专利名称：无交流电感节能型高压直流牵引供电变流装置及控制方法
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无交流电感节能型高压直流牵引供电变流装置及控制方法。
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，但是也存在一些问题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，这样会大大浪费能量。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。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种供电电压稳定，结构简单，能延长供电距离、减少供电站数量，降低接触网损耗的无交流电感节能型高压直流牵引供电变流装置及控制方法。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种无交流电感节能型高压直流牵引供电变流装置，其特征在于它包括一台多绕组变压器和若干路变流单元，所述多绕组变压器由一个原边绕组和多个副边绕组组成，所述变流单元的路数与所述多绕组组变压器的副边绕组个数呈对应设置；所述多绕组变压器的原边绕组连接交流电网，所述多绕组变压器的每个副边绕组连接一个所述变流单元的输入端，各所述变流单元的输出端顺次串联实现高压直流输出。每一路所述变流单元均包括一个交流断路器、一个PWM整流器单元、一个直流旁路开关和一个控制单元，所述交流断路器的输入端连接所述多绕组变压器的一个副边绕组，输出端连接所述PWM整流器单元的输入端，所述PWM整流器单元的两个输出端之间并联所述直流旁路开关后，与相邻的所述变流单元中的PWM整流器单元输出端串联，所述PWM整流器单元由所述控制单元控制其工作。每个所述控制单元均由三个数据采集单元、一个电流内环控制单元、一个锁相单元、一个电压外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内环控制单元，第二个所述数据采集单元将采集到的所述多绕组变压器原边绕组电压经所述锁相单元传输至所述电流内环控制单元，第三个所述数据采集单元将采集到的所述PWM整流器单元的直流电压传输至所述电压外环控制单元内；所述电压外环控制单元将接收到的直流电压和预先给定的直流电压相减并进行PI运算后，得到的电流值输入所述电流内环控制单元内；传输至所述电流内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PWM整流器单元控制。
各所述PWM整流器单元均由功率器件和直流支撑电容组成，每个所述PWM整流器单元均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。实现上述无交流电感节能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)首先在电压外环控制单元内进行电压外环控制，由第三个数据采集单元采集PWM 整流器单元的直流电压Udc，并传输至电压外环控制单元内，与预先直流给定电压Ud:相减， 其差值进行PI运算，得到电流内环控制单元的d轴电流给定值i/ ； (2)由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 ； (3)由第一个数据采集单元将PWM整流器的两相交流电流、和ib采集后输入电流内环控制单元，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i/和；相减并进行PI 运算，得到同步旋转坐标系下脉宽调制电压UtnUtl ； (5)将同步旋转坐标系电压UdA转换到静止坐标系后输入脉冲产生单元，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同步旋转坐标系的矢量控制方法。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整流器单元替代二极管整流器，实现能量的双向流动，能够将制动能量反馈回交流电网，节约电能，并保证直流供电电压稳定。2、本发明利用多绕组变压器副边短路阻抗替代PWM整流器单元交流侧电感，这样大大简化了系统结构。3、本发明将PWM整流器单元直流侧串联，提高本发明整个无交流电感节能型高压直流牵引供电变流装置直流输出电压，延长供电距离， 降低接触网损耗。4、本发明通过控制单元对各PWM整流器单元直流输出的恒压控制，保证了整个装置总输出电压恒定以及各变流单元直流串联均压。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整流器单元闭环控制原理示意图；图3是本发明的9kV无交流电感节能型高压直流牵引供电变流装置结构示意图；图4是本发明的9kV无交流电感节能型直流牵引供电变流装置中PWM整流器单元结构示意图。
