大功率晶闸管型牵引整流制动逆变双向变流系统及控制方法与流程
本发明涉及大功率晶闸管型牵引整流制动逆变双向变流系统及控制方法，属于城市轨道交通列车再生制动能量吸收利用技术领域。
背景技术：
目前，地铁列车采用的是动车和拖车混合编组方式。在列车制动过程中，动车本身优先采用电制动，经过计算电制动力不足的情况时，首先由拖车的机械制动补足，其次不足情况下由动车的机械制动补足，以保证足够的制动力。这种电空配合制动的方式可以实现列车制动过程中动能到电能的转化，但由于地铁供电系统采用的是12脉波或24脉波的二极管不控整流供电方式，因此列车反馈的能量只能通过其他处于牵引状态的列车吸收，并不能通过牵引变电所回馈至交流电网。当发车间隔较小时，再生制动能量被吸收的概率就会很低，而当再生制动能量不能被完全吸收时，剩余的再生制动能量将会导致直流网电压的抬升。在我国城市轨道交通系统中，列车制动时大约有15％的制动能量被其他车辆所利用，剩余的大约25％的再生能量通过制动电阻消耗掉，这不仅浪费了能源，而且电阻散热还需进一步消耗能量。如果能够回收这一部分被制动电阻消耗的能量，节能率是非常可观的。
针对再生能量的处理，往往从两个角度出发考虑。一是通过列车本身的车载装置完成能量的处理，即车载式；二是通过在牵引变电站或线路上的地面装置完成能量的处理，即地面式。在过去的几十年，车载电阻和地面电阻因简单、可靠、维护方便成为了地铁车辆厂商和地铁运营公司的首要选择。该方式通过电阻将能量转化为热能耗散掉，但并未实现再生能量的合理利用。随着电力电子变流装置的飞速发展，取代原有的“处理方式”，并转变为“吸收利用方式”已经成为了科研人员和业内企业研究开发的主要方向。根据再生制动能量的吸收利用原理不同，大体上可以将“吸收利用方式”分为能馈吸收式和能量存储式。其中，能馈吸收式是利用逆变器的原理，通过电力电子装置实现直流到交流的转化，进而将剩余再生制动能量回馈至交流电网；能量存储式则采用一定的存储装置(超级电容、飞轮、电池、超导材料等)将剩余再生制动能量存储起来，并将其在合适的工况下释放。
目前，储能型再生制动能量吸收装置主要采用igbt逆变器将列车的再生制动能量吸收到大容量电容器组或飞轮单元中。当供电区间内有列车起动、加速需要取流时，该装置将所储存的电能释放出去并进行再利用。超级电容储能装置的投资较大，同时对超级电容储能装置的能量密度、功率密度、安全性能、寿命、可靠性有较高要求。飞轮储能是列车制动过程中产生的能量存储在旋转的飞轮中，并在列车需要取流时转换成电能释放出去；缺点是系统复杂，空间需求大，可靠性高、处于技术研究阶段。逆变回馈型再生电能利用装置的直流侧与牵引变电所中的整流器直流母线相联，其交流进线接到交流电网上，将再生电能逆变成工频交流电回馈至交流电网。此方案对于能量的流动和利用更有利，是未来的发展趋势。
目前，面对两组电源并联达不到均流的效果，解决方法往往是硬件上通过在每组电源的直流侧串联平波电抗器来起到平衡电抗器的作用或者直接采用平衡电抗器来消除两电源的电压差，使各组电源共同承担负载电流从而实现并联均流。但是这种方法需要的电抗器的电感量较大且体积较大成本很高，单单依靠从硬件上解决均流问题是不可靠也是不经济的，因此从软件控制策略出发研究并联均流的控制方法是必要的。目前，随着电力电子装置的容量不断增大，给电网带来越来越多的质量问题，静态无功补偿和动态无功补偿形式已不能很好的滤除谐波，因此发明能同时适用大容量整流和逆变装置的滤波无功补偿装置至关重要。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是：提供大功率晶闸管型牵引整流制动逆变双向变流系统及控制方法，集能量回馈、牵引供电、稳定网压、提高供电品质、过载能力强等功能于一体，系统综合性价比高。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
