共整流变压器中压型再生制动能量回馈装置及其控制方法与流程

本发明涉及城轨牵引供电系统的再生制动能量回馈技术，具体涉及一种共整流变压器中压型再生制动能量回馈装置及其控制方法。

背景技术：

目前在城轨牵引供电系统中，处理列车制动时产生的再生能量方面主要存在三种解决方案，一种是低压回馈+电阻消耗的方案，主要由低压变压器、变流器、斩波器、制动电阻等组成，将制动能量回馈到低压配电ac400v电网内，多余能量则由制动电阻消耗掉，因低压配电变压器容量较小，当制动能量较大时，大部分的能量是由制动电阻消耗，再生能量重复利用率较低；另一种是中压能馈方案（独立支路型），主要由高压开关柜、高压变压器、变流器组成，是将制动能量通过回馈变流器反馈至变电所内中压交流电网，该解决方案回馈功率较大，在谐波、功率因数、抗孤岛等方面具备非常好的电网兼容性，在城轨集中式供电系统中应用优势明显，但在分散式供电系统中，会有部分回馈的能量反馈至电业局下的变电所内，不能完全由地铁运营方重复利用，两种方式各有适用局限；最后一种则采用超级电容储能装置，将制动能量存储在超级电容中，当列车牵引启动时，再释放出来，该系统主要由dc/dc斩波器和超级电容器组成，超级电容器的快充快放特性很适合城市轨道交通中列车的运行特性，但对于较大容量的超级电容器，其体积较大，占地面积广，且目前超级电容器的寿命有限，应用与城轨供电系统，需频繁启动、制动，超级电容器始终处于充电、放电的状态，影响超级电容器寿命。

目前在国内外应用较为成熟的是再生制动能量回馈装置，即将列车制动产生的能量通过逆变转换为交流电，再回馈至交流电网。再生制动能量回馈装置按回馈点电压的不同分为低压型能量回馈装置、中压共用整流变型能量回馈装置、中压独立支路型能量回馈装置。其中低压型能量回馈装置可以实现在一定功率范围内回馈制动能量，但吸收能量有限，一般需加装电阻消耗装置，效率较低；中压共用整流变型能量回馈装置（未采用隔离变压器）可以实现全功率范围内制动能量回馈，但因不采用隔离变压器，导致能馈装置与整流机组之间存在环流，效率较低，保护兼容性差；中压独立支路型能量回馈装置可以实现全功率范围内制动能量回馈，采用多重化拓扑结构，设备投资较高，占地较大。

近年来，我国城市轨道交通建设发展迅速，城轨供电系统作为轨道交通的重要组成部分，其能耗指标是城轨运营的重要指标，节能降耗及技术升级的要求使城市轨道交通对于合理利用再生能量有愈加强烈的需求。为了推动城市轨道交通建设向资源节约型、环境友好型的绿色、可持续性方向发展，需要开展轨道交通再生制动能量二次节能利用系统的研究。城轨列车的中压独立支路型再生制动能量回馈系统目前已在国内地铁线路应用，且国内目前大部分的地铁线路在建设初期已做能馈装置的设计预留，采用能量回馈方式作为列车再生制动能量二次利用处理方案已经是城轨节能的主流趋势。对于能馈装置接入整流变压器方案，在现有技术当中与本专利相关的内容主要有以下方式：现有技术一：公开号为201210065612.x的中国专利文献公开了一种能馈式牵引供电装置，包括变压器、二极管整流机组和pwm整流机组，该能馈式牵引供电装置还包括双向dc-dc变换器，该发明采用双向dc-dc变换器与二极管整流机组和pwm整流机组的直流侧连接，实现pwm整流机组与二极管整流机组共用一个变压器，该发明系统复杂，控制较难于实现。现有技术二：国外厂家采用直接与二极管整流器并联的方式，变流器的交流输出侧直接与整流变压器相接，中间无隔离变压器，直流侧则通过直流电抗器均流后相接，该方式省一台隔离变压器，减少了装置尺寸和占地面积。然而，上述共用整流变压器的中压型再生能量回馈装置的现有方案中，存在着一定的缺点。现有技术一在pwm整流机组和二极管整流机组间加入了双向dc-dc变换器，系统电路复杂、控制系统复杂、投资成本高。现有技术二则是变流器机组直接与二极管整流器并联，接入整流变压器次边，该方案没有隔离变压器，减少了设备尺寸及占地面积，但在变流机组正常工作过程中，与二极管整流器间会产生环流，降低了系统回馈能量的效率。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种能够消除能馈单元和整流机组间的环流、比低压回馈装置回馈容量大、比传统中压回馈装置结构简化，总装尺寸和占地面积少，降低了成本，通用性好的共整流变压器中压型再生制动能量回馈装置及其控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一方面，本发明提供一种共整流变压器中压型再生制动能量回馈装置，包括整流变压器、能馈单元和整流机组，所述能馈单元和整流机组并联布置于整流变压器的阀侧绕组和直流牵引网之间，所述整流变压器的网侧绕组和中压交流电网相连，所述能馈单元和整流变压器的阀侧绕组之间分别串联布置有并网开关和隔离变压器，所述能馈单元包括两个逆变器，所述两个逆变器的交流侧相互并联连接，所述两个逆变器的直流侧设有用于将两个逆变器并联或者串联连接的单刀双头隔离开关组，所述两个逆变器的直流侧通过单刀双头隔离开关组和直流牵引网相连。

