专利名称：一种混合并联型高压直流牵引供电变流装置及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种高压直流牵引供电变流装置及控制方法，特别是关于一种用于为城市轨道交通车辆供电的混合并联型高压直流牵引供电变流装置及其控制方法。
背景技术：
目前，我国城市轨道交通牵引供电变流装置仍采用的是二极管整流器，供电电压为750V或1500V。这种供电方式已经沿用了数十年，它的最大优点是装置结构简单、技术也比较成熟，但是这种传统的供电方案也存在以下一些问题1、由于采用二极管整流器，能量只能单向流动，因此车辆制动产生的能量不能回馈电网，通常采用电阻消耗掉，造成能量的大大浪费。2、直流输出电压不可控，波动范围大，不利于车辆的安全可靠经济运行。3、接触网网压降大，供电站站间距离短，通常不超过3 4公里，造成所需供电站数量较多、建设投资大。PWM(脉冲宽度调制)整流器具有能量双向流动，功率因数高，直流输出电压可控等优点。将PWM整流器应用到城市轨道交通牵引供电系统中，不仅能够实现列车制动能量的反馈，节约电能，并保持直流电压稳定；同时如果能够提高直流供电提高到1.5kV以上， 还能延长供电距离，减少供电站数量，降低接触网损耗，具有很大实际应用价值，但是相对于传统二极管整流器，PWM整流器在价格、可靠性、维护量、过载能力方面都处于劣势。事实上，对于城市轨道交通牵引供电系统，所需牵引容量通常为制动容量的2倍以上，因此从经济性上考虑，基于全PWM整流器的供电方案并不合算。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能提高直流牵引供电电压，延长供电距离、减少供电站数量，降低接触网损耗，在实现列车制动能量的回馈再利用的同时，提高系统可靠性的混合并联型高压直流牵引供电变流装置及其控制方法。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种混合并联型高压直流牵引供电变流装置，其特征在于它包括一套PWM整流机组和一套二极管整流机组，所述PWM整流机组的输入端和二极管整流机组的输入端均连接交流电网，所述PWM整流机组的输出端和二极管整流机组的输出端并联后，实现高压直流输出。所述PWM整流机组包括一个多绕组变压器、若干个PWM整流器单元和若干个控制单元，所述多绕组变压器由一个原边绕组和多个副边绕组构成，所述PWM整流器单元的个数与所述多绕组变压器副边绕组数呈对应设置；所述多绕组变压器原边绕组接所述交流电网，每个副边绕组连接一个所述PWM整流器单元，各所述PWM整流器单元直流输出端顺次串联，并且每个所述PWM整流器单元均连接一个所述控制单元，所述控制单元控制所述PWM整流器单元工作。每个所述控制单元均由四个数据采集单元、一个电流环控制单元、一个锁相单元、 一个电压环控制单元和一个脉冲产生单元构成；第一个所述数据采集单元将采集到的所述PWM整流器单元两相交流电流传输至所述电流环控制单元，第二个所述数据采集单元将采集到的所述多绕组变压器的原边绕组电压经所述锁相单元传输至所述电流环控制单元，第三个、第四个所述数据采集单元分别将采集到的所述PWM整流器单元的直流电压和直流电流传输至所述电压环控制单元；所述电压环控制单元将直流空载电压给定值减去直流电流与下垂斜率的乘积后并进行PI运算，得到的电流值输入所述电流环控制单元内；传输至所述电流环控制单元内的各路电压、电流信号进行坐标变换及PI运算处理后，经所述脉冲产生单元转换成驱动脉动信号后，返回至所述PWM整流器单元实现对其控制。所述PWM整流器单元包括功率器件和直流支撑电容，所述PWM整流器单元采用两电平或三电平三相电压型PWM整流器主电路。所述功率器件采用IGBT功率模块，所述直流支撑电容采用金属薄膜电容。