专利名称：一种能馈型牵引供电装置及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种电力系统的供电装置及其控制方法，尤其是涉及一种具备牵引、 回馈和SVG功能的能量回馈型牵引供电装置及控制方法，广泛应用于城轨轨道交通供电系统等各类相似的电力系统。
背景技术：
随着城市化进程的加剧和人口流动性的加大，大力发展城市轨道交通成为缓解城市交通日益拥堵、改善城市人及环境和促进城市可持续发展的重要途径。多年来，城市轨道交通供电系统一直采用二极管整流技术实现交流电源到直流牵引电源的转换，特别是采取M脉波整流技术后，与电网的谐波兼容问题得到较好的解决。 该技术虽然可以较好的满足车辆牵引取流的需求，但是此类系统有几个问题一是只能实现能量的单向流动，车辆制动时产生的大量的多余再生能量仅有一部分被同网临近加速车辆吸收，大部分通过车载的或地面的制动电阻以发热的形式消耗，对于频繁起、制动的城轨车辆，无疑造成极大的能源浪费。二是由于制动电阻的发热引发站台、地下隧道热量积累、温度上升，某些城轨系统隧道温度高达50度，不得不加大通风设备的容量，造成严重的二次能耗。三是对于车载制动电阻模式，制动电阻增加车体自重造成的电能消耗可十分可观。四是牵引网上同时在线运行的车辆有十几对甚至几十对，负荷的变化造成牵引网压波动严重，不利于车辆平稳、可靠运行。五是按照近、远期规划以及每天客流变化情况，城轨供电系统存在负荷变化大的特点，当负荷较轻时或者夜间车辆停运无车取流时，由于交流输电电缆等效电容的存在使得系统出现无功倒送的问题，夜间功率因数非常低。在目前我国大力提倡节能降耗的形势下，城轨供电系统的发展进度已滞后列车车辆技术的发展，多个待建的城市轨道线路，如无锡、苏州、长沙、西安、深圳和广州等多条线路，都提出了对现有牵引供电系统进行技术改造的需求。为了解决前再生回馈节能和稳定牵引网电压问题，研究人员提出了能量存储型及能量回馈型方案，甚至全PWM四象限变流器方案，为了解决牵引网轻载或空载情况下无功倒送问题，又额外增加了 SVC、FC等设备。对于城市轨道交通测量再生制动能量的回收利用，有两种方式能量存储型和能量回馈型。能量存储型按照储能元件的不同可以分为超级电容储能型、飞轮储能型以及电池储能型。超级电容储能型已经由西门子开发成功，但是由于超级电容本身的可靠性、价格等问题，应用的并不成功。飞轮储能型也在德国获得了应用，但是由于造价、维护费用以及对尖峰功率敏感性等问题，规模化应用的前景不被看好; 电池储能型主要缺点在与电池的冲放电次数以及吸收数MW再生制动能量时需要配备的巨大体积。能量回馈型牵引供电装置的主要组成部分是四象限变流器，采用的元件是已经在轨道交通、工业变流领域广泛、可靠应用多年的IGBT器件，整体成本适中，占地小，适合当前城轨供电系统使用。但是，这些设备成本都比较高，加上城市土地的稀缺，为解决某个问题就增加一类设备显然不利于提高城轨建设投资回报率，也不符合城市可持续发展的理念。现有技术中，主要存在以下几种方式的技术方案现有技术1为北京交通大学于2008年04月14日申请，并于2008年08月27日公开，公开号为CN101249806A的中国发明专利申请《一种模块化的能量回馈式牵引供电装置及其控制系统》。其公开的系统框图如
