一種模塊級(jí)聯(lián)式能饋型牽引供電裝置及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種城市軌道交通牽引供電裝置及控制方法，尤其涉及一種采用大功率雙向變流器，能夠同時(shí)滿足列車(chē)的牽引供電、再生制動(dòng)能量吸收，并具有交流中壓電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償功能的牽引供電裝置及控制方法。
技術(shù)背景
[0002]城市軌道交通可以緩解城市交通日益擁堵的現(xiàn)狀，降低化石燃料的消耗，減少汽車(chē)尾氣對(duì)空氣的污染，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展。當(dāng)前城市軌道交通牽引供電仍采用從中壓1kV或者35kV電網(wǎng)取電，經(jīng)過(guò)整流變壓器降壓后再通過(guò)二極管整流橋?yàn)橹绷鳡恳W(wǎng)提供1500V或750V的牽引供電方式。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，但是直流電壓不可控，波動(dòng)范圍大，不利于列車(chē)性能的發(fā)揮；同時(shí)，能量只能單向傳輸，列車(chē)再生制動(dòng)的多余能量不能回饋交流電網(wǎng)，需用制動(dòng)電阻消耗掉，造成能量的白白浪費(fèi)。此外，制動(dòng)電阻發(fā)熱還會(huì)導(dǎo)致隧道溫度升高，增加環(huán)控系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，造成能源的再消耗。此外，地鐵供電距離長(zhǎng)，中壓電纜會(huì)產(chǎn)生大量的無(wú)功電流，導(dǎo)致夜間輕載時(shí)主站的功率因素低，因此地鐵供電系統(tǒng)中也存在無(wú)功補(bǔ)償?shù)男枨蟆?br>[0003]利用大功率電力電子功率變換技術(shù)，研制一種具有再生能量回饋功能和無(wú)功補(bǔ)償功能的牽引供電裝置是城市軌道交通牽引供電未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。其中的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)在于:
1、供電裝置的電壓等級(jí)高一般為1kV或者35kV;2、裝置容量大一般需要在MW以上;3、一套供電裝置要滿足不同運(yùn)行工況下的技術(shù)要求;4、裝置需要有很強(qiáng)的過(guò)載能力，做牽引供電時(shí)要滿足400%—分鐘，200%—小時(shí)的過(guò)載能力，裝置在做逆變回饋時(shí)要滿足300% —分鐘，150%2小時(shí)的過(guò)載能力。
[0004]發(fā)明專利201110118007.X的一種能饋型牽引供電裝置及其控制方法中，具有無(wú)功補(bǔ)償、牽引和再生制動(dòng)能量吸收功能的供電裝置技術(shù)有中提出的采用兩套變流器來(lái)實(shí)滿足這一要求，即一套二極管整流器來(lái)滿足裝置在牽引整流運(yùn)行模式下的要求，另一套采用全控型電力電子器件的變流器來(lái)滿足裝置在逆變回饋運(yùn)行模式和無(wú)功補(bǔ)償運(yùn)行模式下的要求。這兩套變流器都需要獨(dú)立的工頻變壓器、直流開(kāi)關(guān)柜和高壓開(kāi)關(guān)柜來(lái)實(shí)現(xiàn)與直流牽引網(wǎng)和交流電網(wǎng)的連接，因此，裝置的成本高且占地面積大。