所述二极管整流机组包括一个移相变压器和若干个二极管整流器单元，所述移相变压器由一个原边绕组和多个副边绕组构成，所述二极管整流器单元的个数与所述移相变压器的副边绕组数呈对应设置；所述移相变压器原边绕组接所述交流电网，每个副边绕组连接一个所述二极管整流器单元，各所述二极管整流器单元直流输出端顺次串联。所述移相变压器的各副边绕组均采用延边三角形连接方式。实现上述混合并联型高压直流牵引供电变流装置的控制方法，其包括如下步骤 (1)首先在电压环控制单元进行电压环控制，由第四个和第三个数据采集单元将分别采集到的PWM整流器单元的直流电流Id。和直流电压Ud。均输入至电压环控制单元，直流电流Id。 与预先设定的下垂斜率Kdp相乘后与直流空载电压给定值Uk相减后，与直流电压Udc相减并进行PI运算，得到电流环控制单元的d轴有功电流给定值/〗；(2)第二个数据采集单元采集多绕组变压器原边绕组电压互感器输出的两相交流电网电压Ua和ub，并由锁相单元进行锁相，得到电网电压同步角θ ； C3)第一个数据采集单元将采集到的PWM整流器单元的两相交流电流ia和ib输入电流环控制单元内，将其转换到同步旋转坐标系下得到id和、；(4) 将同步旋转坐标系下得到的d、q轴电流id和i,分别与电流给定值^和^相减，并对其差值分别进行PI运算，得到同步旋转坐标系下脉宽调制电压Ud、Uq ； (5)将同步旋转坐标系电压扎、 转换到静止坐标系后输入脉冲产生单元，并采用三电平空间矢量脉宽调制算法产生各 IGBT开关管的PWM脉冲信号，实现对PWM整流器单元的控制。各所述PWM整流器单元均采用基于负载电流前馈的外特性下垂控制方法。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明由于采用PWM整流器单元与二极管整流器单元串联，提高了整个变流装置直流输出电压，延长供电距离，降低接触网损耗。2、本发明基于PWM整流机组和二极管整流机组的混合结构，充分利用二者的优势，在实现列车制动能量的回馈再利用的同时，尽可能的减少了设备投资，提高了系统的可靠性。3、本发明由于二极管整流机组中移相变压器各副边绕组均采用延边三角形连接方式，这样使得各副边绕组输出电压相位互差为60/n电角度，进而构成多脉波整流，减小了整个二极管整流机组直流输出电压纹波和交流电流谐波。4、本发明通过对各PWM整流器单元直流输出特性的控制，保证了各PWM单元直流串联均压，以及PWM整流机组与二极管整流机组之间的负载分配。本发明可以广泛应用于城市轨道交通牵引供电系统中。
图1是本发明的整体结构示意图；图2是本发明的PWM整流器单元控制原理示意图；图3是本发明的9kY混合并联型高压直流牵弓I供电变流装置中二极管整流机组结构示意图；图4是本发明的9kY混合并联型高压直流牵引供电变流装置中PWM整流机组结构示意图；图5是本发明的三电平PWM整流器单元主电路拓扑；图6是本发明混合并联型高压直流牵引供电变流控制方法的下垂特性曲线示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。如图1所示，本发明的混合并联型高压直流牵弓I供电变流装置包括一套PWM (脉冲宽度调制)整流机组10和一套二极管整流机组20，PWM整流机组10的输入端和二极管整流机组20的输入端均连接现有技术中的交流电网，PWM整流机组10的输出端和二极管整流机组20的输出端并联后，作为本发明混合并联型高压直流牵引供电变流装置的输出端， 实现高压直流输出。其中，PWM整流机组10包括一个多绕组变压器11、若干个PWM整流器单元12和若干个控制单元13，多绕组变压器11由一个原边绕组和多个副边绕组构成，PWM整流器单元 12的个数与多绕组变压器11副边绕组数呈对应设置。多绕组变压器11原边绕组接交流电网，每个副边绕组连接一个PWM整流器单元12，各PWM整流器单元12直流输出端顺次串联，以实现高压直流输出。