大功率晶闸管型牵引整流制动逆变双向变流系统，该系统包括交流开关柜、移相变压器、晶闸管双向变流装置、直流开关柜、隔离开关柜，所述晶闸管双向变流装置包括并联的整流和逆变机组，其中，整流机组包括依次串联的滤波和无功补偿装置、自耦变压器、晶闸管整流装置，逆变机组包括依次串联的滤波和无功补偿装置、自耦变压器、晶闸管逆变装置；
所述移相变压器的网侧绕组通过交流开关柜与中压交流电网相连，整流机组内的滤波和无功补偿装置、逆变机组内的滤波和无功补偿装置分别与移相变压器的阀侧绕组相连，晶闸管逆变或整流装置的交流侧通过自耦变压器、滤波和无功补偿装置与移相变压器相连，晶闸管逆变或整流装置的直流侧通过直流开关柜与直流正母线相连，通过隔离开关柜与直流负母线相连。
作为本发明系统的一种优选方案，所述晶闸管整流装置包括两个并联的12脉波晶闸管变流器，每个12脉波晶闸管变流器包括两组并联的移相全桥晶闸管变流单元。
作为本发明系统的一种优选方案，所述晶闸管逆变装置包括两个并联的12脉波晶闸管变流器，每个12脉波晶闸管变流器包括两组并联的移相全桥晶闸管变流单元。
大功率电源并联均流控制方法，适用于如上所述大功率晶闸管型牵引整流制动逆变双向变流系统中的晶闸管整流装置，当两个12脉波晶闸管变流器的电源并联工作时，采用双闭环pi调节进行均流控制，具体为：在每个12脉波晶闸管变流器的直流侧串联电流互感器，通过电流互感器将12脉波晶闸管变流器的实际电流值反馈给控制器，控制器根据给定的电流值和实际电流值经过pi调节器闭环控制输出各12脉波晶闸管变流器电源的触发脉冲，从而调节各12脉波晶闸管变流器电源的输出电流值，实现电源的稳流控制。
大功率电源并联均流控制方法，适用于如上所述大功率晶闸管型牵引整流制动逆变双向变流系统中的晶闸管逆变装置，当两个12脉波晶闸管变流器的电源并联工作时，采用双闭环pi调节进行均流控制，具体为：在每个12脉波晶闸管变流器的直流侧串联电流互感器，通过电流互感器将12脉波晶闸管变流器的实际电流值反馈给控制器，控制器根据给定的电流值和实际电流值经过pi调节器闭环控制输出各12脉波晶闸管变流器电源的触发脉冲，从而调节各12脉波晶闸管变流器电源的输出电流值，实现电源的稳流控制。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明采用双向变流技术替代传统整流机组，完成整流和逆变两种功能。在列车制动时，可将再生制动能量回馈至交流电网，大大减少了列车的制动电阻和机械制动的使用，实现列车再生制动能量的有效回收利用；列车出站时，可为列车提供电能，完全可以代替一套整流机组，对于纯逆变功能的能量回馈装置，设备利用率更高。
2、本发明晶闸管双向变流装置采用晶闸管元件，晶闸管的单管额定电流与大功率二级管相当，过载能力较强，适用于更高的功率配置方案，与igbt能馈方案相比，成本低，短路能力强，控制方案相对简单，自然冷却，维护工作量小，而谐波含量高的问题可以通过增加移相变压器进行滤波处理来解决。
3、本发明采用数字控制方法进行大功率电源并联均流控制，解决了硬件上解决均流问题的不可靠和不经济性，可根据不同的控制要求灵活的改变控制参数设置，实现了现代电源自动化和智能化控制的要求。
4、本发明采用动静结合的补偿滤波装置方案，有效消除谐波，电网质量大大增加，实现了功率因数：>0.99(额定功率下)和电流谐波畸变率：≤3％的技术要求。
