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CN108288859B - 非对称的隔离型二重化串联再生制动能馈装置及控制方法 - Google Patents

非对称的隔离型二重化串联再生制动能馈装置及控制方法 Download PDF

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CN108288859B CN201810017773.9A CN201810017773A CN108288859B CN 108288859 B CN108288859 B CN 108288859B CN 201810017773 A CN201810017773 A CN 201810017773A CN 108288859 B CN108288859 B CN 108288859B
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Abstract

本发明公开了一种非对称的隔离型二重化串联再生制动能馈装置及控制方法，非对称隔离型二重化串联再生制动能馈装置由一台与电网连接的三绕组变压器、两组直流侧串联的三相全桥变流器构成。两组三相全桥变流器根据功率器件的电压等级选取不同的并网电压，并通过控制算法控制直流侧串联的上下两组变流器的直流母线电压按照一定比例系数分配稳定，保证上下两组不同电压等级的功率器件都工作在安全区。同时可利用低电压等级功率器件开关损耗低的特点，提高其开关频率实现对电网谐波的精确补偿。本发明的益处是，提高了功率器件的电压利用率及装置整体转换效率，降低了系统成本。

Description

非对称的隔离型二重化串联再生制动能馈装置及控制方法
技术领域
本发明涉及一种非对称的隔离型二重化串联再生制动能馈装置及控制方法，属于隔离型二重化变流器领域。
背景技术
进入20世纪90年代，我国城市轨道交通进入快速发展期，在国家方针政策的正确引导下，显现出强力的后发之势。进入21世纪以来，大城市交通问题日益严重，城市轨道交通因客运量大、占地少、舒适安全等诸多优点，成为解决大城市交通问题的最优选择，我国城市轨道交通已经进入了快速发展阶段。
城市轨道交通站间距离较短，站数量多，因而列车起动、制动频繁，目前车辆已普遍采取再生电制动，再生电制动时牵引电机运行在发电模式，向牵引网回馈再生能量，此部分能力若不能被线上其他车辆消耗就会导致母线电压抬升。为了控制设备的安全，目前主要由制动电阻将制动能量转化为热能和被空气制动消耗。电阻制动控制方式虽然简单，但这种方式不仅造成能量的浪费，大量的热能也会抬升隧道温度，又增加地铁通风散热装置的能耗，增加地下站内空调系统负荷，增加运行费用。因此，制动能量合理回收利用能够实现能量的合理循环利用，节约地铁运营成本，对于响应国家节能减排的要求，建设绿色城市轨道交通有着非常积极的作用。
发明内容
为了解决母线电压的升高问题，同时将机车制动再生能量回馈到电网，减少电阻制动导致的能源浪费。为了保证输出功率相同的情况下，能够减少硬件成本，同时降低功率器件的损耗，采用非对称的隔离型二重化串联再生制动能馈装置，提高功率器件电压等级为1200V的变流器Ⅱ的开关频率，对电网高次谐波进行精确补偿，本发明提供了一种非对称的隔离型二重化串联再生制动能馈装置及控制方法，提高了功率器件的电压利用率及装置整体转换效率，降低了系统成本。
一种非对称的隔离型二重化串联再生制动能馈装置，应用于再生制动能馈变流器系统中，所述再生制动能馈装置包括三绕组并网变压器、两组三相全桥变流器、直流牵引网及交流电网。其中：两组三相全桥变流器直流侧串联连接，串联后的总直流母线与直流牵引网连接；两组三相全桥变流器的交流输出分别与三绕组并网变压器的副边两个绕组连接；三绕组并网变压器的原边与回馈交流并网电网连接。
进一步的，所述三绕组并网变压器原边额定电压为0.4kV、1.18kV、10kV或35kV；所述三绕组并网变压器副边两绕组额定电压不一致，分别为600V和400V。
进一步的，所述上下两组串联三相全桥变流器主回路的功率开关器件IGBT选用不同的开关控制频率。