并且每个PWM整流器单元12均连接一个控制单元13，由控制单元13控制PWM整流器单元12的工作。二极管整流机组20包括一个移相变压器21和若干个二极管整流器单元22，移相变压器21由一个原边绕组和多个副边绕组构成，二极管整流器单元22的个数与移相变压器21的副边绕组数呈对应设置。移相变压器21原边绕组接交流电网，每个副边绕组连接一个二极管整流器单元22，各二极管整流器单元22直流输出端也顺次串联，实现高压输出。上述实施例中，PWM整流机组10中多绕组变压器11的各副边绕组连接方式相同， 且各副边绕组短路阻抗用来替代PWM整流器单元12交流侧电感，从而简化系统结构。上述各实施例中，PWM整流器单元12包括功率器件和直流支撑电容，其可以采用两电平或三电平三相电压型PWM整流器主电路，功率器件采用IGBT功率模块，直流支撑电容采用金属薄膜电容。上述各实施例中，每个控制单元13均由四个数据采集单元14、一个电流环控制单元15、一个锁相单元16、一个电压环控制单元17和一个脉冲产生单元18构成。其中，第一个数据采集单元14将采集到的PWM整流器单元12两相交流电流传输至电流环控制单元15 内；第二个数据采集单元14将采集到的多绕组变压器11的原边绕组电压经锁相单元16传输至电流环控制单元15内；第三个、第四个数据采集单元14分别将采集到的PWM整流器单元12的直流电压Ud。和直流电流Id。传输至电压环控制单元17内。电压环控制单元17将直流空载电压给定值Uk减去直流电流Id。与下垂斜率Kdp的乘积后，与接收到的直流电压Udc相减并进行PI运算(比例积分运算)，得到的电流值输入电流环控制单元15内。传输至电流环控制单元15内的各路电压、电流信号进行坐标变换及PI运算处理后，经脉冲产生单元 18转换成驱动脉动信号后，返回至PWM整流器单元12，实现对PWM整流器单元12的控制。上述各实施例中，二极管整流机组20中移相变压器21的各副边绕组均采用延边三角形连接方式，使得各副边绕组输出电压相位互差为60/n电角度，进而构成多脉波整流，减小本发明的混合并联型高压直流牵引供电变流装置直流输出电压纹波和交流电流谐波。如图2所示，本发明混合并联型高压直流牵引供电变流装置中的各PWM整流器单元12均采用基于负载电流前馈的外特性下垂控制方法，保证各PWM整流器单元12串联均压，以及PWM整流机组10与二极管整流机组20之间的负载分配。则本发明的混合并联型高压直流牵引供电变流控制方法包括如下步骤1)首先在电压环控制单元17进行电压环控制，由第四个和第三个数据采集单元 14将分别采集到的PWM整流器单元12的直流电流Id。和直流电压Udc均输入至电压环控制单元17，直流电流Id。与预先设定的下垂斜率Kdp相乘后与直流空载电压给定值Uk相减，其差值作为直流电压闭环给定值Vl，直流电压闭环给定值Vl与直流电压Ud。相减，差值进行 PI运算，最后得到电流环控制单元15的d轴有功电流给定值G ；2)锁相运算，由第二个数据采集单元14采集多绕组变压器11原边绕组电压互感器输出的两相交流电网电压 和％，并由锁相单元16进行锁相，得到电网电压同步角θ ；3)坐标变换，由第一个数据采集单元14将采集到的PWM整流器单元12的两相交流电流、和ib输入电流环控制单元15内，将其转换到同步旋转坐标系下得到id和i,；4)将同步旋转坐标系下得到的d、q轴电流id和i,分别与电流给定值<和<相减 (为了保证功率因数为1，通常都令、的电流给定值^=O )，并对其差值分别进行PI运算， 得到同步旋转坐标系下脉宽调制电压Ud、 ；5)将同步旋转坐标系电压Ud、Uq转换到静止坐标系后输入脉冲产生单元18，并采用三电平SVPWM(空间矢量脉宽调制)调制算法产生各IGBT开关管的PWM脉冲信号，实现对PWM整流器单元12的控制。