專利名稱：一種模塊化的能量回饋式牽引供電裝置及控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種牽引供電裝置及控制方法，尤其指采用多個PWM整流器并 聯(lián)、具有能量回饋功能的牽引供電裝置及控制方法。
背景技術：
發(fā)展城市軌道交通，有利于緩解城市交通日益擁堵的現(xiàn)狀，有利于改善城 市人居環(huán)境、促進城市可持續(xù)發(fā)展。目前，中國地鐵和輕軌的牽引供電裝置采用傳統(tǒng)的二極管整流器，供電電壓 主要為750V或1500V。這種二極管整流器雖然結構簡單、成本較低，但也存在 一些固有缺點首先是車輛制動時的能量不能回饋交流電網，對于需要頻繁啟 動/制動的軌道車輛，無疑會造成大量的能量浪費；其次是輸出電壓波動大，車 輛的啟動、制動，以及交流輸入電壓的波動，都會造成直流輸出電壓的較大波 動，不利于車輛全功率可靠運行。再次是車輛上需要配備笨重的制動電阻，不 利于車輛輕型化，還帶來散熱的問題；此外，其對交流電網諧波污染也比較大。 采用PWM整流器能夠克服二極管整流器的以上諸多缺陷，但是單臺PWM整流 器容量難以做到數(shù)兆瓦，況且單臺容量太大也不利于供電系統(tǒng)容量的靈活配置， 還會降低供電的可靠性。發(fā)明內容本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種模塊化的能量回饋式牽引 供電裝置及控制方法，采用多個模塊化的PWM整流器并聯(lián)，既滿足大容量要求， 又可提高供電的冗余性和可靠性。本發(fā)明的目的是通過下述技術方案實現(xiàn)的一種模塊化的能量回饋式牽引供電裝置，其特殊之處在于它包括 一個多繞組變壓器，該變壓器由一個原邊繞組和多個副邊繞組組成，原邊繞組接交流電網，采用星形連接，每個副邊繞組連接一個PWM整流器單元，各副邊繞組的連接方式相同，均采用三角形連接；多個PWM整流器單元，所有整流器單元的直流輸出都并聯(lián)到直流母線上作為為該供電裝置的總輸出；一個中央控制器，該中央控制器與各PWM整流器單元通過CAN網絡互聯(lián)。 一種基于模塊化的能量回饋式牽引供電裝置的控制方法，其特殊之處在于: 在中央控制器上設置一個直流電壓環(huán)，控制直流輸出電壓穩(wěn)定，每個PWM整流器單元設置交流電流內環(huán)，控制流經各PWM整流器單元交流電流，交流電流內環(huán)采用基于同步旋轉坐標系的電流解耦控制方法，將電流轉換到同步旋轉dq坐標系后分別對d軸電流和q軸電流進行PI控制，d軸電流的給定值由中央控制器上的直流電壓外環(huán)的輸出決定，q軸電流給定為0;中央控制器通過控制投入運行的PWM整流器單元的數(shù)量、開關頻率，進行運行效率優(yōu)化，通過調節(jié)各PWM整流器單元的d軸電流分配系數(shù)，實現(xiàn)功率均分；采用錯時空間矢量脈寬調制減小交流電流諧波。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有的優(yōu)點是本發(fā)明提出了一種模塊化的能量 回饋式牽引供電裝置及控制方法，采用多個模塊化的PWM整流器并聯(lián)，既滿足 大容量要求，又可提高供電可靠性；該供電裝置特殊的電路結構，使之易于模 塊化設計，方便擴容，系統(tǒng)可靠性提高，并且能量能夠雙向流動，車上無需制 動電阻，直流電壓穩(wěn)定，交流電流諧波含量小。


圖1模塊化的能量回饋式牽引供電裝置組成2 PWM整流器單元控制原理框3傳統(tǒng)PWM整流器控制原理框4中央控制器工作原理圖框5實施例供電裝置系統(tǒng)組成6軟件鎖相環(huán)原理圖具體實施方式