优选地，所述单刀双头隔离开关组包括单刀双头隔离开关qc2和单刀双头隔离开关qc3，所述单刀双头隔离开关qc2包括静触点#1和静触点#0，所述单刀双头隔离开关qc3包括静触点#2和与单刀双头隔离开关qc2共用的静触点#0，所述两个逆变器中一个逆变器的直流侧正极和直流牵引网正极母线相连、直流侧负极和单刀双头隔离开关qc2的动触点相连，另一个逆变器的直流侧正极和单刀双头隔离开关qc3的动触点相连、直流侧负极和直流牵引网负极母线相连，所述单刀双头隔离开关qc3的静触点#2和直流牵引网正极母线相连，所述单刀双头隔离开关qc2的静触点#1和直流牵引网负极母线相连。

优选地，所述整流变压器包括两个阀侧绕组，所述整流机组包括并联布置的两个整流器，所述两个整流器中每一个整流器的交流侧各与整流变压器的一个阀侧绕组相连，且所述两个整流器的直流侧正极同时通过第一正极直流开关qfz1和直流牵引网正极母线相连，所述两个整流器的直流侧正极同时通过负极直流开关qc1和直流牵引网正极母线相连。

优选地，所述整流变压器的网侧绕组和中压交流电网之间设有高压交流开关qfg。

所述两个逆变器的直流侧正极和直流牵引网的正极母线之间串联连接有第二正极直流开关qfz2，所述两个逆变器的直流侧负极和直流牵引网的负极母线之间串联连接有电抗器l。

优选地，所述能馈单元和整流变压器的阀侧绕组之间分别串联布置有lcl型滤波器。

优选地，所述lcl型滤波器包括三个第一均流电抗器lj1、三个滤波电感lg以及三个滤波电容器cb，所述三个第一均流电抗器lj1、三个滤波电感lg分别串联于能馈单元和整流变压器的阀侧绕组之间各相线路上，任意一个所述滤波电容器cb一端并联连接到对应相线路上的第一均流电抗器lj1和滤波电感lg之间、另一端其和另外两个滤波电容器cb共同连接至共同中性点。