图1所示，系统同样包含一台多绕组变压器21和多个PWM整流单元22，各PWM整流单元采用CAN网络M与中央控制器相连23。该系统能够实现牵引和再生能量回馈功能。但是该专利提出的模块化能量回馈式牵引供电装置体积非常大，同时成本高昂，非常不经济。该专利采用的调制方法是错时空间矢量脉宽调制，因此调制波数据更新频率与开关频率相同，且受到功率器件如IGBT本身的限制，一般为几kHz。现有技术2为由国电南瑞科技股份有限公司王军等人于2007年12月30日发表在《城市轨道交通研究》2007年第12期的《城市轨道交通制动能量逆变回馈系统研究》一文中提出的采用超级电容储能和三相多电平回馈逆变器构成的制动能量回馈系统。如图2所示，该系统在回馈逆变器和牵引电网中间插入双向DC-DC环节将再生制动能量先存入超级电容器组中，之后再通过三相回馈逆变器将能量回馈到三相交流电网。虽然也有逆变器与交流电网相连，但在再生制动能量的处理上，是通过增加中间直流环节和超级电容实现的， 因此从本质上来讲是属于超级电容储能的方案。现有技术3为西门子目前应用的Sitras TCI装置。该套装置的英文全称为 Thyristor controlled inverter for DC traction power supply,艮口应用于直、流牵弓丨系统的可控晶闸管逆变器，其系统构成如图3所示。系统由交流开关31，自耦变压器32，晶闸管单元33，电抗器34等组成。该系统只工作在逆变状态，将直流侧过多的车辆再生制动能量回馈到交流侧。该装置通过晶间管逆变器和自耦变压器及其他附件可以将直流侧多余再生制动能量回馈到交流侧，但是由于采用的开关器件是晶闸管，因此其中压网侧谐波会比较大，功率因数比较低。事实上，使用此装置时必须在交流公共母线上增加滤波装置。日本也有过类似的晶闸管方案，但是使用过程中发现除上面提到的问题外，还会造成比较严重直流谐波问题，如果使用轨道传输信号的话，将影响信号的正常可靠传输。此外该装置不具备牵引和无功补偿功能。
发明内容
本发明的目的是提供一种能馈型牵弓I供电装置及其控制方法，该装置及其控制方法在满足电网兼容性要求的前提下，能与现有牵引供电系统兼容、成本适中，既可以解决再生制动能量回馈和稳定牵引网压的技术问题，又具备实时静态无功功率补偿能力。本发明具体提供了一种能馈型牵引供电装置的具体实施方式
，一种能馈型牵引供电装置，一种能馈型牵引供电装置，包括多重化变压器，以及不少于两个的四象限变流器模块，能馈型牵引供电装置与二极管整流牵引机组并列布置，能馈型牵引供电装置的多重化变压器一次侧通过高压开关柜与交流中压电网相连，多重化变压器低压侧每套绕组都与一个四象限变流器模块交流侧相连，能馈型牵引供电装置还包括直流侧隔离开关，四象限变流器模块直流侧连接直流侧隔离开关后并联在一起，再连接至直流母线。
6
作为本发明一种能馈型牵引供电装置进一步的实施方式，能馈型牵引供电装置包括交流侧隔离开关和断路器，在多重化变压器低压侧绕组与每个四象限变流器模块的交流侧之间均串联有交流侧隔离开关和断路器；四象限变流器模块直流侧连接直流侧隔离开关后并联在一起，再通过直流开关柜和负极柜与直流母线相连。作为本发明一种能馈型牵引供电装置进一步的实施方式，当能馈型牵引供电装置工作在牵引模式或是回馈模式时，能馈型牵引供电装置的四象限变流器模块控制装置采用基于模糊控制的双闭环控制，控制装置包括电流内环控制环节和电压外环控制环节，所有的四象限变流器模块共用电压外环控制环节，每个四象限变流器模块均有独立的电流内环控制环节，电压外环控制环节采用模糊控制方式。