專利名稱：無交流電感節(jié)能型高壓直流牽引供電變流裝置及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高壓直流牽引供電變流裝置及控制方法，特別是關(guān)于一種用于為城市軌道交通車輛供電的無交流電感節(jié)能型高壓直流牽引供電變流裝置及控制方法。
背景技術(shù)：
目前，我國城市軌道交通牽引供電變流裝置仍采用的是二極管整流器，供電電壓為750V或1500V。這種供電方式已經(jīng)沿用了數(shù)十年，它的最大優(yōu)點是裝置結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)也比較成熟，但是也存在一些問題1、由于采用二極管整流器，能量只能單向流動，因此車輛制動產(chǎn)生的能量不能回饋電網(wǎng)，通常采用電阻消耗掉，這樣會大大浪費能量。2、直流輸出電壓不可控，波動范圍大，不利于車輛的安全可靠經(jīng)濟運行。3、接觸網(wǎng)網(wǎng)壓降大，供電站站間距離短，通常不超過3 4公里，造成所需供電站數(shù)量較多、建設(shè)投資大。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種供電電壓穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，能延長供電距離、減少供電站數(shù)量，降低接觸網(wǎng)損耗的無交流電感節(jié)能型高壓直流牽引供電變流裝置及控制方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種無交流電感節(jié)能型高壓直流牽引供電變流裝置，其特征在于它包括一臺多繞組變壓器和若干路變流單元，所述多繞組變壓器由一個原邊繞組和多個副邊繞組組成，所述變流單元的路數(shù)與所述多繞組組變壓器的副邊繞組個數(shù)呈對應(yīng)設(shè)置；所述多繞組變壓器的原邊繞組連接交流電網(wǎng)，所述多繞組變壓器的每個副邊繞組連接一個所述變流單元的輸入端，各所述變流單元的輸出端順次串聯(lián)實現(xiàn)高壓直流輸出。每一路所述變流單元均包括一個交流斷路器、一個PWM整流器單元、一個直流旁路開關(guān)和一個控制單元，所述交流斷路器的輸入端連接所述多繞組變壓器的一個副邊繞組，輸出端連接所述PWM整流器單元的輸入端，所述PWM整流器單元的兩個輸出端之間并聯(lián)所述直流旁路開關(guān)后，與相鄰的所述變流單元中的PWM整流器單元輸出端串聯(lián)，所述PWM整流器單元由所述控制單元控制其工作。每個所述控制單元均由三個數(shù)據(jù)采集單元、一個電流內(nèi)環(huán)控制單元、一個鎖相單元、一個電壓外環(huán)控制單元和一個脈沖產(chǎn)生單元構(gòu)成；第一個所述數(shù)據(jù)采集單元將采集到的所述PWM整流器單元兩相交流電流傳輸至所述電流內(nèi)環(huán)控制單元，第二個所述數(shù)據(jù)采集單元將采集到的所述多繞組變壓器原邊繞組電壓經(jīng)所述鎖相單元傳輸至所述電流內(nèi)環(huán)控制單元，第三個所述數(shù)據(jù)采集單元將采集到的所述PWM整流器單元的直流電壓傳輸至所述電壓外環(huán)控制單元內(nèi)；所述電壓外環(huán)控制單元將接收到的直流電壓和預先給定的直流電壓相減并進行PI運算后，得到的電流值輸入所述電流內(nèi)環(huán)控制單元內(nèi)；傳輸至所述電流內(nèi)環(huán)控制單元內(nèi)的各路電壓、電流信號進行坐標變換及PI運算處理后，經(jīng)所述脈沖產(chǎn)生單元轉(zhuǎn)換成驅(qū)動脈動信號后，返回至所述PWM整流器單元實現(xiàn)對PWM整流器單元控制。
