一种地铁能量回馈装置的闭环控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种地铁能量回馈装置的闭环控制方法。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 在现有技术中，制动能量吸收方式主要包括电阻耗能、逆变回馈、电容储能和飞轮 储能等几种，但是这几种吸收方式都存在各自的优缺点，电阻耗能只能将电能转换为热能 排掉，能源浪费严重；电容储能需要设置体积庞大的电容器组，占用城际铁路宝贵的地下空 间；飞轮储能对飞轮的制作工艺要求高，而且飞轮储能制作成本很高，使用寿命不理想；对 于逆变回馈，是指地铁在电动刹车制动时，通过电机回馈至地铁牵引系统直流母线的方法， 回馈行为会造成直流母线电压升高，现有的逆变回馈方法均是针对单电感滤波的地铁能量 回馈装置设计的，然而，单电感滤波的地铁能量回馈装置将会产生较为严重的谐波污染问 题。而谐波污染小、可靠性高、体积小、成本低、采用3相H桥逆变器和LCL滤波器的地铁能 量回馈装置，却没有相应的逆变回馈方法进行控制。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是现有的逆变回馈控制方法无法应用于基于3相H桥逆 变器和LCL滤波器的地铁能量回馈装置，无法达到稳定直流触网电压的目的。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种地铁能量回馈装置的闭环 控制方法，包括以下步骤：1)人工设置直流触网电压目标值Udc-ref，并实时检测直流触网 电压Udc，并在直流触网电压控制器中将Udc-ref和Udc进行比较，当Udc-ref < Udc时， 直流触网电压控制器计算Udc-ref和Udc的差值越遲J，将MJ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；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、Use，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;3)根据外设的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cot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d轴有功电流指令Id-ref反变换到三相ABC坐标 系下，得到ABC三相电流Ia-ref、Ib-ref、Ic-ref ;通过三相电流控制器比较三相电流指令 Ia-ref、Ib-ref、Ic-ref和实际三相逆变输出电流Ia、Ib、Ic的差异，计算得到三相控制输 出 Uia-ref、Uib-ref、Uic-ref ;4)三相控制输出 Uia-ref、Uib-ref、Uic-ref 分别进入三 相调制模块进行单极倍频调制，得到每相4路、三相共12路脉冲控制信号PWMal，2, 3, 4、 PffMbl, 2, 3, 4、PffMcl, 2, 3, 4,送给A、B、C三相H桥的12只IGBT进行开关控制。
[0007] 本发明方法针对该种特性，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。
[0008] 进一步，所述步骤3还包括如下步骤：3_1)将PI控制器和基波谐振控制器Rl并 联，形成PI+R1模块，三相电流指令Ia-ref、Ib-ref、Ic-ref和实际三相逆变输出电流Ia、 Ib、Ic的差值作为输入信号输入该模块；3-2)
计算得出Rl的输 出值，所述s是复频域算子，con是谐振中心频率，Ki是比例增益；3-3)将Rl的输出值和 PI控制器的输出值叠加后通过数字控制的一拍延时环节1/z后，减去升压变高压侧三相线 采样电网电压Usa，得到输出值，即三相控制输出U laraf，所述一拍延时是指采样、计算频率是 实际开关频率的4倍，即一个开关周期分四拍。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方案，Rl代表基波谐振控制器。Rl能够对基波提供很高的开环增 益，从而保证基波控制精度。
[0009] 进一步，所述步骤4还包括如下步骤:4_1)对步骤3-2得至Ij的三相控制输出Ui-ref进行单相 单极倍频调制，得到每相4路、三相共12路脉冲控制信号RWal，2,3,4、懸1，2,3,4、Rifcl，2,3,4 ;4-2) 将脉冲控制信号-作为输入信号输入单相H桥逆变器，得到Ui ;4-3)将Ui作为输入信号输入单相 LCL滤波器，得到实际三相逆变输出电流I，所述单相LCL滤波器包括单相逆变器侧滤波电感L1、单相 交流滤波电容C1、变压器漏感Lleak，从单相逆变桥输出电压Ui到单相输出电流I的传递函数为：
电网电压前馈采用电压互感器PTl、PT2、PT3采样变压 器高压侧三相线电压，这样变压器漏感LlralJt和回馈装置的LC滤波器构成LCL滤波器进 行电流闭环控制，并且可以消除变压器漏感1^315造成的相位误差。闭环电流采用霍尔电流 传感器TA2、TA3、TA4采样三相交流滤波电容CU C2、C3和变压器三相低压侧绕组之间连线 的三相电流，这实际上就是采样LCL的网侧滤波电感电流，能够消除三相交流滤波电容CU C2、C3上电容电流的影响，保证电流控制精度。
[0010] 本发明的优点是：（1)达到稳定直流触网电压的目的；（2)能够保证很好的交流基 波电流控制精度；（3)交流滤波电容无需串联阻尼电阻；（4)可以根据系统需求输出无功电 流。
【附图说明】
[0011] 图1是本发明公开的一种地铁能量回馈装置结构示意图； 图2是本发明的一种地铁能量回馈装置控制方法示意图； 图3是A相电流闭环控制框图； 图4是A相电流控制等效电路图； 图5是4倍采样时序图； 图6是开环频率特性曲线图； 图7是闭环频率特性曲线图。
【具体实施方式】
[0012] 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。
[0013] 如图1所示，本发明回馈装置包括直流开关柜、与直流开关柜电通过铜排电连接 的功率柜、变压器，馈入直流触网的电能通过直流开关柜进入功率柜，功率柜将直流电转换 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，功率柜包括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、第二电流霍尔传感器、 交流断路器，3相H桥逆变器的各相输入端分别与直