作为本发明一种能馈型牵引供电装置进一步的实施方式，当能馈型牵引供电装置工作在SVG模式时，能馈型牵引供电装置的四象限变流器模块控制装置采用基于瞬时功率平衡的双闭环控制，控制装置包括电流内环控制环节和电压外环控制环节，所有的四象限变流器模块共用电压外环控制环节，每个四象限变流器模块均有独立的电流内环控制环节，电压外环控制环节采用抗饱和PI调节方式。作为本发明一种能馈型牵引供电装置进一步的实施方式，能馈型牵引供电装置的多重化变压器原边采用三角型接法，多重化变压器采用轴向分裂式结构的变压器。作为本发明一种能馈型牵引供电装置进一步的实施方式，能馈型牵引供电装置四象限变流器模块的6路IGBT触发脉冲采用载波移相正弦脉宽调制方式，能馈型牵引供电装置的每一个四象限变流器模块均配置有一台直流空心电抗器。本发明还具体提供一种对能馈型牵引供电装置进行控制的方法的具体实施方式
， 一种能馈型牵引供电装置控制方法，包括以下步骤牵引运行模式步骤当能馈型牵引供电装置工作在牵引模式时，能馈型牵引供电装置与原有牵引系统协同工作，改善二极管整流牵引机组的供电特性，在额定容量范围内维持直流母线的电压平稳，此时能馈型牵引供电装置内能量的流动方向是从交流中压电网流向直流母线；回馈运行模式步骤当能馈型牵引供电装置工作在回馈模式时，当能馈型牵引供电装置检测直流母线电压，当确定有车辆制动且直流母线电压超过设置的门槛值时，进入回馈模式，此时当能馈型牵引供电装置将多余的再生制动能量通过各重四象限变流器模块以及多重化变压器回馈到交流中压电网，此时能馈型牵引供电装置内能量的流动方向是从牵引直流母线流向交流中压电网；SVG运行模式步骤当能馈型牵引供电装置工作在SVG模式时，能馈型牵引供电装置自动断开直流侧隔离开关，将直流牵引网和当能馈型牵引供电装置隔离开来，确保直流牵引网对当能馈型牵引供电装置的运行不产生影响，此时当能馈型牵引供电装置作为无功功率发生器，补偿交流中压电网上的无功功率。作为本发明一种能馈型牵引供电装置控制方法进一步的实施方式，当能馈型牵引供电装置工作在牵引模式或是回馈模式时，能馈型牵引供电装置的四象限变流器模块控制装置采用基于模糊控制的双闭环控制方式，控制方法包括电流内环控制过程和电压外环控制过程；当所述能馈型牵引供电装置工作在SVG模式时，能馈型牵引供电装置的四象限变流器模块控制装置采用基于瞬时功率平衡的双闭环控制方式，控制方法包括电流内环控制过程和电压外环控制过程。作为本发明一种能馈型牵引供电装置控制方法进一步的实施方式，能馈型牵引供电装置工作在牵引模式或是回馈模式时，电压外环控制过程包括以下步骤S201 检测k时刻直流牵引网电压，并对其进行低通滤波，滤波后的值输出至电流给定模糊控制器；S202 电流给定模糊控制器获得经低通滤波后的直流牵引网电压后，计算其绝对值、变化速率及变化方向，并根据模糊控制逻辑和直流指令电压G的大小确定k+Ι时刻四象限变流器模块总有功电流指令值^—ror，按照四象限变流器模块的个数确定每个变流器模块k+Ι时刻的有功电流指令值< ；所述的电流内环控制过程包括以下步骤SlOl 检测k时刻交流中压电网侧的交流电压和电流，并对其进行带通滤波，滤波后的电压送入锁相环模块中计算电网电压相位角，滤波后的电流则通过坐标变换得到对应的k时刻的交流中压电侧电流有功分量id和无功分量i,，交流中压电网侧电压采集的是多重化变压器的原边电压；S102:有功分量id、无功分量i,，分别与有功电流给定值/:、无功电流给定值<比较， 其差值通过PI调节器，以及下式所示的控制算法得到k+Ι时刻的调制波指令值Vd、Vq ；