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，本发明提供的一种基于PWM(脉冲宽度调制)整流器的无交流电感节能型高压直流牵引供电变流装置，其包括一台多绕组变压器1和若干路变流单元2，多绕组变压器1由一个原边绕组和多个副边绕组组成，且变流单元2的路数与多绕组变压器1的副边绕组个数呈对应设置。多绕组变压器1的原边绕组连接现有技术中的交流电网，多绕组变压器1的每个副边绕组连接一个变流单元2的输入端，各变流单元2的输出端顺次串联，以实现高压直流输出。
每一路变流单元2均包括一个交流断路器3、一个PWM整流器单元4、一个直流旁路开关5和一个控制单元6，交流断路器3的输入端连接多绕组变压器1的一个副边绕组， 输出端连接PWM整流器单元4的输入端，PWM整流器单元4的两个输出端之间并联直流旁路开关5后，与相邻的变流单元2中的PWM整流器单元4输出端串联，并且PWM整流器单元 4由控制单元6控制其工作。上述实施例中，多绕组变压器1的各副边绕组短路阻抗用来替代各PWM整流器单元4交流侧电感，从而简化本发明的无交流电感节能型高压直流牵引供电变流装置整体结构。上述各实施例中，各PWM整流器单元4均由功率器件和直流支撑电容组成，每个 PWM整流器单元4可以采用两电平或三电平三相电压型PWM整流器主电路，其中的功率器件采用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，如图2所示，每个控制单元6均由三个数据采集单元61、一个电流内环控制单元62、一个锁相单元63、一个电压外环控制单元64和一个脉冲产生单元65 构成。其中，第一个数据采集单元61将采集到的PWM整流器单元4两相交流电流传输至电流内环控制单元62内；第二个数据采集单元61将采集到的多绕组变压器1的原边绕组电压经锁相单元63传输至电流内环控制单元62内；第三个数据采集单元61将采集到的PWM 整流器单元4的直流电压Udc传输至电压外环控制单元64内。电压外环控制单元64将接收到的直流电压Ud。和预先给定的直流电压Udc*相减后并进行PI运算(比例积分运算)，得到的电流值输入电流内环控制单元62内。传输至电流内环控制单元62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65转换成驱动脉动信号后，返回至 PWM整流器单元4，实现对PWM整流器单元4的控制。综上所述，当一路变流单元2中的PWM整流器单元4发生严重故障时，断开该路变流单元2中的交流断路器3，闭合直流旁路开关5，即可以将该故障变流单元2切除；同时， 控制其余正常工作的各路变流单元2中的PWM整流器单元4，将各PWM整流器单元4的直流输出电压都适当升高，即可以保证本发明的无交流电感节能型高压直流牵引供电变流装置整体总直流输出电压在允许范围内，可以大大提高系统可靠性。如图2所示，本发明无交流电感节能型高压直流牵引供电变流装置中的各PWM整流器单元4均采用基于同步旋转坐标系的矢量控制方法，通过控制单元6对各PWM整流器单元4直流输出进行恒压控制，保证了本发明的无交流电感节能型高压直流牵引供电变流装置总的直流输出电压恒定，以及各变流单元2之间直流串联均压。则本发明的无交流电感节能型高压直流牵引供电变流装置控制方法包括如下步骤1)首先在电压外环控制单元64内进行电压外环控制，由第三个数据采集单元61 采集PWM整流器单元4的直流电压Ud。，并传输至电压外环控制单元64内，与预先直流给定电压U:相减，其差值进行PI运算，得到电流内环控制单元62的d轴电流给定值i/ ；2)锁相运算，由第二个数据采集单元61采集多绕组变压器1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63进行锁相，得到电网电压同步角θ ；3)在电流内环控制单元62内进行坐标变换，由第一个数据采集单元61将采集到的PWM整流器4的两相交流电流ia和ib输入到电流内环控制单元62内，将其转换到同步旋转坐标系下得到“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i/和；相减(为了保证功率因数为1，通常都令、的电流给定值G = 0)，对差值分别进行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Ud、Uq转换到静止坐标系后输入脉冲产生单元65，并采用三电平SVPWM(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4的控制。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、图4所示，多绕组变压器1采用环氧树脂浇注干式变压器，其具有一个原边绕组、三个副边绕组，该多绕组变压器1的连接方式采用Ydl，dl，dl变比为 35kv/l. 8kv/l. 8kv/l. ^v，容量为9MVA，副边绕组等效短路阻抗20%。与多绕组变压器1 个数相对应，具有三个PWM整流器单元4，各PWM整流器单元4的交流侧分别与多绕组变压器1的一个副边绕组相连，直流侧顺次串联连接。各PWM整流器单元4的直流输出额定电压为3kV，容量为3MW。为降低各PWM整流器单元4中功率器件承受电压，同时增大系统容量，各PWM整流器单元主电路采用中点钳位式三电平主电路拓扑(如图4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。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