[0005]發(fā)明專利201010601917.9—種具有無(wú)功補(bǔ)償功能的能饋式牽引供電裝置及控制方法，以及實(shí)用新型專利201020676378.0—種具有無(wú)功補(bǔ)償功能的能饋式牽引供電裝置，采用一套具有能量雙向流動(dòng)能力的兩電平的全控型電力電子變流器來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的功能，但這種方案變流器輸出電壓只有IkV左右，這會(huì)導(dǎo)致裝置設(shè)計(jì)存在很大的局限:1、需要工頻變壓器實(shí)現(xiàn)到1kV或者35kV的并網(wǎng)，大大增加了裝置的成本和占地面積;2、裝置要滿足過(guò)載運(yùn)行時(shí)，由于輸出電壓低，裝置的輸出電流非常大，這對(duì)主電路器件的電流裕量提出了非常高的要求，這使得裝置器件選型時(shí)要留有很大的設(shè)計(jì)冗余，導(dǎo)致設(shè)備成本高、利用率低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是現(xiàn)有技術(shù)中，電量回饋和牽引整流分別由兩套獨(dú)立的系統(tǒng)控制，成本大、占地面積大，設(shè)計(jì)冗余多，利用率低，通用性差。
[0007]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種模塊級(jí)聯(lián)式能饋型牽引供電裝置，包括三個(gè)單相級(jí)聯(lián)雙向流動(dòng)變流器;每個(gè)單相級(jí)聯(lián)雙向變流器包括η個(gè)級(jí)聯(lián)的變流模組;所述變流模組包含三個(gè)H橋變流器Hl、Η2、Η3及一個(gè)單相高頻變壓器;所述H橋變流器對(duì)外的電氣端子包括兩個(gè)直流端子和兩個(gè)交流端子;Hl的直流端子連接直流母線，交流端子連接單相高頻變壓器的原邊，單相高頻變壓器的副邊連接Η2的交流端子，組成隔離型雙有源橋DAB變流器;Η3的直流端子連接Η2的直流端子，交流端子與相鄰組的Η3的交流端子串聯(lián)；η個(gè)Hl的直流端子并聯(lián)后形成對(duì)應(yīng)的單相級(jí)聯(lián)雙向變流器的正負(fù)直流母線端，正負(fù)直流母線端分別通過(guò)直流開(kāi)關(guān)柜和負(fù)極柜連接到牽引接觸網(wǎng)和鋼軌；η個(gè)Η3的交流端子串聯(lián)后形成對(duì)應(yīng)的單相級(jí)聯(lián)雙向變流器的正負(fù)交流母線端，正交流母線端通過(guò)并網(wǎng)電抗器和高壓開(kāi)關(guān)柜接入到電網(wǎng)，負(fù)交流母線端與另外兩相級(jí)聯(lián)雙向變流器的負(fù)端短接形成中性點(diǎn)。
[0008]本發(fā)明三個(gè)H橋變流器組成兩種模塊，并聯(lián)模塊和串聯(lián)的模塊，并聯(lián)模塊用來(lái)做直流側(cè)和交流側(cè)的隔離，并做直流側(cè)這邊的接入，用來(lái)實(shí)現(xiàn)在直流牽引網(wǎng)和裝置內(nèi)部直流母線直流之間的能量交換，直流側(cè)電流大通過(guò)并聯(lián)可以分擔(dān)模塊電流；串聯(lián)模塊用在中高壓電網(wǎng)側(cè)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，通過(guò)輸出想要的電壓控制并網(wǎng)電流，實(shí)現(xiàn)裝置內(nèi)部直流母線與交流電網(wǎng)之間的能量交換，交流側(cè)電壓高，通過(guò)串聯(lián)的模塊可分擔(dān)電壓。這樣設(shè)計(jì)的好處有以下幾點(diǎn):1.通過(guò)η的合理取值調(diào)整，能夠分散每個(gè)模塊的電壓電流應(yīng)力，充分滿足牽引和整流的需要。2.節(jié)約成本，減小體積，無(wú)需設(shè)計(jì)太多冗余?，F(xiàn)有技術(shù)中，直流和交流之間變換時(shí)需要變壓器作為隔離，從而起到保護(hù)和升壓功能，而本發(fā)明通過(guò)串聯(lián)的方式，使得每個(gè)小模塊上承受的電壓不高，但是總的輸出還是能達(dá)到10KV、35KV甚至以上的高壓，所以就節(jié)省了傳統(tǒng)的費(fèi)用高昂的升壓工頻變壓器。因此，本發(fā)明一套系統(tǒng)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)整流\逆電回饋\無(wú)功補(bǔ)償三大功能。