本發(fā)明提出的一種模塊化的能量回饋式牽引供電裝置，它包括-一個多繞組變壓器l,該變壓器由一個原邊繞組和多個副邊繞組組成，原邊繞組接交流電網，采用星形連接，每個副邊繞組連接一個PWM整流器單元，各 副邊繞組的連接方式相同，均采用三角形連接；多個PWM整流器單元2，所有整流器單元的直流輸出都并聯(lián)到直流母線上 作為為該供電裝置的總輸出；一個中央控制器3，該中央控制器與各PWM整流器單元通過CAN網絡4 互聯(lián)。所述的中央控制器包括一個直流電壓傳感器和一塊CPU板，該CPU板含一 個數(shù)字信號處理器和一個CAN通信接口 。各PWM整流器單元中功率開關管選用高集成度智能功率模塊。 現(xiàn)結合附圖詳細描述本發(fā)明最佳實施例本實施例所述供電裝置包括 一臺三繞組變壓器、兩個PWM整流器單元， 以及一個中央控制器，如圖5所述。直流輸出電壓額定值為750V，系統(tǒng)總容量 為1MW。1.多繞組變壓器變壓器的作用是將高壓交流電壓降到PWM整流器所需交流電壓。同時，各 PWM整流器單元的交流側通過多繞組變壓器實現(xiàn)隔離，在電氣上阻斷了 PWM 整流器單元之間的環(huán)流通路，提高了系統(tǒng)的可靠性。本實施例中變壓器采用環(huán)氧樹脂澆注干式變壓器，重量輕、耐火、阻燃、 低噪聲、壽命長； 一個原邊繞組，兩個副邊繞組，變壓器容量1MVA;變壓器 原邊輸入電壓10kV，副邊輸出電壓400V;原邊采用星型連接，以便于高壓系 統(tǒng)接地，副邊采用三角形連接，可以短路3的倍數(shù)次諧波電流。變壓器具體連 接方式為Ydlldll。為了防止雷電干擾侵入供電裝置，通常需要在變壓器處加裝防雷裝置。2. PWM整流器單元由于本實施例所述供電裝置直流電壓為750V，因此各整流器單元的主電路 結構選擇傳統(tǒng)兩電平電路，主要包含功率開關管、三相交流電感L、直流支撐電 容器C、電壓電流傳感器、以及控制板。功率開關管選擇西門康公司的SKiiP系 列智能功率模塊，參數(shù)1700V/2400A,型號為SKiiP 2403GB173D，該智能功率模塊自帶散熱器、驅動、保護、溫度傳感器和電流傳感器，使用方便，可靠 性高；直流支撐電容C大小為30000uF;交流濾波電感L電感值為300uH;電 壓電流傳感器采用LEM傳感器；控制板上主要器件為一塊數(shù)字信號處理器和一 個CAN通信接口，作用為釆集PWM整流器的電壓電流信號，執(zhí)行控制算法， 產生PWM脈沖，驅動功率開關管工作，而CAN通信接口用于與中央控制器通 信?？刂瓢迳系臄?shù)字信號處理器采用TI公司的TMS320F2812，該處理器自帶增 強型CAN控制器，只需外加一個帶隔離的CAN收發(fā)器CTM1050T就能實現(xiàn)與 中央控制器的CAN網絡通信。單個PWM整流器單元額定功率500kW。如果直流電壓為1500V，則PWM整流器單元主電路結構采用三電平電路。3. 中央控制器中央控制器功能為控制直流電壓穩(wěn)定，以及優(yōu)化整個供電裝置的運行效率。 所述的中央控制器由一個直流電壓傳感器和一塊CPU板組成，該CPU板包括一 塊數(shù)字信號處理器和一個CAN通信接口 。上述直流電壓傳感器采用LEM傳感器，其檢測直流電壓，用于對直流電壓 的閉環(huán)控制；上述CPU控制板上的數(shù)字信號處理器也采用TI 公 司 的 TMS320F2812，該處理器自帶增強型CAN控制器，只需外加一個帶隔離的CAN 收發(fā)器CTM1050T就能實現(xiàn)與各PWM整流器單元的CAN網絡通信。