优选地，所述三个第一均流电抗器lj1集成布置于隔离变压器中。

优选地，所述两个逆变器的交流侧各相线路上均串接有第二均流电抗器lj2。

另一方面，本发明还提供一种前述共整流变压器中压型再生制动能量回馈装置的控制方法，步骤包括：

1）设置第一启动门槛值、第二启动门槛值、过压保护值、停止门槛值、电流斜率判断值；

2）采样直流牵引网的直流母线电压，如果直流母线电压大于第一启动门槛值，则跳转执行步骤3）；

3）启动能馈单元，控制能馈单元以固定功率曲线运行；

4）判断直流母线电压是否大于第二启动门槛值，如果直流母线电压大于第二启动门槛值则跳转执行步骤5）；否则跳转执行步骤2）；

5）控制能馈单元以峰值回馈功率运行；如果直流母线电压大于过压保护值，则停止能馈单元，且跳转执行步骤2）；如果直流母线电压小于停止门槛值，则跳转执行步骤6）；

6）根据采样的直流母线电压获取直流电流斜率，如果直流电流斜率小于电流斜率判断值，则停止能馈单元，且跳转执行步骤2）；否则，跳转执行步骤5）。

本发明共整流变压器中压型再生制动能量回馈装置具有下述优点：

1、本发明包括整流变压器、能馈单元和整流机组，能馈单元和整流机组并联布置于整流变压器的阀侧绕组和直流牵引网之间，整流变压器的网侧绕组和中压交流电网相连，能馈单元和整流变压器的阀侧绕组之间分别串联布置有并网开关和隔离变压器，采用低压隔离变压器与整流机组的整流变压器次边直接相接，可消除回馈装置与整流机组间的环流，减少了高压升压变压器的占地面积及成本，相比低压回馈装置，增大了回馈容量。

2、本发明两个逆变器的直流侧设有用于将两个逆变器并联或者串联连接的单刀双头隔离开关组，使得逆变器的直流输出侧能适配dc1500v制式、dc750v制式直流牵引供电系统的功能，减少系统成本。

3、本发明包括整流变压器、能馈单元和整流机组，能馈单元和整流机组并联布置于整流变压器的阀侧绕组和直流牵引网之间，相比中压回馈装置，减少了一台高压开关柜、高压变压器，减少了总装尺寸和占地面积，降低了成本。

4、本发明包括整流变压器、能馈单元和整流机组，在本发明的回馈通路中，经过隔离变压器和整流变压器，也减少了注入到交流电网的电流谐波含量。

5、本发明包括整流变压器、能馈单元和整流机组，实现了整流变压器在整流机组和回馈机组之间分时复用，能够提高整流变压器的设备利用率。

本发明共整流变压器中压型再生制动能量回馈装置的控制方法具有下述优点：本发明共整流变压器中压型再生制动能量回馈装置的控制方法基于第一启动门槛值、第二启动门槛值、过压保护值、停止门槛值、电流斜率判断值控制能馈单元的启动、运行及停止，由于采用了功率前馈技术，能够避免装置启动时对整流机组阀侧电压的冲击，而且在能馈单元起停控制中，基于停止门槛值、电流斜率判断值的判定加入滞环控制技术及电流变化率判断技术，可以避免能馈单元频繁启动，减少损耗及误启动。

附图说明

图1为本发明实施例一的电路原理示意图。

图2为本发明实施例一中lcl型滤波器的等效电路示意图。

图3为本发明实施例一控制方法的基本流程示意图。

图4为本发明实施例一装置的电压电流外特性示意图。

图5为本发明实施例一的输出功率按示意图。

图6为本发明实施例一的直流母线电压运行周期图。

图7为本发明实施例二的电路原理示意图。

图例说明：1、整流变压器；2、能馈单元；21、逆变器；22、单刀双头隔离开关组；3、整流机组；31、整流器；4、并网开关；5、隔离变压器；6、lcl型滤波器。

具体实施方式

实施例一：

如图1所示，本实施例的共整流变压器中压型再生制动能量回馈装置包括整流变压器1、能馈单元2和整流机组3，能馈单元2和整流机组3并联布置于整流变压器1的阀侧绕组和直流牵引网之间，整流变压器1的网侧绕组和中压交流电网相连，能馈单元2和整流变压器1的阀侧绕组之间分别串联布置有并网开关4和隔离变压器5（隔离变压器5匹配整流变压器1的阀侧绕组相位，即与整流变压器1的阀侧绕组相位保持一致），能馈单元2包括两个逆变器21，两个逆变器21的交流侧相互并联连接，两个逆变器21的直流侧设有用于将两个逆变器21并联或者串联连接的单刀双头隔离开关组22，两个逆变器21的直流侧通过单刀双头隔离开关组22和直流牵引网相连。

