一种多功能一体化变流设备及其控制方法与流程

1.本公开涉及城市轨道交通供电相关技术领域，具体的说，是涉及一种多功能一体化变流设备及其控制方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，并不必然构成在先技术。
3.近几年我国城市轨道交通迅速发展，可以缓解城市日益拥堵的交通现状，降低不可再生能源的消耗，减少汽车尾气对环境的污染，实现节能减排，促进城市的可持续发展。然而城市轨道交通以消耗电能为主，是城市用电的大户，轨道交通用电系统具有其自身的特殊特点：(1)供电电缆长，且以地下敷设为主；(2)白天消耗电能大，以牵引机车耗能为主，照明供电为辅，有功功率消耗大，功率因数较高；夜晚以照明供电为主，有功功率消耗少，功率因数低；(3)分布式供电，供电网络一般以多站共同供电，供电可靠性高。
4.牵引供电装置负责为线路上运行的机车提供电能，是整个轨道交通系统的“心脏”。发明人发现，目前，城市轨道交通机车普遍采用750v和1500v直流供电，通过牵引供电装置为机车供电，现有的牵引供电装置主要采用整流变压器将交流电网的交流电转换成直流电为机车供电，这种利用二极管进行整流的装置其特点是结构简单、成本低、性能可靠，但是其直流电压不受控，波动范围大，对交流电网形成谐波污染，影响供电可靠性，在一些场合需配备滤波装置进行滤波以达到供电公司的要求；此外二极管具有单相导电性，能量只能单向传输，机车再生制动的多余能量不能被回馈交流电网，而是需要车载或站用制动电阻消耗掉，造成能量的极大浪费。在夜间由于地铁的距离供电长，电缆会产生大量的容性充电无功，导致夜间或机车停运时功率因数过低，造成线路末端电压升高的问题，给线路末端的供电设备带来安全隐患，因此地铁供电系统中存在无功功率补偿的要求。


技术实现要素：

5.本公开为了解决上述问题，提出了一种多功能一体化变流设备及其控制方法，该装置和方法能与现有城市轨道交通的供电系统兼容，降低设计成本，容量大易扩容，成本低。不仅具有牵引整流功能、再生能量逆变回馈功能，同时还具有无功补偿和谐波治理功能，可为城市轨道交通机车提供电压更稳定和可靠性更高的供电电源。
6.为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
7.一个或多个实施例提供了一种多功能一体化变流设备，包括依次连接的降压变压器、滤波单元、全控功率模块和隔离输出模块；还包括主控单元，所述主控单元与全控功率模块光纤连接；所述全控功率模块包括若干组相互连接的单元控制器及功率模块，单元控制器接受主控单元信号，单元控制器将主控单元的驱动指令信号转化为pwm信号，控制功率模块的晶体管的导通或关断。
8.一个或多个实施例提供了一种多功能一体化变流设备的控制方法，包括如下步
骤：
9.获取直流母线电压信号、控制点电压、电流信号以及变流设备交直流侧的电信号；
10.根据获取的电信号判断机车运行状态，选择变流设备的工作模式；
11.根据工作模式和获取的电信号，获得控制全控功率模块的各个功率模块通断的驱动指令信号，采用纹波交错控制使得在网并联的功率模块的驱动指令信号错峰输出。
12.与现有技术相比，本公开的有益效果为：
13.(1)本公开的变流设备用于城市轨道交通，能够替代原有刹车制动电阻，实现能量的再生利用，保证直流牵引供电系统电压稳定。
14.(2)本公开的变流设备能够替代或减少原有城市轨道交通供电系统中的无功补偿设备与滤波设备。
15.(3)本公开充分利用地铁供电系统的工作特点，将制动回馈装置、无功补偿、滤波设备集成为一体，设备一体化程度高，并兼具牵引整流功能，降低了项目成本，减小了占地面积。与原单独功能设备单套容量相比有所提升，但总装机容量大大下降。
16.(4)本公开的变流设备具有的整流功能，能够实现在一定程度上保证牵引供电系统电压稳定，保证机车的正常工作，提高牵引供电系统的可靠性。
17.(5)本公开变流设备的全控功率模块采用并联冗余的方式，额定容量可达兆瓦级。按需启动，容量在线可调，单个功率模块故障不影响系统运行。
18.(6)本公开的变流设备的控制系统采用数字化控制，友好的触摸显示屏，便于参数设置；可根据系统谐波特点，能够实现0～51次任意次谐波单独设置滤除。