上述实施例中，基于负载电流前馈的外特性下垂控制，电压环控制单元17采用无静差的PI调节器，但电压环的给定值随着输出电流的增大而减小。下面通过一个实施例对本发明做进一步的介绍。实施例如图3所示，二极管整流机组20的额定容量为6丽，其中移相变压器 21采用环氧树脂浇注干式变压器，容量为6MVA，具有一个原边绕组，三个副边绕组，变比为 35kV/2. 4kV/2. 4kV/2. 4kV，原边绕组采用Δ连接，副边绕组采用延边三角形连接，使得各副边绕组输出电压相位分别为+20°，0°，-20°，从而使得整个二极管整流机组20构成18脉波整流。各二极管整流器单元22的容量均为2MW，额定直流输出电压为3kV，其中，二极管均采用圆饼状6kV高压二极管。各二极管整流器单元22的交流侧分别与移相变压器21的一个副边绕组相连，直流侧顺次串联连接。如图4所示，PWM整流机组10的容量也为6丽，其中多绕组变压器11也采用环氧树脂浇注干式变压器，具有一个原边绕组，三个副边绕组，多绕组变压器11的连接方式为Ydll，dll，dll变比为35kV/l. 8kV/l. 8kV/l. 8kV，容量为6MVA，副边绕组等效短路阻抗30%。PWM整流器单元12的容量均为;MW，直流输出额定电压为3kV。各PWM整流器单元 12交流侧分别与多绕组变压器11的一个副边绕组相连，直流侧顺次串联连接。为降低功率器件承受电压，同时增大系统容量，各PWM整流器单元12采用中点钳位式三电平主电路拓扑(如图5所示)。其中，功率器件采用3300V电压等级的IGBT，开关频率取1kHz，直流支撑电容采用金属薄膜电容，寄生电感小，纹波电流通过能力强，寿命长， 有利于降低设备维护费用。各PWM整流器单元12的控制方法采用基于负载电流前馈的外特性下垂控制，保证各PWM整流器单元12串联均压，以及PWM整流机组10与二极管整流机组20之间的负载分配。如图6所示，为PWM整流器单元12典型的下垂特性曲线，kdp为下垂斜率，本实施例中取kdp = 0. 15。这种基于负载电流前馈的外特下垂控制方法，直流电压环仍采用无静差的PI调节器，只是电压环的给定值随着输出电流的增大而减小，电压环的输出作为d轴有功电流给定值，q轴无功电流给定值设置为零，然后分别对有功和无功电流进行闭环控制， 闭环控制输出值用于SVPWM调制，最终产生驱动脉冲。上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构和连接方式都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件的连接和结构进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。
权利要求
1.一种混合并联型高压直流牵引供电变流装置，其特征在于它包括一套PWM整流机组和一套二极管整流机组，所述PWM整流机组的输入端和二极管整流机组的输入端均连接交流电网，所述PWM整流机组的输出端和二极管整流机组的输出端并联后，实现高压直流输出。
2.如权利要求1所述的一种混合并联型高压直流牵引供电变流装置，其特征在于所述PWM整流机组包括一个多绕组变压器、若干个PWM整流器单元和若干个控制单元，所述多绕组变压器由一个原边绕组和多个副边绕组构成，所述PWM整流器单元的个数与所述多绕组变压器副边绕组数呈对应设置；所述多绕组变压器原边绕组接所述交流电网，每个副边绕组连接一个所述PWM整流器单元，各所述PWM整流器单元直流输出端顺次串联，并且每个所述PWM整流器单元均连接一个所述控制单元，所述控制单元控制所述PWM整流器单元工作。