各所述PWM整流器單元均由功率器件和直流支撐電容組成，每個所述PWM整流器單元均采用兩電平或三電平三相電壓型PWM整流器主電路。所述功率器件采用IGBT功率模塊，所述直流支撐電容采用金屬薄膜電容。實現(xiàn)上述無交流電感節(jié)能型高壓直流牽引供電變流裝置的控制方法，其包括如下步驟(1)首先在電壓外環(huán)控制單元內(nèi)進行電壓外環(huán)控制，由第三個數(shù)據(jù)采集單元采集PWM 整流器單元的直流電壓Udc，并傳輸至電壓外環(huán)控制單元內(nèi)，與預先直流給定電壓Ud:相減， 其差值進行PI運算，得到電流內(nèi)環(huán)控制單元的d軸電流給定值i/ ； (2)由第二個數(shù)據(jù)采集單元采集多繞組變壓器原邊繞組電壓互感器輸出的兩相交流電網(wǎng)電壓Ua和ub，并由鎖相單元進行鎖相，得到電網(wǎng)電壓同步角θ ； (3)由第一個數(shù)據(jù)采集單元將PWM整流器的兩相交流電流、和ib采集后輸入電流內(nèi)環(huán)控制單元，將其轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標系下得到id和(4) 將同步旋轉(zhuǎn)坐標系下得到的d、q軸電流id和i,分別與電流給定值i/和；相減并進行PI 運算，得到同步旋轉(zhuǎn)坐標系下脈寬調(diào)制電壓UtnUtl ； (5)將同步旋轉(zhuǎn)坐標系電壓UdA轉(zhuǎn)換到靜止坐標系后輸入脈沖產(chǎn)生單元，采用三電平空間矢量脈寬調(diào)制算法產(chǎn)生各IGBT開關(guān)管的PWM脈沖信號，實現(xiàn)對PWM整流器單元的控制。各所述PWM整流器單元均采用基于同步旋轉(zhuǎn)坐標系的矢量控制方法。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明由于采用PWM整流器單元替代二極管整流器，實現(xiàn)能量的雙向流動，能夠?qū)⒅苿幽芰糠答伝亟涣麟娋W(wǎng)，節(jié)約電能，并保證直流供電電壓穩(wěn)定。2、本發(fā)明利用多繞組變壓器副邊短路阻抗替代PWM整流器單元交流側(cè)電感，這樣大大簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。3、本發(fā)明將PWM整流器單元直流側(cè)串聯(lián)，提高本發(fā)明整個無交流電感節(jié)能型高壓直流牽引供電變流裝置直流輸出電壓，延長供電距離， 降低接觸網(wǎng)損耗。4、本發(fā)明通過控制單元對各PWM整流器單元直流輸出的恒壓控制，保證了整個裝置總輸出電壓恒定以及各變流單元直流串聯(lián)均壓。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)中。


圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的PWM整流器單元閉環(huán)控制原理示意圖；圖3是本發(fā)明的9kV無交流電感節(jié)能型高壓直流牽引供電變流裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明的9kV無交流電感節(jié)能型直流牽引供電變流裝置中PWM整流器單元結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。如圖1所示，本發(fā)明提供的一種基于PWM(脈沖寬度調(diào)制)整流器的無交流電感節(jié)能型高壓直流牽引供電變流裝置，其包括一臺多繞組變壓器1和若干路變流單元2，多繞組變壓器1由一個原邊繞組和多個副邊繞組組成，且變流單元2的路數(shù)與多繞組變壓器1的副邊繞組個數(shù)呈對應(yīng)設(shè)置。多繞組變壓器1的原邊繞組連接現(xiàn)有技術(shù)中的交流電網(wǎng)，多繞組變壓器1的每個副邊繞組連接一個變流單元2的輸入端，各變流單元2的輸出端順次串聯(lián)，以實現(xiàn)高壓直流輸出。