一種用于模塊化的能量回饋式牽引裝置的控制方法，其中，各PWM整流器單元僅對電流進行閉環(huán)控制，控制方法采用基于同步旋轉坐標系的電流解耦控制，分別對d軸電流和q軸電流進行閉環(huán)控制，實現(xiàn)對有功和無功的獨立控制， 且功率因數(shù)為l，控制原理框圖如圖2所示，其中，數(shù)據(jù)采集是指對交流側兩相電流和兩相電壓進行AD采樣。采集兩相電流 用于對電流閉環(huán)控制，采集兩相電壓則用于對電網電壓進行軟件鎖相。鎖相是為獲得電網電壓同步角，可分為軟件鎖相和硬件鎖相。本實施例采 用的是軟件鎖相，其原理如圖6所示，其主要包括坐標變換、濾波、PI控制、 積分4個部分。工作流程是先預設一個同步角，利用該同步角將靜止坐標系 下兩相交流電壓轉換到同步旋轉dq坐標系，并將q軸電壓^送入濾波環(huán)節(jié)，濾除電網電壓畸變或干擾引入的高頻成分，再與給定值0相減，然后進行PI調節(jié)， PI的輸出作為對角頻率修正量Aw，加上額定角頻率w后進行積分，得到新的同 步角，再利用這個新的同步角重復以上步驟，閉環(huán)穩(wěn)定時，所得同步角為電網 電壓同步角。只要旋轉坐標系的d軸沒有與電網電壓矢量同步旋轉且保持重合， 則電網電壓矢量在旋轉坐標系的q軸分量就不等于零，導致角頻率修正量^W相 應變化，直到d軸與電網電壓矢量實現(xiàn)完全同步，此時輸出的《就是所需電網電 壓同步角。相對于傳統(tǒng)依賴過零點檢測的硬件鎖相而言，軟件鎖相可以簡化硬 件電路，同時可以借助多種濾波增強對諧波干擾和電壓畸變的抑制能力；坐標變換是將采集的交流電流量從靜止坐標系變換到旋轉dq坐標系，得到d 軸電流id和q軸電流iq。PI控制指在同步旋轉坐標系對電流給定值與電流實際反饋值進行數(shù)字PI運 算，采用抗飽和PI控制。脈沖產生則是將電流環(huán)PI的輸出變換到兩相靜止坐標系，然后利用空間矢量脈寬調制算法產生PWM脈沖，最終被送到智能功率模塊驅動IGBT開關管。 通信是PWM整流器單元通過CAN網絡接收來自中央控制器的d軸電流給定值數(shù)據(jù)，并用于閉環(huán)控制；圖2所示PWM整流器單元基于同步旋轉坐標系的電流解耦控制方法，主要實現(xiàn)步驟為第一，檢測兩相交流電壓，進行鎖相，得到電網電壓同步角。第二，檢測兩相交流電流，并轉換到同步旋轉坐標系，然后分別進行d軸電流和q軸電流的PI控制。第三，將d、 q軸PI調節(jié)器的輸出用于空間矢量脈寬調制(SVPWM)，產生6路驅動脈沖。傳統(tǒng)的PWM整流器控制方法除了上述電流環(huán)外，通常還包括一個直流電壓 外環(huán)，如圖3所示，電壓外環(huán)的作用是保持PWM整流器直流電壓穩(wěn)定，但也正 是這直流電壓外環(huán)會使得PWM整流直流輸出具有電壓源特性，這種情況下多個 PWM整流器并聯(lián)可能發(fā)生嚴重不均流現(xiàn)象。為了實現(xiàn)多個PWM整流器并聯(lián)正 常工作，本發(fā)明提出了一種新的控制方法，特點是在各PWM整流器單元上不設 置直流電壓外環(huán)，僅有電流內環(huán)，從而使得各PWM整流器單元直流輸出具有電 流源特性，易于多個PWM整流器并聯(lián)工作。但是為了穩(wěn)定直流電壓，必須對直 流電壓進行閉環(huán)控制，本發(fā)明將直流電壓環(huán)設置在中央控制器上，該電壓環(huán)PI 輸出乘以一個電流分配系數(shù)k (又稱作d軸電流分配系數(shù))，再通過網絡傳輸 到各PWM整流器單元作為其d軸電流的給定值/;;，如圖4所示。