附图说明
图1是本发明大功率晶闸管型牵引整流制动逆变双向变流系统的整体架构图。
图2是12脉波晶闸管变流器并联扩容方案示意图。
图3是12脉波并联运行波形图。
图4是本发明双闭环pi调节均流控制原理图。
图5是动态无功补偿的情况下，0.25倍额定功率时的电流thd仿真分析图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
如图1所示，大功率晶闸管型牵引整流制动逆变双向变流系统主要由交流开关柜、移相变压器、晶闸管双向变流装置、直流开关柜、负极隔离开关柜等组成。晶闸管双向变流系统有整流和逆变两种用途，可将列车制动能量回馈到中压交流网以达到节能的目的，也可将交流电网输送到直流母线，为列车牵引提供电能并稳定直流母线电压，利用自身的过载能力，可临时代替出故障的整流机组，以保证整条线路正常运行。变流装置采用晶闸管元件，解决了当前igbt产品载流能力低的问题，且具有成本低、控制简单可靠、维护量小的特点，是当前先进的列车制动再生能量回收系统。
系统组成：移相变压器的网侧绕组通过交流开关柜与中压交流电网相连；阀侧绕组通过晶闸管双向变流装置和直流开关设备(直流开关柜、隔离开关柜)与直流母线相连。晶闸管双向变流装置包括并联的整流和逆变两组机组，每组机组包括依次串联布置的滤波和无功补偿装置、自耦变压器、晶闸管整流或逆变装置；逆变(整流)装置的交流侧通过自耦变压器、滤波和无功补偿装置与移相变压器相连；逆变(整流)装置的直流侧通过直流开关柜与直流正母线相连，通过隔离开关柜与直流负母线相连。
本系统集牵引整流和制动逆变双重功能，牵引整流用于列车启动和运行供电，制动逆变用于将列车制动能量回馈至中压网，来节省电能。晶闸管型牵引整流制动逆变双向变流系统根据各个传感器检测信号，综合判断直流电网上是否有列车处于再生电制动状态，一旦确认列车处于再生制动状态并需要吸收能量时，系统启动吸收过程。逆变装置把机车制动时产生的能量转换成与电网同频同幅电压，自动跟踪母线电压，并向负载供电，将再生能量再利用。通过读取机车启动信号或计轴设备检测信号的方式监控列车供电需求，列车启动运行时，晶闸管型牵引整流制动逆变双向变流系统代替已有的一组整流装置，实现列车运行供电功能。
具体步骤：
1)通过读取机车启动信号或计轴设备检测信号的方式监控列车供电需求(也可通过直流开关柜内置的智能化线路测试装置检测供电回路的电流值，以此判断列车供电需求状态)，列车启动运行时，直流开关柜中断路器合闸，同时联跳隔离开关柜和交流开关柜，形成供电回路。中压交流电ac35kv经过移相变压器输出ac1180v交流电，经过滤波和无功补偿装置滤波后，由自耦变压器将电压ac1180v升高至ac1630v，最后24脉波整流机组将ac1630v整流变换为dc1500v直流电，经由直流开关柜送到母线电压供列车运行。
2)通过电压传感器检测直流网电压，当处于再生制动工况的列车产生的制动能量不能完全被其它车辆和本车的用电设备吸收时，直流网电压将很快上升，网压上升到一定程度后，24脉波整流机组投入工作，吸收掉多余的再生电流，并回馈至中压网，以最大限度地将再生制动的能量回收再利用。设置在直流母线的电压传感器检测的直流母线电压值传送到设置在直流开关柜的控制器，控制器将检测到的电压值与阈值进行比较，如果检测到的电压值超过阈值，则启动24脉波逆变机组，此时，直流开关柜中断路器合闸，同时联跳隔离开关柜和交流开关柜，形成馈电回路，制动能量经逆变机组把直流电变化成交流电，并通过自耦变压器，滤波和无功补偿装置以及移相变压器转化成与电网同频同幅电压，实现再生制动能量的再利用。