每一路變流單元2均包括一個交流斷路器3、一個PWM整流器單元4、一個直流旁路開關(guān)5和一個控制單元6，交流斷路器3的輸入端連接多繞組變壓器1的一個副邊繞組， 輸出端連接PWM整流器單元4的輸入端，PWM整流器單元4的兩個輸出端之間并聯(lián)直流旁路開關(guān)5后，與相鄰的變流單元2中的PWM整流器單元4輸出端串聯(lián)，并且PWM整流器單元 4由控制單元6控制其工作。上述實施例中，多繞組變壓器1的各副邊繞組短路阻抗用來替代各PWM整流器單元4交流側(cè)電感，從而簡化本發(fā)明的無交流電感節(jié)能型高壓直流牽引供電變流裝置整體結(jié)構(gòu)。上述各實施例中，各PWM整流器單元4均由功率器件和直流支撐電容組成，每個 PWM整流器單元4可以采用兩電平或三電平三相電壓型PWM整流器主電路，其中的功率器件采用IGBT功率模塊，直流支撐電容采用金屬薄膜電容。 上述各實施例中，如圖2所示，每個控制單元6均由三個數(shù)據(jù)采集單元61、一個電流內(nèi)環(huán)控制單元62、一個鎖相單元63、一個電壓外環(huán)控制單元64和一個脈沖產(chǎn)生單元65 構(gòu)成。其中，第一個數(shù)據(jù)采集單元61將采集到的PWM整流器單元4兩相交流電流傳輸至電流內(nèi)環(huán)控制單元62內(nèi)；第二個數(shù)據(jù)采集單元61將采集到的多繞組變壓器1的原邊繞組電壓經(jīng)鎖相單元63傳輸至電流內(nèi)環(huán)控制單元62內(nèi)；第三個數(shù)據(jù)采集單元61將采集到的PWM 整流器單元4的直流電壓Udc傳輸至電壓外環(huán)控制單元64內(nèi)。電壓外環(huán)控制單元64將接收到的直流電壓Ud。和預先給定的直流電壓Udc*相減后并進行PI運算(比例積分運算)，得到的電流值輸入電流內(nèi)環(huán)控制單元62內(nèi)。傳輸至電流內(nèi)環(huán)控制單元62內(nèi)的各路電壓、電流信號進行坐標變換及PI運算處理后，經(jīng)脈沖產(chǎn)生單元65轉(zhuǎn)換成驅(qū)動脈動信號后，返回至 PWM整流器單元4，實現(xiàn)對PWM整流器單元4的控制。綜上所述，當一路變流單元2中的PWM整流器單元4發(fā)生嚴重故障時，斷開該路變流單元2中的交流斷路器3，閉合直流旁路開關(guān)5，即可以將該故障變流單元2切除；同時， 控制其余正常工作的各路變流單元2中的PWM整流器單元4，將各PWM整流器單元4的直流輸出電壓都適當升高，即可以保證本發(fā)明的無交流電感節(jié)能型高壓直流牽引供電變流裝置整體總直流輸出電壓在允許范圍內(nèi)，可以大大提高系統(tǒng)可靠性。如圖2所示，本發(fā)明無交流電感節(jié)能型高壓直流牽引供電變流裝置中的各PWM整流器單元4均采用基于同步旋轉(zhuǎn)坐標系的矢量控制方法，通過控制單元6對各PWM整流器單元4直流輸出進行恒壓控制，保證了本發(fā)明的無交流電感節(jié)能型高壓直流牽引供電變流裝置總的直流輸出電壓恒定，以及各變流單元2之間直流串聯(lián)均壓。則本發(fā)明的無交流電感節(jié)能型高壓直流牽引供電變流裝置控制方法包括如下步驟1)首先在電壓外環(huán)控制單元64內(nèi)進行電壓外環(huán)控制，由第三個數(shù)據(jù)采集單元61 采集PWM整流器單元4的直流電壓Ud。，并傳輸至電壓外環(huán)控制單元64內(nèi)，與預先直流給定電壓U:相減，其差值進行PI運算，得到電流內(nèi)環(huán)控制單元62的d軸電流給定值i/ ；2)鎖相運算，由第二個數(shù)據(jù)采集單元61采集多繞組變壓器1原邊繞組電壓互感器輸出的兩相交流電網(wǎng)電壓 和％，并由鎖相單元63進行鎖相，得到電網(wǎng)電壓同步角θ ；3)在電流內(nèi)環(huán)控制單元62內(nèi)進行坐標變換，由第一個數(shù)據(jù)采集單元61將采集到的PWM整流器4的兩相交流電流ia和ib輸入到電流內(nèi)環(huán)控制單元62內(nèi)，將其轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標系下得到“和