19.(7)本公开采用纹波交错控制能够有效降低输出的谐波，能够实现以较低的开关频率达到高开关频率一样的效果，能够大大减小开关损耗，减小故障率，提高系统可靠性。
附图说明
20.构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的限定。
21.图1是本公开实施例1的多功能一体化变流设备电气原理图；
22.图2是本公开实施例1的轨道交通供电系统组成图；
23.图3是本公开实施例2的控制方法流程图；
24.图4是本公开实施例2的电压幅值和功率(电流)下垂控制示意图；
25.图5是本公开实施例2的控制系统原理图；
26.图6是本公开实施例2的纹波交错控制波形图。
具体实施方式：
27.下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
28.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
29.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式
也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的各个实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实施例进行详细描述。
30.实施例1
31.在一个或多个实施方式中公开的技术方案中，如图1所示，一种多功能一体化变流设备，包括依次连接的降压变压器、滤波单元、全控功率模块和隔离输出模块；还包括主控单元，所述主控单元与全控功率模块光纤连接；所述全控功率模块包括若干组相互连接的单元控制器及功率模块，单元控制器与主控单元光纤连接，单元控制器将主控单元的驱动指令信号转化为pwm信号，控制功率模块的晶体管的导通或关断。
32.降压变压器实现本设备与电网电压的电压匹配，滤波单元可以采用lcl滤波器，可选的，所述降压变压器与滤波单元之间设置低压断路器。
33.本实施例全控功率模块包括若干组相互连接的单元控制器和功率模块，采用模块化设计，可以增加和减少功率模块的组数，从而保证系统不会因单个模块故障而造成设备停机，实现灵活控制。
34.可选的，功率模块包括相互连接的支撑电容和h桥电路。
35.可选的，单元控制器包括采样电路、电源电路和单元控制电路组成，单元控制器实现功率模块的变流控制，单元控制器将主控单元指令信号转化为pwm信号，进而控制功率模块h桥电路的晶体管的导通或关断。
36.可选的，单元控制器采样电路连接功率模块的交流侧和直流侧，用于采集各功率模块状态和电压电流信号，并通过单元控制电路将信号传递给主控单元。
37.可选的，所述采样电路包括电压采样电路和电流霍尔传感器，所述电压采样电路实现电压信号采样，所述电流霍尔传感器采样电流信号，将电压信号和电流信号反馈到主控单元，形成闭环反馈。
38.主控单元根据采集到的电压电流信号，根据控制模式生成不同的指令信号，并通过光纤通讯将指令信号传递给全控功率模块。
39.本实施例的控制系统采用主从设计，主控单元作为主控制器和作为从控制器的单元控制器之间采用光纤通讯，实现了强电和弱电之间的电气隔离，增强了设备的可靠性、稳定性和抗干扰能力。从控制器(即单元控制器)之间相互独立，有利于全控功率模块的并联和冗余设计。全控功率模块的单元控制器通过光纤与主控单元连接，由主控单元全局调控各个全控整流单元的工作状态，单元控制器实时监测功率模块的工作状态，并采用spwm方式降低输出电流的谐波含量。
40.可选的，全控功率模块的单元控制器根据主控单元下发的指令信号，通过计算产生驱动指令控制功率模块产生需要的电流。
41.可选的，还包括可编程人机界面及远程监控平台，主控单元与可编程人机界面单元相连，可编程人机界面单元与远程监控平台连接，主控单元可以被配置为接收可编程人机界面单元或远程监控平台下发的功能模式选择、控制方案等指令参数。主控单元还可以将采集的电信号传输给可编程人机界面单元或远程监控平台。
42.本实施例中，可编程人机界面单元和远程监控平台均能下发命令给主控单元，提
高了系统工作的灵活性。