为了减少硬件成本，同时降低功率器件的损耗，上下两组三相全桥变流器主回路的功率器件开关分别选用不同电压等级的IGBT。
所述非对称的隔离型二重化串联再生制动能馈装置不同电压等级的IGBT具体为上组三相全桥变流器功率开关器件选用1700V电压等级IGBT，下组三相全桥变流器功率开关器件选用1200V电压等级IGBT。
基于上述硬件结构，本发明提供了一种控制方法：
一种非对称的隔离型二重化串联再生制动能馈装置控制方法，包括以下步骤：
步骤一，两组三相全桥变流器根据功率器件的电压等级选取不同的并网电压；
步骤二，能馈工作时通过电压外环控制总母线电压稳定在恒定值，同时利用分压比例系数a和(1-a)控制总母线电压按照设定比例分压在两组变流器的直流侧，确保上下两组三相全桥变流器工作在安全区；
步骤三，所述分压比例系数a的计算如下：
Figure BDA0001542521990000031
其中U1n为三相全桥变流器I交流额定并网电压，U2n为三相全桥变流器Ⅱ交流额定并网电压，L1为三相全桥变流器I并网电感，L2为三相全桥变流器Ⅱ并网电感，I1n为三相全桥变流器I交流额定电流，I2n为三相全桥变流器Ⅱ交流额定电流；
步骤四，所述三相全桥变流器I的直流电压目标给定值Udc1_ref＝a*(Udc1+Udc2)，三相全桥变流器Ⅱ的直流电压目标给定值Udc2_ref＝(1-a)*(Udc1+Udc2)，Udc1为三相全桥变流器I的输出电压，Udc2为三相全桥变流器Ⅱ的输出电压。
所述非对称的隔离型二重化串联再生制动能馈装置控制方法，应用于地铁1500V直流牵引网，根据谐波补偿指令，控制提高功率器件电压等级为1200V的变流器Ⅱ的开关频率，实现对电网高次谐波进行精确补偿。
本发明的有益效果是：保证输出功率相同的情况下，提高了功率器件的电压利用率及装置整体转换效率，降低了系统成本。
附图说明
图1为常规对称的隔离型二重化串联再生制动能馈装置拓扑结构图；
图2为本发明非对称的隔离型二重化串联再生制动能馈装置拓扑结构图；
图3为本发明非对称隔离型二重化串联再生制动能馈装置直流电压及均压控制框图；
图4为本发明控制方法下两组直流侧电压与总电压波形图；
图5a为本发明中三相全桥变流器I的ab线电压与三相电流波形图；
图5b为本发明中三相全桥变流器Ⅱ的ab线电压与三相电流波形图；
图6为本发明与现有常规方案主回路功率器件的总损耗对比图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图，同时为了便于说明，以非对称的隔离型二重化串联再生制动能馈装置拓扑为例，对本发明作进一步说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，为现有技术公开的传统的隔离型二重化串联再生制动能馈装置拓扑结构图，其上下两组三相变流器的直流母线电压相等，功率开关器件电压等级相同，输出交流电压相等，上下主回路参数完全一致；
如图2所示，为本发明所提出的非对称隔离型二重化串联再生制动能馈装置拓扑结构图。主要由三绕组并网变压器、两组三相全桥变流器、1500V直流牵引网及交流电网组成。其中：两组三相全桥变流器直流侧串联连接，串联后的总直流母线与1500V直流牵引网连接；两组三相全桥变流器的交流输出分别与三绕组并网变压器的副边两个绕组连接；三绕组并网变压器的原边与回馈交流并网电网连接；所述上下两组三相全桥变流器的交流并网电压分别为600V和400V；所述回馈交流电网电压等级为0.4kV、1.18kV、10kV或35kV。
如图3所示，为非对称的隔离型二重化串联再生制动能馈装置直流电压及均压控制框图。具体实现包括以下步骤：
步骤一，两组三相全桥变流器根据功率器件的电压等级选取不同的并网电压；
步骤二，能馈工作时通过电压外环控制总母线电压稳定在恒定值，同时利用分压比例系数a和(1-a)控制总母线电压按照设定比例分压在两组变流器的直流侧，确保上下两组三相全桥变流器工作在安全区；
步骤三，所述分压比例系数a的计算如下：
Figure BDA0001542521990000051