晶闸管为半控型电力电子器件，它的工作条件如下：1)晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，晶闸管都处于反向阻断状态；2)晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通，这时晶闸管处于正向导通状态，这就是晶闸管的闸流特性，即可控特性；3)晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用，门极只起触发作用；4)晶闸管在导通情况下，当主回路电压(或电流)减小到接近于零时，晶闸管关断。
根据晶闸管的工作特性可知，晶闸管模组的能量流动特性具有单向性，因此双向变流器工作在牵引和逆变状态下需要使用不同的变流器模组。大功率变流器是双向牵引变电站系统的核心，主要由24脉波晶闸管牵引整流器和24脉波晶闸管能馈逆变器组成。
以24脉波晶闸管牵引整流器(即晶闸管整流装置)为例，由两个12脉波的晶闸管变流器并联组成，每个12脉波的晶闸管变流器又是由两组并联移相全桥晶闸管变流单元组成。如图2所示，为变流器并联扩容方案示意图。如图3所示，为12脉波并联运行波形图。
采用晶闸管元件串并联实现大容量双向变流器优点：
1)由于采用二极管不控整流方式，直流母线电压不可控，在负载变化较大的情况下容易引起直流网压的波动，影响列车控制性能。
2)igbt的能馈装置本身带有整流功能，因此有相关研究者和业内专家提出打开igbt能馈装置的整流功能，实现能量的双向流动。在列车牵引时通过igbt整流功能提供一定牵引能量，稳定直流网压。但是，由于地铁供电标准要求整流装置有一定的过载能力(过载倍数和过载时间要求为：1.5倍过载时间2小时，3倍过载时间1分钟)，因为igbt器件的过载能力很低，发生过载时igbt能馈装置很难实现稳定直流母线的目标，这就需要大幅增加igbt整流装置的额定容量，导致装置的额定容量远远大于实际使用时的容量，造成装置成本的急剧增加。
因为晶闸管器件的单管额定电流与大功率二级管相当，与igbt相比，相同功率的单个元器件通过串并联组成的大容量整流逆变装置容量更大，过载能力较强，所以采用晶闸管元件可以很好地解决过载问题，同时实现母线电压可控的目标。
采用多组电源并联输出是电源大功率化发展的一个显著趋势。相同功率等级下，在两组电源并联运行的过程中，由于硬件参数不完全一致等因素会造成两组电源的输出特性并不完全相同，输出电压较低的一组电源桥臂上的功率器件由于承受反向的两组电源之间的电压差而被截止，导致只有输出电压较高的一组电源运行而达不到均流的效果，使电源并联运行失败。解决这种问题的方法硬件上可以通过在每组电源的直流侧串联平波电抗器来起到平衡电抗器的作用或者直接采用平衡电抗器来消除两电源的电压差，使各组电源共同承担负载电流从而实现并联均流。但是这种方法需要的电抗器的电感量较大且体积较大成本很高，单单依靠从硬件上解决均流问题是不可靠也是不经济的，因此从软件控制策略出发研究并联均流的控制方法是必要的。
传统的均流方法主要模拟控制方法也即设计模拟电路来实现均流，主要包括输出阻抗法、主从设置法、平均电流值法和最大电流值法等，该类模拟均流控制方法的响应速度较快，但由于模拟元件固有的器件老化、温漂以及不易扩展等问题，尤其是硬件电路一旦成型则控制方法固定，不能根据不同的控制要求灵活的改变控制参数设置，不利于现代电源自动化和智能化控制的要求，因此采用数字控制方法成为大功率电源并联均流控制方法的另一种主要方式。本电源在两组12脉整流电源并联时采用双闭环数字pi调节均流控制的方法来达到两组电源并联的目的，控制原理如图4所示。