正常情況下， 兩個PWM整流器單元各自分擔一半負載，它們的d軸電流分配系數(shù)默認為 kl=k2=0.5。但由于實際情況下，各PWM整流器單元主電路參數(shù)存在一定的差 異，將導致在電流分配系數(shù)k相同的情況下，PWM整流器單元實際傳輸?shù)墓β?相差可能會很大，不利于設備正常運行。因此，中央控制器需要根據(jù)各PWM整流器單元的實際傳輸功率，來適當調整電流分配系數(shù)k，使得各PWM整流器單 元傳輸功率近似相等。例如，當檢測到一個PWM整流器單元的運行功率明顯大 于另外一個PWM整流器單元時，就得適當減小前者的電流分配系數(shù)，而增大后 者的電流分配系數(shù)，直到兩個PWM整流器單元傳輸功率近似相等。中央控制器還具備對各PWM整流器單元進行啟停控制的功能。如果長時 間整個供電裝置都工作在空載或很小負載狀態(tài)時，如小于1/8額定功率，就有必 要僅啟用一個PWM整流器單元工作，從而提高供電裝置運行效率；此外，中央控制器能夠根據(jù)供電裝置的運行功率狀況對各PWM整流器單元 開關頻率進行調節(jié)。當負載較大時，不論是處于整流工況還是逆變工況，三相 電流值較大，IGBT的開關損耗和導通損耗大，裝置發(fā)熱嚴重，減小開關頻率是 減小開關損耗，降低裝置發(fā)熱的有效途徑，同時考慮到大功率時諧波電流所占 的比重也相對減小，適當減小開關頻率不會使系統(tǒng)總諧波比例增加。同理，負 載較小時，由于裝置的損耗較小，可以增大各PWM整流器單元的開關頻率以減 小交流電流諧波；對各PWM整流器單元的開關頻率進行調節(jié)，目的是在能夠滿 足相應諧波標準的情況下，優(yōu)化系統(tǒng)運行效率。但是，各PWM整流器單元的開 關頻率必須同時進行調整。對于N個PWM整流器并聯(lián)工作的情況，采用一種錯時空間矢量調制技術 來大大減小交流電流諧波。該技術完全基于傳統(tǒng)的空間矢量脈寬調制技術，脈 沖產生方法也一樣，其特點就是將各PWM整流器單元SVPWM調制點相互錯 開1/N個開關周期，使得各PWM整流器單元對應相電流的開關頻率附近的諧波 成分相互錯開一定角度，疊加時能夠相互抵消，從而大大減小總交流電流中的 諧波成分。針對本實施例中兩個PWM整流器單元并聯(lián)的情況，所述錯時空間矢 量脈寬調制技術是以電網電壓過零點為參考點，將兩個PWM整流器單元的矢量 調制點相互錯開1/2個開關周期。
權利要求
1.一種模塊化的能量回饋式牽引供電裝置，其特征在于，它包括一個多繞組變壓器(1)，該變壓器由一個原邊繞組和多個副邊繞組組成，原邊繞組接交流電網，采用星形連接，每個副邊繞組連接一個PWM整流器單元，各副邊繞組的連接方式相同，均采用三角形連接；多個PWM整流器單元(2)，所有整流器單元的直流輸出都并聯(lián)到直流母線上作為為該供電裝置的總輸出；一個中央控制器(3)，該中央控制器與各PWM整流器單元通過CAN網絡(4)互聯(lián)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種模塊化的能量回饋式牽引供電裝置，其特征 在于中央控制器(3)包括一個直流電壓傳感器和一塊CPU板，該CPU板含 一個數(shù)字信號處理器和一個CAN通信接口 。
3. 根據(jù)權利要求1所述的一種模塊化的能量回饋式牽引供電裝置，其特征 在于，各PWM整流器單元中功率開關管選用高集成度智能功率模塊。