[0009]進(jìn)一步，所述單相高頻變壓器包括兩繞組變壓器，所述雙繞組變壓器的磁芯采用高頻應(yīng)用磁芯，由于所述隔離型雙有源橋DAB變流器工作在kHz以上高開(kāi)關(guān)頻率，所述雙繞組變壓器相比工頻變壓器體積、重量、造價(jià)都小。
[0010]具體的，所述H橋變流器包括四個(gè)電力電子開(kāi)關(guān)器件及直流電容，每?jī)蓚€(gè)電力電子開(kāi)關(guān)器件串聯(lián)后與直流電容并聯(lián)，串聯(lián)的電力電子開(kāi)關(guān)器件之間引出H橋變流器的兩個(gè)交流端子，直流電容的兩端引出H橋變流器的兩個(gè)直流端子。
[0011]—種模塊級(jí)聯(lián)式能饋型牽引供電裝置的控制方法，當(dāng)能饋型牽引供電裝置工作在牽引整流/回饋逆變工作模式時(shí)，采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方法;當(dāng)能饋型牽引供電裝置在無(wú)功補(bǔ)償模式時(shí)，采用無(wú)功功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方法;裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)牽引網(wǎng)直流母線電壓，通過(guò)直流母線電壓控制閉環(huán)來(lái)實(shí)時(shí)控制單相級(jí)聯(lián)雙向變流器與電網(wǎng)的能量交換；當(dāng)車(chē)輛牽引啟動(dòng)時(shí)牽引網(wǎng)直流母線電壓被拉低，單相級(jí)聯(lián)雙向變流器從電網(wǎng)獲取能量引起裝置內(nèi)部直流母線電壓上升，同時(shí)隔離型雙有源橋DAB變流器將裝置內(nèi)部直流母線能量注入直流牽引網(wǎng)，從而在裝置容量?jī)?nèi)保持牽引網(wǎng)直流母線電壓的穩(wěn)定；當(dāng)車(chē)輛制動(dòng)再生制動(dòng)時(shí)，再生能量使得直流牽引網(wǎng)直流母線電壓升高，單相級(jí)聯(lián)雙向變流器向電網(wǎng)注入有功功率引起裝置內(nèi)部直流母線電壓的降低，同時(shí)隔離型雙有源橋DAB變流器從直流牽引電網(wǎng)獲得能量注入裝置內(nèi)部直流母線，從而維持牽引網(wǎng)直流母線電壓和裝置內(nèi)部直流母線電壓的穩(wěn)定。
[0012]具體的，所述電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制包括以下步驟:I)在控制端設(shè)置外環(huán)控制的參考電壓Vdcref ;2)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外環(huán)控制中牽引網(wǎng)直流母線電壓Vdc，將其作為反饋電壓值與外環(huán)參考電壓值Vdcref進(jìn)行比較，得出兩者的差值；當(dāng)Vdcref-Vdc>0時(shí)，輸出回饋逆變指令信號(hào)；當(dāng)Vdcref-Vdc<0時(shí)，輸出牽引整流指令信號(hào)；3)將步驟2)的輸出作為內(nèi)環(huán)電流控制的控制指令輸入PI調(diào)節(jié)器，得到內(nèi)環(huán)控制d軸的有功參考電流Idref，同時(shí)根據(jù)需要無(wú)功補(bǔ)償?shù)拇笮〉玫絨軸的無(wú)功參考電流Iqref ;4)對(duì)三相交流側(cè)輸出的電流I進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將其轉(zhuǎn)換到dq坐標(biāo)下，形成有功電流Id和無(wú)功電流Iq; 5)將Id作為反饋值、Idref作為參考值，輸入PI調(diào)節(jié)器;需要無(wú)功補(bǔ)償時(shí)，將Iq作為反饋值、Iqref作為參考值，輸入PI調(diào)節(jié)器;結(jié)合有功無(wú)