3.如权利要求2所述的一种混合并联型高压直流牵引供电变流装置，其特征在于每个所述控制单元均由四个数据采集单元、一个电流环控制单元、一个锁相单元、一个电压环控制单元和一个脉冲产生单元构成；第一个所述数据采集单元将采集到的所述PWM整流器单元两相交流电流传输至所述电流环控制单元，第二个所述数据采集单元将采集到的所述多绕组变压器的原边绕组电压经所述锁相单元传输至所述电流环控制单元，第三个、第四个所述数据采集单元分别将采集到的所述PWM整流器单元的直流电压和直流电流传输至所述电压环控制单元；所述电压环控制单元将直流空载电压给定值减去直流电流与下垂斜率的乘积后并进行PI运算，得到的电流值输入所述电流环控制单元内；传输至所述电流环控制单元内的各路电压、电流信号进行坐标变换及PI运算处理后，经所述脉冲产生单元转换成驱动脉动信号后，返回至所述PWM整流器单元实现对其控制。
4.如权利要求2或3所述的一种混合并联型高压直流牵引供电变流装置，其特征在于 所述PWM整流器单元包括功率器件和直流支撑电容，所述PWM整流器单元采用两电平或三电平三相电压型PWM整流器主电路。
5.如权利要求4所述的一种混合并联型高压直流牵引供电变流装置，其特征在于所述功率器件采用IGBT功率模块，所述直流支撑电容采用金属薄膜电容。
6.如权利要求1 5任意一项所述的一种混合并联型高压直流牵引供电变流装置，其特征在于所述二极管整流机组包括一个移相变压器和若干个二极管整流器单元，所述移相变压器由一个原边绕组和多个副边绕组构成，所述二极管整流器单元的个数与所述移相变压器的副边绕组数呈对应设置；所述移相变压器原边绕组接所述交流电网，每个副边绕组连接一个所述二极管整流器单元，各所述二极管整流器单元直流输出端顺次串联。
7.如权利要求6所述的一种混合并联型高压直流牵引供电变流装置，其特征在于所述移相变压器的各副边绕组均采用延边三角形连接方式。
8.实现如权利要求1 7任意一项所述混合并联型高压直流牵引供电变流装置的控制方法，其包括如下步骤 (1)首先在电压环控制单元进行电压环控制，由第四个和第三个数据采集单元将分别采集到的PWM整流器单元的直流电流Id。和直流电压Udc均输入至电压环控制单元，直流电流Id。与预先设定的下垂斜率Kdp相乘后与直流空载电压给定值Uk相减后，与直流电压Udc 相减并进行PI运算，得到电流环控制单元的d轴有功电流给定值< ；(2)第二个数据采集单元采集多绕组变压器原边绕组电压互感器输出的两相交流电网电压 和％，并由锁相单元进行锁相，得到电网电压同步角θ ；(3)第一个数据采集单元将采集到的PWM整流器单元的两相交流电流ia和ib输入电流环控制单元内，将其转换到同步旋转坐标系下得到id和i,；(4)将同步旋转坐标系下得到的d、q轴电流id和i,分别与电流给定值^和^相减，并对其差值分别进行PI运算，得到同步旋转坐标系下脉宽调制电压Ud、Uq ；(5)将同步旋转坐标系电压UdWtl转换到静止坐标系后输入脉冲产生单元，并采用三电平空间矢量脉宽调制算法产生各IGBT开关管的PWM脉冲信号，实现对PWM整流器单元的控制。
9.如权利要求8所述的一种混合并联型高压直流牵引供电变流控制方法，其特征在于各所述PWM整流器单元均采用基于负载电流前馈的外特性下垂控制方法。
全文摘要
本发明涉及一种混合并联型高压直流牵引供电变流装置及控制方法，其特征在于它包括一套PWM整流机组和一套二极管整流机组，所述PWM整流机组的输入端和二极管整流机组的输入端均连接交流电网，所述PWM整流机组的输出端和二极管整流机组的输出端并联后，实现高压直流输出。本发明由于采用PWM整流器单元与二极管整流器单元串联，提高了整个变流装置直流输出电压，延长供电距离，降低接触网损耗。同时，减少了设备投资，提高了系统的可靠性。本发明可以广泛应用于城市轨道交通牵引供电系统中。
文档编号H02M7/04GK102394557SQ20111026355
公开日2012年3月28日 申请日期2011年9月6日 优先权日2011年9月6日
发明者张钢, 柴建云, 牟富强 申请人:北京千驷驭电气有限公司, 清华大学