43.进一步的技术方案，还包括直流隔离开关柜和交流开关柜，所述交流开关柜用于连接交流电网和降压变压器；所述直流隔离开关柜连接在隔离输出模块与直流母线之间，用于实现与牵引供电系统直流侧的连接与断开。
44.进一步的技术方案，还包括辅助供电单元，辅助供电单元包括备用电源和与降压变压器连接的电源模块，在电网用电异常时启动辅助供电单元为变流设备供电，并保证控制电供电的可靠性。
45.本实施例的变流设备利用电压闭环控制保证直流牵引电压保持稳定，降低电压波动，机车刹车制动引起母线电压升高，也能通过电压闭环控制，实现有功的回馈，避免了能量的浪费；变流设备也能够像有源滤波器一样工作，实现谐波电流的补偿，并能够依据控制点的功率因数，实现无功功率的补偿。
46.实施例2
47.如图2所示，为地铁牵引整流和能量回馈系统简图，以地铁常用35kv供电系统为例，供电系统一般由双路12脉整流变压器、整流桥、能量回馈系统或吸收电阻组成。在35kv变电所中也存在无功补偿装置补偿系统无功以及滤波器实现滤波功能。12脉波整流系统的谐波大小可根据整流系统数学模型进行计算。12脉波不控整流系统的谐波大小如下式所示。
[0048][0049]
其中n＝12k
±1[0050]
i
a
为交流侧电流，i
d
为整流后直流侧电流。
[0051]
从上式可以看出12脉波不控整流的主要谐波有11次、13次、23次、25次谐波，总谐波畸变率约为11.3％，在地铁供电系统中，常采用的双路十二脉波移相整流并联工作的方式以减少谐波，消除了一定量的11次、13次谐波，但是剩余的11次、13次、23次、25次等高次谐波仍然会影响牵引供电系统的可靠性。
[0052]
本实施例为解决上述技术问题，提供了一种多功能一体化变流设备的控制方法，该方法可以在主控单元中实现，如图3所示，包括如下步骤：
[0053]
步骤1、获取直流母线电压信号、控制点电压电流信号以及变流设备的电信号；
[0054]
步骤2、根据获取的信号判断机车运行状态，选择变流设备的工作模式；
[0055]
步骤3、根据工作模式和获取的电信号，获得控制全控功率模块的各个功率模块通断的驱动指令信号，采用纹波交错控制使得在网功率模块的驱动指令信号错峰输出。
[0056]
本实施例中，通过整个供电系统不同工作状态选择工作模式，根据不同模式采用不同的控制方案和控制算法，可以以一套一体化设备系统完成能量回馈、整流牵引、无功补偿、有源滤波多种不同功能。采用纹波交错控制能够有效降低输出的谐波，能够实现以较低的开关频率达到高开关频率一样的效果，能够大大减小开关损耗，减小故障率，提高系统可靠性。
[0057]
步骤1中，如图1所示，电网电压依次经过降压变压器、断路器、全控功率模块，全控
功率模块直流侧与直流牵引供电相连，交流侧通过降压变压器与电网相连；
[0058]
主控单元根据变流设备牵引供电的直流母线电压、控制点电压及控制点电流，以确定设备工作模式。
[0059]
步骤2中，工作模式包括牵引整流模式、有源滤波模式、无功补偿模式、逆变回馈模式四种模式，主控单元可以根据采集的电信号进行自动选择，也可以通过人工选择。多种模式可同时工作，也可以选择一种或几种工作，其控制模式转换可通过触摸屏或远程控制平台控制。
[0060]
其中，所述有源滤波模式，可以为：通过实时采集控制点电流信号对控制点谐波进行滤波，也可通过高速远传盒子实现同级其他控制点(如照明系统)的电流数据采集，进而通过全控功率模块进行有源滤波功能，避免谐波流入上级电网。
[0061]
主控单元的工作模式的自动选择方法，可以如下：
[0062]
(1)在供电系统正常工作过程中，电能从交流电网经过整流变压器流入牵引直流电网，此时变流设备应以滤波为主，切换为有源滤波模式；
[0063]
(2)在机车刹车过程中，直流供电电压抬升，此时变流设备以能量回馈为主，切换为逆变回馈模式；
[0064]
(3)在夜间机车停运时，系统容性无功过大，此时变流设备以无功补偿为主，切换为无功补偿模式。
[0065]
(4)在系统牵引直流电网电压偏低影响机车等设备运行时，此时变流设备以牵引整流为主，切换为牵引整流模式。
[0066]
(5)在设备容量有剩余的情况下，可以实现两种或两种以上模式的协调控制。
[0067]