4)將同步旋轉(zhuǎn)坐標系下得到的d、q軸電流id和i,分別與電流給定值i/和；相減(為了保證功率因數(shù)為1，通常都令、的電流給定值G = 0)，對差值分別進行PI運算， 得到同步旋轉(zhuǎn)坐標系下脈寬調(diào)制電壓Ud、Uq ；5)將同步旋轉(zhuǎn)坐標系電壓Ud、Uq轉(zhuǎn)換到靜止坐標系后輸入脈沖產(chǎn)生單元65，并采用三電平SVPWM(空間矢量脈寬調(diào)制)算法產(chǎn)生各IGBT開關(guān)管的PWM脈沖信號，實現(xiàn)對PWM 整流器單元4的控制。下面通過一個實施例對本發(fā)明做進一步的介紹。實施例如圖3、圖4所示，多繞組變壓器1采用環(huán)氧樹脂澆注干式變壓器，其具有一個原邊繞組、三個副邊繞組，該多繞組變壓器1的連接方式采用Ydl，dl，dl變比為 35kv/l. 8kv/l. 8kv/l. ^v，容量為9MVA，副邊繞組等效短路阻抗20%。與多繞組變壓器1 個數(shù)相對應(yīng)，具有三個PWM整流器單元4，各PWM整流器單元4的交流側(cè)分別與多繞組變壓器1的一個副邊繞組相連，直流側(cè)順次串聯(lián)連接。各PWM整流器單元4的直流輸出額定電壓為3kV，容量為3MW。為降低各PWM整流器單元4中功率器件承受電壓，同時增大系統(tǒng)容量，各PWM整流器單元主電路采用中點鉗位式三電平主電路拓撲(如圖4所示)。其中，功率器件采用 3300V電壓等級的IGBT，開關(guān)頻率取1kHz，直流支撐電容采用金屬薄膜電容，寄生電感小， 紋波電流通過能力強，壽命長，有利于降低設(shè)備維護費用。上述各實施例僅用于說明本發(fā)明，各部件的結(jié)構(gòu)和連接方式都是可以有所變化的，在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，凡根據(jù)本發(fā)明原理對個別部件的連接和結(jié)構(gòu)進行的改進和等同變換，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護范圍之外。
權(quán)利要求
1.一種無交流電感節(jié)能型高壓直流牽引供電變流裝置，其特征在于它包括一臺多繞組變壓器和若干路變流單元，所述多繞組變壓器由一個原邊繞組和多個副邊繞組組成，所述變流單元的路數(shù)與所述多繞組組變壓器的副邊繞組個數(shù)呈對應(yīng)設(shè)置；所述多繞組變壓器的原邊繞組連接交流電網(wǎng)，所述多繞組變壓器的每個副邊繞組連接一個所述變流單元的輸入端，各所述變流單元的輸出端順次串聯(lián)實現(xiàn)高壓直流輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的無交流電感節(jié)能型高壓直流牽引供電變流裝置，其特征在于 每一路所述變流單元均包括一個交流斷路器、一個PWM整流器單元、一個直流旁路開關(guān)和一個控制單元，所述交流斷路器的輸入端連接所述多繞組變壓器的一個副邊繞組，輸出端連接所述PWM整流器單元的輸入端，所述PWM整流器單元的兩個輸出端之間并聯(lián)所述直流旁路開關(guān)后，與相鄰的所述變流單元中的PWM整流器單元輸出端串聯(lián)，所述PWM整流器單元由所述控制單元控制其工作。
3.如權(quán)利要求1或2所述的無交流電感節(jié)能型高壓直流牽引供電變流裝置，其特征在于每個所述控制單元均由三個數(shù)據(jù)采集單元、一個電流內(nèi)環(huán)控制單元、一個鎖相單元、一個電壓外環(huán)控制單元和一個脈沖產(chǎn)生單元構(gòu)成；第一個所述數(shù)據(jù)采集單元將采集到的所述 PWM整流器單元兩相交流電流傳輸至所述電流內(nèi)環(huán)控制單元，第二個所述數(shù)據(jù)采集單元將采集到的所述多繞組變壓器原邊繞組電壓經(jīng)所述鎖相單元傳輸至所述電流內(nèi)環(huán)控制單元， 第三個所述數(shù)據(jù)采集單元將采集到的所述PWM整流器單元的直流電壓傳輸至所述電壓外環(huán)控制單元內(nèi)；所述電壓外環(huán)控制單元將接收到的直流電壓和預先給定的直流電壓相減并進行PI運算后，得到的電流值輸入所述電流內(nèi)環(huán)控制單元內(nèi)；傳輸至所述電流內(nèi)環(huán)控制單元內(nèi)的各路電壓、電流信號進行坐標變換及PI運算處理后，經(jīng)所述脈沖產(chǎn)生單元轉(zhuǎn)換成驅(qū)動脈動信號后，返回至所述PWM整流器單元實現(xiàn)對PWM整流器單元控制。
