，將d、q軸PI控制的輸出用于空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)，產(chǎn)生六路驅(qū)動(dòng)脈 沖。
權(quán)利要求
1.一種具有無(wú)功補(bǔ)償功能的能饋式牽引供電裝置，其特征在于，它包括一臺(tái)雙分裂變壓器(1)，該變壓器由一個(gè)原邊繞組和兩個(gè)副邊分裂繞組組成，原邊繞組 接交流中壓電網(wǎng)，采用星形連接，每個(gè)副邊繞組連接一臺(tái)大功率雙向變流器，各副邊繞組的 連接方式相同，均采用三角形連接；第一臺(tái)、第二臺(tái)大功率雙向變流器(2、幻的直流輸出側(cè)串聯(lián)連接，直流濾波電感(3)串 接在第一臺(tái)大功率雙向變流器O)的直流正端輸出與直流接觸網(wǎng)之間，第二臺(tái)大功率雙向 變流器(5)的直流負(fù)端接鋼軌；中央控制器(4)通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)與第一臺(tái)和第二臺(tái)大功率雙向變流器(2、幻互聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有無(wú)功補(bǔ)償功能的能饋式牽引供電裝置，其特征在 于雙分裂變壓器的全穿越阻抗和半穿越阻抗取值范圍為20% 50%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有無(wú)功補(bǔ)償功能的能饋式牽引供電裝置，其特征在 于第一臺(tái)和第二臺(tái)大功率雙向變流器0、5)的功率開(kāi)關(guān)管選用智能功率模塊。
4.一種權(quán)利要求1所述的一種具有無(wú)功補(bǔ)償功能的能饋式牽引供電裝置的控制方法， 其特征在于采用分層控制，中央控制器負(fù)責(zé)有功電流指令和無(wú)功電流指令的計(jì)算，第一臺(tái) 和第二臺(tái)大功率雙向變流器(2、幻根據(jù)有功電流指令和無(wú)功電流指令對(duì)其交流電流進(jìn)行 閉環(huán)控；有功電流指令的計(jì)算是通過(guò)檢測(cè)直流接觸網(wǎng)電壓，并進(jìn)行PI閉環(huán)控制得到；無(wú)功電流指令計(jì)算式為tQI,麗 υ,5 ■ 15Ε 其中，Q為中央控制器接收的來(lái)自SCADA的主變電站進(jìn)線(xiàn)處的無(wú)功功率值，&為雙分裂 變壓器(1) 二次側(cè)電壓轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的值；第一臺(tái)和第二臺(tái)大功率雙向變流器(2、幻交流電流閉環(huán)控制方法采用基于同步旋轉(zhuǎn) 坐標(biāo)系的電流解耦控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)有功和無(wú)功的獨(dú)立控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種具有無(wú)功補(bǔ)償功能的能饋式牽引供電裝置的控制方法， 其特征在于所述基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的電流解耦控制，包括下列步驟步驟一，檢測(cè)雙分裂變壓器(1)原邊電壓互感器輸出的兩相交流電壓，并進(jìn)行鎖相，得 到電網(wǎng)電壓同步角；步驟二，分別檢測(cè)第一臺(tái)和第二臺(tái)大功率雙向變流器0、5)的兩相交流電流，并利用 坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，然后再根據(jù)有功電流指令和無(wú)功電流指令分別對(duì)d軸電 流和q軸電流進(jìn)行PI控制；步驟三，將d、q軸PI控制的輸出用于空間矢量脈寬調(diào)制，產(chǎn)生六路驅(qū)動(dòng)脈沖。
全文摘要
一種具有無(wú)功補(bǔ)償功能的能饋式牽引供電裝置及控制方法，該裝置包括一臺(tái)雙分裂變壓器、兩臺(tái)大功率雙向變流器、一個(gè)直流濾波電感和一個(gè)中央控制器。雙分裂變壓器每個(gè)副邊繞組連接一臺(tái)大功率雙向變流器；兩臺(tái)大功率雙向變流器的直流輸出側(cè)串聯(lián)，直流濾波電感串接在第一臺(tái)大功率雙向變流器的直流正端輸出與直流接觸網(wǎng)之間；中央控制器通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)與兩臺(tái)大功率雙向變流器互聯(lián)。控制方法采用分層控制，中央控制器負(fù)責(zé)有功電流指令和無(wú)功電流指令的計(jì)算，兩臺(tái)大功率雙向變流器根據(jù)有功電流指令和無(wú)功電流指令對(duì)其交流電流進(jìn)行閉環(huán)控。本裝置不僅能夠滿(mǎn)足地鐵列車(chē)牽引供電和制動(dòng)能量回饋的要求，還具有無(wú)功補(bǔ)償功能，用以提高主變電站進(jìn)線(xiàn)處功率因數(shù)。
文檔編號(hào)B60L7/10GK102074972SQ20101060191
公開(kāi)日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2010年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月23日
發(fā)明者全恒立, 刁利軍, 劉志剛, 孫大南, 張鋼, 林文立, 梅櫻, 牟富強(qiáng), 王夢(mèng)婭, 王磊, 阮白水, 陳杰 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué), 北京千駟馭電氣有限公司