权利要求
1.一种能馈型牵引供电装置，其特征在于包括多重化变压器(11)，以及不少于两个的四象限变流器模块，能馈型牵引供电装置⑴与二极管整流牵引机组⑵并列布置，能馈型牵引供电装置的多重化变压器(11) 一次侧通过高压开关柜C3)与交流中压电网相连，多重化变压器(11)低压侧每套绕组都与一个四象限变流器模块交流侧相连，所述的能馈型牵引供电装置(1)还包括直流侧隔离开关，四象限变流器模块直流侧连接直流侧隔离开关 (15)后并联在一起，再连接至直流母线。
2.根据权利要求1所述的一种能馈型牵引供电装置，其特征在于所述的能馈型牵引供电装置(1)包括交流侧隔离开关和断路器，在多重化变压器(11)低压侧绕组与每个四象限变流器模块的交流侧之间均串联有交流侧隔离开关和断路器；四象限变流器模块直流侧连接直流侧隔离开关后并联在一起，再通过直流开关柜(4)和负极柜(5)与直流母线相连。
3.根据权利要求1或2所述的一种能馈型牵引供电装置，其特征在于当所述能馈型牵引供电装置(1)工作在牵引模式或是回馈模式时，能馈型牵引供电装置(1)的四象限变流器模块控制装置采用基于模糊控制的双闭环控制，控制装置包括电流内环控制环节和电压外环控制环节，所有的四象限变流器模块共用电压外环控制环节，每个四象限变流器模块均有独立的电流内环控制环节，电压外环控制环节采用模糊控制方式。
4.根据权利要求3所述的一种能馈型牵引供电装置，其特征在于当所述能馈型牵引供电装置(1)工作在SVG模式时，能馈型牵引供电装置(1)的四象限变流器模块控制装置采用基于瞬时功率平衡的双闭环控制，控制装置包括电流内环控制环节和电压外环控制环节，所有的四象限变流器模块共用电压外环控制环节，每个四象限变流器模块均有独立的电流内环控制环节，电压外环控制环节采用抗饱和PI调节方式。
5.根据权利要求1、2、4中任一权利要求所述的一种能馈型牵引供电装置，其特征在于所述能馈型牵引供电装置(1)的多重化变压器(11)原边采用三角型接法，多重化变压器(11)采用轴向分裂式结构的变压器。
6.根据权利要求5所述的一种能馈型牵引供电装置，其特征在于所述能馈型牵引供电装置⑴四象限变流器模块的6路IGBT触发脉冲采用载波移相正弦脉宽调制方式，所述能馈型牵引供电装置(1)的每一个四象限变流器模块均配置有一台直流空心电抗器。
7.一种对权利要求1或2所述的能馈型牵引供电装置进行控制的方法，其特征在于，所述的控制方法包括以下步骤牵引运行模式步骤当能馈型牵引供电装置(1)工作在牵引模式时，能馈型牵引供电装置(1)与原有牵引系统(6)协同工作，改善二极管整流牵引机组(2)的供电特性，在额定容量范围内维持直流母线的电压平稳，此时能馈型牵引供电装置(1)内能量的流动方向是从交流中压电网流向直流母线；回馈运行模式步骤当能馈型牵引供电装置(1)工作在回馈模式时，当能馈型牵引供电装置(1)检测直流母线电压，当确定有车辆制动且直流母线电压超过设置的门槛值时， 进入回馈模式，此时当能馈型牵引供电装置(1)将多余的再生制动能量通过各重四象限变流器模块以及多重化变压器(11)回馈到交流中压电网，此时能馈型牵引供电装置(1)内能量的流动方向是从牵引直流母线流向交流中压电网；SVG运行模式步骤当能馈型牵引供电装置(1)工作在SVG模式时，能馈型牵引供电装置(1)自动断开直流侧隔离开关，将直流牵引网和当能馈型牵引供电装置(1)隔离开来，确保直流牵引网对当能馈型牵引供电装置(1)的运行不产生影响，此时当能馈型牵引供电装置(1)作为无功功率发生器，补偿交流中压电网上的无功功率。