4.如權(quán)利要求1或2所述的無交流電感節(jié)能型高壓直流牽引供電變流裝置，其特征在于各所述PWM整流器單元均由功率器件和直流支撐電容組成，每個所述PWM整流器單元均采用兩電平或三電平三相電壓型PWM整流器主電路。
5.如權(quán)利要求3所述的無交流電感節(jié)能型高壓直流牽引供電變流裝置，其特征在于 各所述PWM整流器單元均由功率器件和直流支撐電容組成，每個所述PWM整流器單元均采用兩電平或三電平三相電壓型PWM整流器主電路。
6.如權(quán)利要求4所述的無交流電感節(jié)能型高壓直流牽引供電變流裝置，其特征在于 所述功率器件采用IGBT功率模塊，所述直流支撐電容采用金屬薄膜電容。
7.如權(quán)利要求5所述的無交流電感節(jié)能型高壓直流牽引供電變流裝置，其特征在于 所述功率器件采用IGBT功率模塊，所述直流支撐電容采用金屬薄膜電容。
8.實現(xiàn)如權(quán)利要求1 7任意一項所述無交流電感節(jié)能型高壓直流牽引供電變流裝置的控制方法，其包括如下步驟(1)首先在電壓外環(huán)控制單元內(nèi)進行電壓外環(huán)控制，由第三個數(shù)據(jù)采集單元采集PWM 整流器單元的直流電壓Udc，并傳輸至電壓外環(huán)控制單元內(nèi)，與預先直流給定電壓Ud:相減， 其差值進行PI運算，得到電流內(nèi)環(huán)控制單元的d軸電流給定值i/ ；(2)由第二個數(shù)據(jù)采集單元采集多繞組變壓器原邊繞組電壓互感器輸出的兩相交流電網(wǎng)電壓 和％，并由鎖相單元進行鎖相，得到電網(wǎng)電壓同步角θ ；(3)由第一個數(shù)據(jù)采集單元將PWM整流器的兩相交流電流、和ib采集后輸入電流內(nèi)環(huán)控制單元，將其轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標系下得到id和、；(4)將同步旋轉(zhuǎn)坐標系下得到的d、q軸電流id和i,分別與電流給定值i/和相減并進行PI運算，得到同步旋轉(zhuǎn)坐標系下脈寬調(diào)制電壓Ud、Uq ；(5)將同步旋轉(zhuǎn)坐標系電壓UdWtl轉(zhuǎn)換到靜止坐標系后輸入脈沖產(chǎn)生單元，采用三電平空間矢量脈寬調(diào)制算法產(chǎn)生各IGBT開關(guān)管的PWM脈沖信號，實現(xiàn)對PWM整流器單元的控制。
9.如權(quán)利要求8所述的無交流電感節(jié)能型高壓直流牽引供電變流控制方法，其特征在于各所述PWM整流器單元均采用基于同步旋轉(zhuǎn)坐標系的矢量控制方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種無交流電感節(jié)能型高壓直流牽引供電變流裝置及控制方法，它包括一臺多繞組變壓器和若干路變流單元，所述多繞組變壓器由一個原邊繞組和多個副邊繞組組成，所述變流單元的路數(shù)與所述多繞組組變壓器的副邊繞組個數(shù)呈對應(yīng)設(shè)置；所述多繞組變壓器的原邊繞組連接交流電網(wǎng)，所述多繞組變壓器的每個副邊繞組連接一個所述變流單元的輸入端，各所述變流單元的輸出端順次串聯(lián)實現(xiàn)高壓直流輸出。本發(fā)明節(jié)約電能，并能保證直流供電電壓穩(wěn)定，延長供電距離，降低接觸網(wǎng)損耗。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)中。
文檔編號H02M7/219GK102299646SQ20111026186
公開日2011年12月28日 申請日期2011年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月6日
發(fā)明者張鋼, 柴建云, 牟富強 申請人:北京千駟馭電氣有限公司, 清華大學