1.一种无交流电感节能型高压直流牵引供电变流装置，其特征在于它包括一台多绕组变压器和若干路变流单元，所述多绕组变压器由一个原边绕组和多个副边绕组组成，所述变流单元的路数与所述多绕组组变压器的副边绕组个数呈对应设置；所述多绕组变压器的原边绕组连接交流电网，所述多绕组变压器的每个副边绕组连接一个所述变流单元的输入端，各所述变流单元的输出端顺次串联实现高压直流输出。
2.如权利要求1所述的无交流电感节能型高压直流牵引供电变流装置，其特征在于 每一路所述变流单元均包括一个交流断路器、一个PWM整流器单元、一个直流旁路开关和一个控制单元，所述交流断路器的输入端连接所述多绕组变压器的一个副边绕组，输出端连接所述PWM整流器单元的输入端，所述PWM整流器单元的两个输出端之间并联所述直流旁路开关后，与相邻的所述变流单元中的PWM整流器单元输出端串联，所述PWM整流器单元由所述控制单元控制其工作。
3.如权利要求1或2所述的无交流电感节能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三个数据采集单元、一个电流内环控制单元、一个锁相单元、一个电压外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内环控制单元，第二个所述数据采集单元将采集到的所述多绕组变压器原边绕组电压经所述锁相单元传输至所述电流内环控制单元， 第三个所述数据采集单元将采集到的所述PWM整流器单元的直流电压传输至所述电压外环控制单元内；所述电压外环控制单元将接收到的直流电压和预先给定的直流电压相减并进行PI运算后，得到的电流值输入所述电流内环控制单元内；传输至所述电流内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PWM整流器单元控制。
4.如权利要求1或2所述的无交流电感节能型高压直流牵引供电变流装置，其特征在于各所述PWM整流器单元均由功率器件和直流支撑电容组成，每个所述PWM整流器单元均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3所述的无交流电感节能型高压直流牵引供电变流装置，其特征在于 各所述PWM整流器单元均由功率器件和直流支撑电容组成，每个所述PWM整流器单元均采用两电平或三电平三相电压型PWM整流器主电路。
6.如权利要求4所述的无交流电感节能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。
7.如权利要求5所述的无交流电感节能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。
8.实现如权利要求1 7任意一项所述无交流电感节能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)首先在电压外环控制单元内进行电压外环控制，由第三个数据采集单元采集PWM 整流器单元的直流电压Udc，并传输至电压外环控制单元内，与预先直流给定电压Ud:相减， 其差值进行PI运算，得到电流内环控制单元的d轴电流给定值i/ ；(2)由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)由第一个数据采集单元将PWM整流器的两相交流电流、和ib采集后输入电流内环控制单元，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i/和相减并进行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，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所述的无交流电感节能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同步旋转坐标系的矢量控制方法。
全文摘要
本发明涉及一种无交流电感节能型高压直流牵引供电变流装置及控制方法，它包括一台多绕组变压器和若干路变流单元，所述多绕组变压器由一个原边绕组和多个副边绕组组成，所述变流单元的路数与所述多绕组组变压器的副边绕组个数呈对应设置；所述多绕组变压器的原边绕组连接交流电网，所述多绕组变压器的每个副边绕组连接一个所述变流单元的输入端，各所述变流单元的输出端顺次串联实现高压直流输出。本发明节约电能，并能保证直流供电电压稳定，延长供电距离，降低接触网损耗。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H02M7/219GK102299646SQ20111026186
公开日2011年12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