本实施例共整流变压器中压型再生制动能量回馈装置的工作过程如下：当列车制动时，优先采用电制动，列车动能转化为电能，通过牵引变流器回馈到直流牵引网中，引起直流母线电压上升，超过整流机组3的空载电压，整流机组3的二极管反向截至，整流机组3停止工作，临近车辆吸收本站列车的制动能量。当直流母线电压达到能馈单元2的启动门槛值时，能馈单元2启动回馈，经整流变压器1将列车制动能量回馈到中压交流电网，完成一次回馈过程。在此过程中，能馈单元2工作，占用整流变压器1，二极管整流机组停止运行。当列车牵引启动时，从整流机组3中取流，直流母线电压从空载电压随着电流变大而逐渐降低，该直流母线电压远低于能馈单元2的启动门槛值，该过程中能馈单元2停止运行，整流机组3正常整流，占用整流变压器1。整流变压器1在整个过程中，分别由能馈单元2和整流机组3分时复用。

本实施例的共整流变压器中压型再生制动能量回馈装置适用于dc1500v、dc750v两种地铁直流牵引供电系统，其交流侧电压分别适应ac1180v和ac590v，其中的逆变器21采用dc750v电压的等级的模块。两个逆变器21的直流侧设有用于将两个逆变器21并联或者串联连接的单刀双头隔离开关组22，两个逆变器21的直流侧通过单刀双头隔离开关组22和直流牵引网相连可通过单刀双头隔离开关组22快速实现两个逆变器21的串并联，使得直流输出侧能适配dc1500v制式、dc750v制式直流牵引供电系统的功能，减少系统成本。

如图1所示，整流变压器1的网侧绕组和中压交流电网之间设有高压交流开关qfg。

如图1所示，两个逆变器21的直流侧正极和直流牵引网的正极母线之间串联连接有第二正极直流开关qfz2，两个逆变器21的直流侧负极和直流牵引网的负极母线之间串联连接有电抗器l。

如图1所示，两个逆变器21的交流侧各相线路上均串接有第二均流电抗器lj2。

如图1所示，单刀双头隔离开关组22包括单刀双头隔离开关qc2和单刀双头隔离开关qc3，单刀双头隔离开关qc2包括静触点#1和静触点#0，单刀双头隔离开关qc3包括静触点#2和与单刀双头隔离开关qc2共用的静触点#0，两个逆变器21中一个逆变器21的直流侧正极和直流牵引网正极母线相连、直流侧负极和单刀双头隔离开关qc2的动触点相连，另一个逆变器21的直流侧正极和单刀双头隔离开关qc3的动触点相连、直流侧负极和直流牵引网负极母线相连，单刀双头隔离开关qc3的静触点#2和直流牵引网正极母线相连，单刀双头隔离开关qc2的静触点#1和直流牵引网负极母线相连。

在dc750v供电系统中，两个逆变器21采用并联输出，交流侧采用均流电抗器并联、直流侧直接并联方式；在dc1500v供电系统中，两个逆变器21采用直流侧串联输出dc1500v直流电压，装置结构形式简单，便于更换；当系统工作在dc1500v直流牵引供电系统，单刀双头隔离开关qc2和单刀双头隔离开关qc3均连接至0位（静触点#0），此时为两个逆变器21串联；当系统工作在dc750v直流牵引供电系统，单刀双头隔离开关qc2连接至1位（静触点#1）、单刀双头隔离开关qc3连接至2位（静触点#2），此时为两个逆变器21并联。本实施例的共整流变压器中压型再生制动能量回馈装置适配dc1500v、dc750v直流系统另一个不同点是隔离变压器5的原边电压，适应dc1500v制式时，隔离变压器5原边电压设置为ac1180v；适应dc750v制式时，隔离变压器5原边电压设置为ac590v。

如图1所示，整流变压器1包括两个阀侧绕组，整流机组3包括并联布置的两个整流器31，两个整流器31中每一个整流器31的交流侧各与整流变压器1的一个阀侧绕组相连，且两个整流器31的直流侧正极同时通过第一正极直流开关qfz1和直流牵引网正极母线相连，两个整流器31的直流侧正极同时通过负极直流开关qc1和直流牵引网正极母线相连。