本实施例通过整个供电系统的不同状态，采用不同的工作模式，依据不同的控制方案和控制算法，可以以一套一体化设备系统完成多种不同功能。
[0068]
人工选择方法，可以为：主控单元接受可编程人机界面单元或远程监控平台下发的模式指令，选择一种或多种工作模式。
[0069]
步骤3中，主控模块根据不同工作模式采用不同的控制策略，利用下垂控制、闭环控制以及spwm控制策略实现驱动指令的形成，进而控制多功能变流器实现电流变换，具体的控制步骤如下：
[0070]
步骤31、牵引供电的直流母线的稳压控制采用电压
‑
电流下垂控制策略，依据回馈功率，获得设定电压u
*dc
，并通过采样电路获得第一设定电流i
af
、i
bf
、i
cf
；
[0071]
步骤32、根据获取的直流母线的直流电压u
dc
，及设定电压u
*dc
，采用pi运算获得第二设定电流i
d
和i
q
；
[0072]
步骤33、对获取的第一设定电流i
af
、i
bf
、i
cf
进行fft变换获得各次谐波分量和无功分量；
[0073]
步骤34、根据第二设定电流和fft变换获得的各次谐波分量和无功分量，以及获得的变流设备的输出电流i
a
、i
b
、i
c
，采用pi运算获得全控功率模块中各个功率模块通断的驱动指令。
[0074]
本实施例中，如图4所示，p
max
表示多功能变流器的最大容量，p
z
表示不控整流系统容量，直流母线的稳压控制策略一般采用电压
‑
电流下垂控制策略，变流器单独运行时可采用恒定直流电压控制策略，此时双向变流器的等效内阻为零。对于多整流器并联场合，为限
制功率环流，一般采用负载电流前馈下垂控制或有差电压环控制，以下垂特性为例，双向变流器的设定直流电压值为:
[0075]
u
ref
＝u
ref0
‑
i
dc
r
d
[0076]
其中:u
ref0
对应空载设定电压值；
[0077]
r
d
为负载前馈电阻，等效为双向变流器输出电阻；
[0078]
与传统整流机组不同，下垂控制时的r
d
为控制参数，可根据需要进行设定，以短时容量为6mw的双向变流器为例，直流电压为1500v时，短时工作电流为4000a，如设定rd＝0.005，则在正负4000a工作电流以内，双向变流出口电压波动范围为1480v
‑
1520v。为了防止在整流回馈状态切换过程中，系统来回波动，增加一段下垂特性以提升系统特性。
[0079]
本实施例中，主控单元依据工作模式和采样信号，计算出指令电压(或指令电流)运算形成指令信号，下发至各个全控功率模块的单元控制器，单元控制器根据主控制器下发的指令信号，通过计算产生驱动指令控制功率模块产生所需的驱动信号,用以驱动功率模块实现电力变换；
[0080]
可选的，获取指令信号后，采用spwm调制方式生成对应驱动指令信号的调制波，采用载波移相控制策略，使得并联的功率模块的错峰输出，达到降低输出谐波的目的，其中并联的功率模块可以为两个及两个以上。
[0081]
如图5所示，为本实施例的控制系统图，采用瞬时无功功率理论和fft分析策略，直流母线采用闭环控制，通过坐标变换获得直流母线控制的指令信号，该信号与fft分析和瞬时无功功率理论所得的谐波、无功指令信号共同组成三相指令电流信号并采用闭环控制和spwm控制方式，驱动晶体管产生电流，实现能量回馈，牵引整流、无功补偿和有源滤波。
[0082]
全控功率模块的各个功率模块将检测的电压信号反馈到主控单元，并根据母线电压的波动情况，及时调整电流的流向，保证母线稳定。
[0083]
图6为本实施例所采用的特殊策略，纹波交错控制技术策略，它能够有效降低输出的谐波，能够实现以较低的开关频率达到高开关频率一样的效果，能够大大减小开关损耗，减小故障率，提高系统可靠性。
[0084]
图6中为2套功率模块并联时，采用纹波交错技术，使得驱动信号i
a1
和驱动信号i
a2
的波峰错开，可选的，驱动信号i
a1
的波峰对应驱动信号i
a1
的波谷，2套功率模块输出电流叠加后，能够有效降低输出谐波。
[0085]
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
[0086]
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。