4. 一種實施權利要求1所述基于模塊化的能量回饋式牽引供電裝置的控制 方法，其特征在于在中央控制器上設置一個直流電壓環(huán)，控制直流輸出電壓穩(wěn)定，每個PWM 整流器單元設置交流電流內環(huán)，控制流經各PWM整流器單元交流電流，交流電 流內環(huán)采用基于同步旋轉坐標系的電流解耦控制方法，將電流轉換到同步旋轉 dq坐標系后分別對d軸電流和q軸電流進行PI控制，d軸電流的給定值由中央 控制器上的直流電壓外環(huán)的輸出決定，q軸電流給定為0;中央控制器通過控制投入運行的PWM整流器單元的數(shù)量、開關頻率，進行 運行效率優(yōu)化，通過調節(jié)各PWM整流器單元d軸電流分配系數(shù)，實現(xiàn)功率均分；采用錯時空間矢量脈寬調制減小交流電流諧波。
5. 根據(jù)權利要求4所述的一種基于模塊化的能量回饋式牽引供電裝置的控 制方法，其特征在于所述基于同步旋轉坐標系的電流解耦控制，采用下列步 驟a,檢測兩相交流電壓，進行鎖相，得到電網電壓同步角；b，檢測兩相交流電流，并轉換到同步旋轉dq坐標系； C，分別對d軸電流和q軸電流進行PI控制；d，將d、 q軸PI調節(jié)器的輸出用于空間矢量脈寬調制，產生6路驅動脈沖。
6. 根據(jù)權利要求4所述的一種基于模塊化的能量回饋式牽引供電裝置的控 制方法，其特征在于所述基于同步旋轉坐標系的電流解耦控制所采用的鎖相 方法為軟件鎖相，包括坐標變換、濾波、PI控制、積分4個部分，其工作流程 為，先初設一個同步角，利用該同步角將交流電壓轉換到同步旋轉坐標系，然 后將得到q軸分量送入濾波環(huán)節(jié)濾波，然后作為反饋量與給定值0相減進行PI 調節(jié)，PI的輸出作為對角頻率修正量，加上額定角頻率后進行積分，得到新的 同步角，再利用這個新的同步角重復以上步驟，閉環(huán)穩(wěn)定時，所得同步角即為 電網電壓同步角。
7. 根據(jù)權利要求4所述的一種基于模塊化的能量回饋式牽引供電裝置的控 制方法，其特征在于所述運行效率優(yōu)化表現(xiàn)為，負載較大時，減小各PWM整 流器單元的開關頻率或增加投入運行的PWM整流器單元數(shù)量；負載較小時，增 大各PWM整流器單元的開關頻率或減少投入運行的PWM整流器數(shù)量。
8. 根據(jù)權利要求4所述的一種基于模塊化的能量回饋式牽引供電裝置的控 制方法，其特征在于所述錯時空間矢量脈寬調制，是以某個時刻點為參考， 將各PWM整流器空間矢量脈寬調制點相互錯開1/N個調制周期，N為并聯(lián)運行 的PWM整流器單元數(shù)量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種模塊化的能量回饋式牽引供電裝置及控制方法，該裝置包括一臺多繞組變壓器、多個PWM整流器單元和一個中央控制器。多繞組變壓器有一個原邊繞組，多個副邊繞組，且所有副邊繞組連接方式相同；變壓器的每個副邊繞組連接一個PWM整流器單元；所有PWM整流器單元的直流輸出都并聯(lián)到整個供電裝置的直流母線上?？刂粕喜捎秒妷弘娏麟p閉環(huán)控制，直流電壓外環(huán)設置在中央控制器上，基于同步旋轉坐標系的電流內環(huán)設置在各PWM整流器單元上。本供電裝置具有易于模塊化、容量大、能量雙向傳輸、功率因數(shù)高、電流諧波小和直流電壓穩(wěn)定之顯著優(yōu)點。
文檔編號H02M1/42GK101249806SQ20081010393
公開日2008年8月27日 申請日期2008年4月14日 優(yōu)先權日2008年4月14日
發(fā)明者刁利軍, 劉志剛, 盧西偉, 鋼 張, 李哲峰, 林文立, 櫻 梅, 沈茂盛, 牟富強, 威 狄, 磊 王, 羅榮婭, 賈利民, 趙明花 申請人:北京交通大學;北京鏈奕通易軌道交通科技有限公司