本实施例中，并网开关4包括主开关km1、充电开关km2和电阻rx1，主开关km1、充电开关km2和电阻rx1构成装置软充电回路，充电开关km2和电阻rx1串联后与主开关km1并联。在本实施例装置上电前，首先闭合主开关km1，系统通过充电开关km2和电阻rx1及逆变器21中与igbt器件并联的二级管给逆变器21直流侧的支撑电容（图中省略）、交流侧的滤波电容（图中省略）充电，避免直接上电对电容产生巨大的冲击。

本实施例中，隔离变压器5是低压变压器，可以减小变压器的尺寸，降低占地面积；与传统中压独立支路型能馈装置相比，能够降低总体装置成本。

如图1所示，能馈单元2和整流变压器1的阀侧绕组之间分别串联布置有lcl型滤波器6。lcl型滤波器6与单l型的变流器系统相比，可以使用较小的电感及较低的开关频率达到同样的谐波标准，同样也可以调整支路电容的方式进一步减少电感值，lcl型滤波器6能够滤除高频段的高频谐波，减少电感值，降低系统体积及成本，提高电流内环的响应速度，降低交流侧的谐波含量；而且配合现有的基于d-q同步旋转坐标系pwm整流电压空间矢量控制voc（voltageorientedcontrol），可极大降低低频段的电流谐波。

如图1所示，lcl型滤波器6包括三个第一均流电抗器lj1、三个滤波电感lg以及三个滤波电容器cb，三个第一均流电抗器lj1、三个滤波电感lg分别串联于能馈单元2和整流变压器1的阀侧绕组之间各相线路上，任意一个滤波电容器cb一端并联连接到对应相线路上的第一均流电抗器lj1和滤波电感lg之间、另一端其和另外两个滤波电容器cb共同连接至共同中性点。

lcl型滤波器6对频率为50hz的低频分量呈低阻抗，对基波信号基波不产生衰减，但对于高频分量呈高阻抗，对高频谐波电流起到极大的衰减作用。lcl型滤波器6的等效电路如图2所示，其中rlj1表示第一均流电抗器lj1的等效阻抗，rlg表示滤波电感lg的等效阻抗，lcl型滤波器6的模型可以看作是滤波电感lg与滤波电容器cb并联，再与第一均流电抗器lj1串联，滤波电感lg的支路电流就是滤波电感lg支路和滤波电容器cb支路对串联电流的分流，把电网看作是稳定的稳压源。lcl型滤波器6存在系统稳定性问题，可通过增加阻尼电阻的方式有效抑制lcl型滤波器的谐振，对lcl型滤波器6采用现有基于虚拟电阻法的电压外环、电流内环控制方式，能够实现对频率为50hz的低频分量呈低阻抗，对基波信号基波不产生衰减，但对于高频分量呈高阻抗，对高频谐波电流起到极大的衰减作用。

如图3所示，本实施例的共整流变压器中压型再生制动能量回馈装置的控制方法的步骤包括：

1）设置第一启动门槛值、第二启动门槛值、过压保护值、停止门槛值、电流斜率判断值；

2）采样直流牵引网的直流母线电压，如果直流母线电压大于第一启动门槛值，则跳转执行步骤3）；

3）启动能馈单元2，控制能馈单元2以固定功率曲线运行；

4）判断直流母线电压是否大于第二启动门槛值，如果直流母线电压大于第二启动门槛值则跳转执行步骤5）；否则跳转执行步骤2）；

5）控制能馈单元2以峰值回馈功率运行，以稳定中压交流电网的网压；如果直流母线电压大于过压保护值，则停止能馈单元2，且跳转执行步骤2）；如果直流母线电压小于停止门槛值，则跳转执行步骤6）；