其中U1n为变流器I交流额定并网电压，U2n为三相全桥变流器Ⅱ交流额定并网电压，L1为三相全桥变流器I并网电感，L2为三相全桥变流器Ⅱ并网电感，I1n为三相全桥变流器I交流额定电流，I2n为三相全桥变流器Ⅱ交流额定电流；
步骤四，所述三相全桥变流器I的直流电压目标给定值Udc1_ref＝a*(Udc1+Udc2)，三相全桥变流器Ⅱ的直流电压目标给定值Udc2_ref＝(1-a)*(Udc1+Udc2)。
同时可根据现场需求，根据谐波补偿指令，控制提高功率器件电压等级为1200V的三相全桥变流器Ⅱ的开关频率，实现对电网高次谐波进行精确补偿。
如图4所示，为本发明控制方法下三相全桥变流器I与三相全桥变流器Ⅱ直流母线电压及其总母线电压稳态波形。三相全桥变流器I的直流母线电压稳定在1020V左右，三相全桥变流器Ⅱ的直流母线电压稳定在700V，总直流母线电压稳定在1720V。
如图5a-图5b所示，为本发明控制方法下三相全桥变流器I的ab线电压与三相电流、三相全桥变流器Ⅱ的ab线电压与三相电流波形。图5a为变流器I的ab线电压与三相电流波形，uab1为三相全桥变流器I的ab线电压，输出交流电压为600VAC；图5b为三相全桥变流器Ⅱ的ab线电压与三相电流波形，uab2为三相全桥变流器Ⅱ的ab线电压，输出交流电压为400VAC。
如图6所示，在功率相同的情况下，本发明与常规隔离型二重化串联再生制动能馈装置功率器件损耗对比图，可以看出采用本发明方案功率器件总损耗降低了大约17％。
综上所述，采取本发明的非对称的隔离型二重化再生制动能馈装置及控制方法，保证输出功率相同的情况下，提高了功率器件的电压利用率及装置整体转换效率，降低了系统成本。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种非对称的隔离型二重化串联再生制动能馈装置，其特征在于，包括三绕组并网变压器、两组三相全桥变流器、直流牵引网及交流电网；其中：
所述两组三相全桥变流器直流侧串联连接，串联后的总直流母线与直流牵引网连接，三绕组并网变压器原边额定电压为0.4kV、1.18kV、10kV或35kV；三绕组并网变压器副边两绕组额定电压不一致，分别为600V和400V；
所述两组三相全桥变流器的交流输出分别与三绕组并网变压器的副边两个绕组连接；所述三绕组并网变压器的原边与回馈交流并网电网连接，两组三相全桥变流器主回路的功率器件开关分别选用不同电压等级和不同开关控制频率的IGBT，作为上组三相全桥变流器功率开关器件的IGBT选用1700V电压等级，作为下组三相全桥变流器功率开关器件的IGBT选用1200V电压等级。
2.基于权利要求1所述非对称的隔离型二重化串联再生制动能馈装置的控制方法，其特征在于，包括：
两组三相全桥变流器根据功率器件的电压等级选取不同的并网电压；
能馈工作时通过电压外环控制总母线电压稳定在恒定值，同时利用分压比例系数a和1-a控制总母线电压按照设定比例分压在两组变流器的直流侧，确保上下两组三相全桥变流器工作在安全区。
3.根据权利要求2所述的非对称的隔离型二重化串联再生制动能馈装置的控制方法，其特征在于，所述分压比例系数a的计算如下：
Figure FDA0003274748860000011
其中U1n为变流器Ⅰ交流额定并网电压，U2n为三相全桥变流器Ⅱ交流额定并网电压，L1为变流器Ⅰ并网电感，L2为三相全桥变流器Ⅱ并网电感，I1n为三相全桥变流器Ⅰ交流额定电流，I2n为三相全桥变流器Ⅱ交流额定电流。
4.根据权利要求3所述的非对称的隔离型二重化串联再生制动能馈装置的控制方法，其特征在于，三相全桥变流器Ⅰ的直流电压目标给定值Udc1_ref＝a*(Udc1+Udc2),三相全桥变流器Ⅱ的直流电压目标给定值Udc2_ref＝(1-a)*(Udc1+Udc2),其中Udc1为三相全桥变流器Ⅰ的输出电压，Udc2为三相全桥变流器Ⅱ的输出电压。
5.根据权利要求3所述非对称的隔离型二重化串联再生制动能馈装置的控制方法，其特征在于，根据谐波补偿指令，控制提高功率器件电压等级为1200V的三相全桥变流器Ⅱ的开关频率，对电网高次谐波进行精确补偿。
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