8.根据权利要求7所述的一种能馈型牵引供电装置控制方法，其特征在于，当所述能馈型牵引供电装置(1)工作在牵引模式或是回馈模式时，能馈型牵引供电装置(1)的四象限变流器模块控制装置采用基于模糊控制的双闭环控制方式，控制方法包括电流内环控制过程和电压外环控制过程；当所述能馈型牵引供电装置(1)工作在SVG模式时，能馈型牵引供电装置(1)的四象限变流器模块控制装置采用基于瞬时功率平衡的双闭环控制方式，控制方法包括电流内环控制过程和电压外环控制过程。
9.根据权利要求8所述的一种能馈型牵引供电装置控制方法，其特征在于，能馈型牵引供电装置(1)工作在牵引模式或是回馈模式时，所述的电压外环控制过程包括以下步骤5201检测k时刻直流牵引网电压，并对其进行低通滤波，滤波后的值输出至电流给定模糊控制器；5202电流给定模糊控制器获得经低通滤波后的直流牵引网电压后，计算其绝对值、变化速率及变化方向，并根据模糊控制逻辑和直流指令电压G的大小确定k+Ι时刻四象限变流器模块总有功电流指令值^—ror，按照四象限变流器模块的个数确定每个变流器模块k+1时刻的有功电流指令值所述的电流内环控制过程包括以下步骤5101检测k时刻交流中压电网侧的交流电压和电流，并对其进行带通滤波，滤波后的电压送入锁相环模块中计算电网电压相位角，滤波后的电流则通过坐标变换得到对应的k 时刻的交流中压电侧电流有功分量id和无功分量i,，交流中压电网侧电压采集的是多重化变压器的原边电压；5102有功分量id、无功分量i,，分别与有功电流给定值、无功电流给定值^比较，其差值通过PI调节器，以及下式所示的控制算法得到k+Ι时刻的调制波指令值Vd、Vq ；
10.根据权利要求8或9所述的一种能馈型牵引供电装置控制方法，其特征在于，当所述能馈型牵引供电装置(1)工作在SVG模式时，所述的电压外环控制过程采用抗饱和PI调节控制，所述的电流内环控制过程中每个四象限变流器模块的无功电流分量指令值 < 为对输入的补偿点电流iaA，ibA，1。八进行坐标变换后产生，通过对能馈型牵引供电装置⑴接入点无功电流的PI调节得到SVG要发出的目标无功电流量，并结合基于瞬时功率平衡的双闭环控制，对能馈型牵引供电装置(1)接入点的无功电流进行双闭环控制。
全文摘要
本发明公开了一种能馈型牵引供电装置及其控制方法，包括多重化变压器，以及不少于两个的四象限变流器模块，能馈型牵引供电装置与二极管整流牵引机组并列布置，牵引供电装置的多重化变压器一次侧通过高压开关柜与交流中压电网相连，多重化变压器低压侧每套绕组都与一个四象限变流器模块交流侧相连，四象限变流器模块直流侧连接直流侧隔离开关后并联在一起，再通过直流开关柜和负极柜与直流母线相连，装置可根据需求，工作在牵引、回馈或SVG三种不同模式。本发明在满足电网兼容性要求的前提下，能与现有牵引供电系统兼容、成本适中，既可以解决再生制动能量回馈和稳定牵引网压的技术问题，又具备实时静态无功功率补偿能力。
文档编号B60M3/00GK102267405SQ20111011800
公开日2011年12月7日 申请日期2011年5月9日 优先权日2011年5月9日
发明者刘彤, 刘斐, 姜耀伟, 张铁军, 林丽, 欧英, 王洪峰, 陈刚, 陈广赞, 陈雪 申请人:株洲变流技术国家工程研究中心有限公司