6）根据采样的直流母线电压获取直流电流斜率，如果直流电流斜率小于电流斜率判断值，则停止能馈单元2，且跳转执行步骤2）；否则，跳转执行步骤5）。

参见图4，其中irn为整流机组3的额定电流（a），iin为能馈单元2的额定电流（a），（1）牵引供电区间是指整流机组3单独工作区间，此时能馈单元2处于热待机状态不运行工作，因此在牵引供电区间，电压电流外特性体现为整流机组3的典型外特性状态，即直流母线电压随着直流输出电流的增大而成比例降低。（2）能量回馈区间是能馈单元2的工作区间，在此区间，整流机组3处于热待机状态不运行工作，本实施例中在启动能馈单元2后控制能馈单元2以固定功率曲线运行，当直流母线电压大于第二启动门槛值后控制能馈单元2以峰值回馈功率运行，因此能馈单元2根据直流母线电压变化而改变输出电流（输出功率）以满足回馈时列车功率不断增大的要求，即随着直流母线电压增大增加能馈单元2的输出功率，从而在控制中实现了功率前馈，装置输出功率跟随直流电网电压的变化而变化，能够适应列车电制动时瞬间产生的较大峰值功率，减少装置回馈时对中压电压的能量冲击。因此采用功率前馈后，装置输出功率跟随直流电网电压的变化而变化，功率与电压的变化曲线由直流电网中制动能量的上升率即列车制动曲线、直流电压变化率共同决定。

如图5所示，本实施例的共整流变压器中压型再生制动能量回馈装置的输出功率是随着电压变化而跟随变化的。装置在直流接触网dc1500v处的母线电压达到第一个门槛值时u1m时，输出功率随着直流网压增大而迅速增大，在2～3s时间内以最大功率pm吸收列车制动能量（图4中的u1m-u2m段），装置输出到电网侧的电流由于存在上升变化率，不会对交流电网产生过大的冲击，随后装置降低功率至间歇工作制下的峰值功率pe（图5中的u2m-u3m段），并在峰值功率保持pe恒功运行，当直流电压、电流满足能馈单元2退出运行条件，则能馈单元2退出。如果直流电网网压持续上升，达到装置保护电压值，则装置将封锁脉冲，退出回馈运行（图5中的ub时刻），进行过压保护。图6为典型的本实施例能量回馈装置的运行周期图，直流母线电压达到第一启动门槛值时，电流开始沿一定曲线上升，在2～3s时间内达到最大电流，随后电流减小至额定峰值电流，当制动过程结束，回馈电流减小至0，并退出运行。

同时本实施例的控制方法中，通过第一启动门槛值、第二启动门槛值、过压保护值、停止门槛值四者实现对能馈单元2的控制中，在控制过程中加入滞环控制技术及电流变化率判断，结合启动门槛值与停止门槛值之间设置合适的滞环值，能够避免能馈单元2频繁启动，减少损耗及误启动，滞环控制技术是指依靠判断直流电网电压的方式实现启动与停止，直流网压一般是24脉波整流电压，有一定的波动范围，且当直流电网的全线贯通的，临近车辆的制动也会引起直流网压的震荡，如果该震荡点刚好处于能馈单元2启动门槛值，会导致能馈单元2频繁的启动、停止，增加装置的误动作，加入滞环判断及电流变化率判断技术，启动门槛与停止门槛之间设置合适的滞环值，同时判断电流变化斜率，判断电流是减少趋势还是增大趋势，能够更准确地区分直流电网中是存在制动能量和直流电压正常波动，避免装置的误动作。

综上所述，本实施例共整流变压器中压型再生制动能量回馈装置能在列车电制动时，将制动能量通过逆变器21逆变至整流变压器1的次边，然后通过整流变压器1升压，回馈到中压交流电网，达到节能目的，同时能够基本消除逆变器21与整流变压器1之间的环流，并在功率范围内，稳定直流母线电压，该系统灵活性高、体积小、适配性高、与既有系统结合度高、对中压电网冲击小、功率因数高及注入到交流侧的谐波低等优点，适用于目前国内地铁主流的dc1500v、dc750v的直流牵引供电系统中。

实施例二：

如图3所示，本实施例共整流变压器中压型再生制动能量回馈装置与实施例一基本相同，其不要不同点为：实施例一将三个第一均流电抗器lj1单独设置，会减少隔离变压器5的体积，但会增加逆变器21所在的变流器柜的体积；如图7所示，本实施例中，三个第一均流电抗器lj1集成布置于隔离变压器5中（图中未绘制出），使得将lcl型滤波器6中的部分电抗器集成在隔离变压器5中，减少了一台电抗器的体积及成本，减少占地面积，但隔离变压器5的体积会相对有所增加。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。