通过串联在每组12脉波整流电源直流侧的电流互感器将实际电流值
电力电子装置的容量不断增大，给电网带来越来越多的质量问题，晶闸管型牵引整流制动逆变双向变流系统无论是整流工况还是逆变工况，功率因数都较低，为了解决谐波含量问题，在交流侧增加滤波和无功补偿装置。传统静态补偿滤波装置和动态补偿滤波装置经过分析不能满足本发明产品功率因数：>0.99(额定功率下)和电流谐波畸变率：≤3％的技术要求，所以设计动静结合的补偿滤波装置方案；解释为在整流时采用动态补偿滤波装置，在逆变时采用动静结合的补偿装置。
对整流和逆变两种工况下进行滤波装置补偿效果的仿真试验，确定不同负载功率对应的功率因数值，重点逆变和整流额定功率和峰值功率下，对应的功率因数数值是否能达到0.99。
1)整流情况仿真条件：额定输出1500v，额定功率2mw。
①增加滤波及补偿装置，且装置参数固定。
负载功率减小时，电流thd随负载功率减小，功率因数也随之减小。负载功率为额定功率70％～100％的情况下，功率因数不能满足技术要求。
②增加滤波及补偿装置，滤波及补偿装置参数随负载功率变化而变化。(相当于动态无功补偿，滤波及补偿装置参数根据负载功率计算得到，成比例变换)
可以看出在动态无功补偿的情况下，负载功率减小时，功率因数一直能够保持较高的值(均大于0.99)。电流thd随负载功率减小而增加，但是也能够满足小于3％的参数要求。动态无功补偿的情况下，0.25倍额定功率时的仿真结果如图5所示。
滤波参数如下：
中压环网为35kv供电系统。
交流补偿电容：3*1.56uf，电流有效值20a。
针对不同频率谐波，设计的滤波装置参数如下：
滤波器①：3*(2.32uf+35.8mh)，电流有效值40a。
滤波器②：3*(2.32uf+25.6mh)，电流有效值40a。
滤波器③：3*(2.32uf+8.2mh)，电流有效值40a。
所有三相滤波器均为yg连接形式。
2)逆变情况仿真条件：峰值功率2mw，直流输入1800v，输出电压3ac1630v。
①在相同的功率等级下，与整流过程采用相同的滤波参数，但无功补偿电容参数不一致，无功容量增加；增加滤波及补偿装置，滤波及补偿装置参数随负载功率变化而变化(动态补偿)。
在动态补偿情况下，从目前的仿真情况看，逆变时的功率因数随着输出功率的减小变化不大。但是其电流波形畸变thd含量较大，影响了电能质量。同一功率等级下采用相同的滤波装置，逆变时的thd含量要大于整流时的thd含量。
补偿滤波参数同样也是在中压环网为35kv供电系统情况下计算得到。
滤波器参数与整流情况一致。
交流补偿电容：3*1.1uf，电流有效值20a。
所有三相补偿装置及滤波器均为yg连接形式。
②在相同的功率等级下，与整流过程采用相同的滤波参数，但无功补偿电容参数不一致，无功容量增加；动补偿与静补偿相结合方式的滤波及补偿装置，先经过静态滤波及补偿装置，随后参数随负载功率变化而变化的动态补偿。
动静结合补偿情况下，从目前的仿真情况看，逆变时的功率因数随着输出功率的减小变化不大。且电流波形畸变thd含量有较大改善，满足小于3％的参数要求。
补偿滤波参数同样也是在中压环网为35kv供电系统情况下计算得到。
滤波器参数与整流情况一致。
交流补偿电容：3*1.1uf，电流有效值20a。
所有三相补偿装置及滤波器均为yg连接形式。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
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