CN110661297A - 一种高速铁路再生制动能量回馈***及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速铁路再生制动能量回馈***及其控制方法,***结构为:V/x接线牵引变压器T的左供电臂连接到左侧多绕组降压变压器T1的初级,T1的n个次级绕组分别连接到左侧n个四象限变流器的输入端,正、负极输出端分别并联后连接到正、负极直流母线D1和D2;右侧与其类似;三相并网逆变器N的正、负极输入端,支撑电容C的两端均分别连接到D1和D2;N的输出端通过LCL滤波器F连接到并网升压变压器T3的初级,T3的次级连接到10kV配电网的进线端。本发明的有益效果在于,有效利用高铁列车在制动过程中产生的再生制动能量,根据再生制动工况与负载功率实现动态能量回馈,为10kV配电网负荷提供电能,提高了再生能量的利用率,减轻了10kV配电网压力。
Description
技术领域
本发明涉及牵引供电***领域,特别是一种高速铁路再生能量回馈***及其控制方法。
背景技术
高速铁路具有速度快、运量大、安全性好等优点,近年来得到了迅速发展。高速动车组在制动过程中,优先采用再生制动的方式,即将电机的工作模式由牵引耗电模式改变为制动发电模式,将动车组的动能转变为电能实现动车的制动。再生制动方式的机械磨损小,制动更平稳,尤其适用于非紧急制动。这种制动方式会产生电能(再生能量)。当前,这部分再生能量较好的处理方式是:(1)被牵引***同一供电臂上处于牵引工况(非再生工况)的另一动车组利用,但同一供电臂上刚好有另一处于牵引工况的动车组的几率不高,其利用率有待提高。(2)以热能的形式被制动电阻消耗;这种方式既浪费能源、还会导致车体发热、降低乘车的舒适性。(3)通过牵引变压器直接返送回高压电力***,但会使电力***的三相不平衡、产生谐波电流,导致电能质量下降。(4)回馈型再生制动能量回收,其作法是,将单相整流器、三相逆变器接于各供电臂,各供电臂上的再生制动能量通过单相整流、三相逆变后,同时回馈到其他电压等级(10kV、35kV)配电网的三相,解决了回馈电能三相不平衡的问题。但其相邻供电臂无法进行能量流通,每一供电臂均需一套单相整流器、三相逆变器,其结构、控制复杂,成本高,且无助于牵引变压器高压侧的高压电力***由机车负载造成的三相不平衡、谐波的消除。
发明内容
本发明的目的是提供一种高速铁路再生制动能量回馈***及其控制方法,该***对高铁列车再生制动能量的利用率高、结构简单、控制容易,成本低,且有利于牵引变压器高压侧的高压电力***由机车负载造成的三相不平衡和谐波的消除,并且对高铁列车再生制动能量的利用率高。
实现本发明目的所采用的技术方案如下:
一种高速铁路再生制动能量回馈***,
V/x接线牵引变压器T的左供电臂连接到左侧多绕组降压变压器T1的初级,T1的n个次级绕组分别连接到左侧n个四象限变流器的输入端;左侧n个四象限变流器的正极输出端并联后连接到正极直流母线D1,负极输出端并联后连接到负极直流母线D2;T的右供电臂连接到右侧多绕组降压变压器T2的初级,T2的n个次级绕组分别连接到右侧n个四象限变流器的输入端;右侧n个四象限变流器的正极输出端并联后连接到D1,负极输出端并联后连接到D2;三相并网逆变器N的正极输入端和负极输入端分别连接到D1和D2;支撑电容C的两端分别连接到D1和D2;N的输出端通过LCL滤波器F连接到并网升压变压器T3的初级,T3的次级连接到10kV配电网的进线端。
上述高速铁路再生制动能量回馈***的控制方法,包括步骤
a、采集左供电臂和右供电臂的瞬时电压和电流,得到左供电臂瞬时功率PL和右供电臂瞬时功率PR,进而得到左、右供电臂功率之和P=PL+PR;采集10kV配电网出线端的瞬时电压和电流,得到10kV负载瞬时功率PLOAD;采集并网升压变压器T3的初级的瞬时电压,经abc/dq0坐标系变换得到瞬时电压在dq0坐标系下的d轴电压分量ud和q轴电压分量uq;采集三相并网逆变器N的输出端的瞬时电流,经abc/dq0坐标系变换得到瞬时电流在dq0坐标系下的d轴电流分量id和q轴电流分量iq;
b、由P和PLOAD,通过下式得到参考回馈功率PF,
式中,PFM为设定的最大回馈功率;
c、由PF、ud和uq,计算出三相并网逆变器N的输出端的电流参考值在dq0坐标系下的d轴电流参考值分量id *和q轴电流参考值分量iq *,
式中,icd、icq为LCL滤波器F的电容电流在dq0坐标系下的分量;
d、将id *与id相减得到d轴分量差值,将iq *与iq相减得到q轴分量差值;将d轴分量差值和q轴分量差值分别进行PI调制后,得到三相并网逆变器N的调制信号在dq0坐标系下的d轴调制信号分量Ud和q轴调制信号分量Uq;
e、通过dq0/αβ0坐标变换,将Ud和Uq分别变换得到三相并网逆变器N的调制信号在αβ0坐标系下的α轴调制信号分量Uα和β轴调制信号分量Uβ;对Uα和Uβ进行空间矢量脉宽调制,得到三相并网逆变器N的6路开关信号,对三相并网逆变器N进行控制。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
(1)两供电臂上的再生制动能量通过四象限变流器进行均衡,被处于牵引工况的动车组利用后,将剩余再生能量按所设计方案通过直流母线回馈至10kV配电网进线端,提高了再生制动能量利用效率;
(2)两供电臂共用一套回馈装置,结构简单,控制容易,成本低;
(3)通过设计回馈方案,根据再生功率与10kV负荷功率实现按负荷需求准确回馈,对10kV配电网冲击小。
附图说明
图1为V/x接线牵引变压器下高速铁路再生制动能量回馈***拓扑结构示意图;
图2为高速铁路再生制动能量回馈***控制原理图;
图3为四种典型运行工况下***能量流动示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步说明。
图1为V/x界限牵引变压器下高速铁路再生制动能量回馈***拓扑结构示意图。
回馈装置包括:多重四象限变流器(B)、三相并网逆变器(N)以及LCL滤波器(F),每个部分均采用集装箱安装。其中,多重四象限变流器(B)采用多组四象限变流器并联,提升了输出功率;三相并网逆变器(N)以10kV配电网电压为标准,将输入端直流电变换为输出端三相交流电,实现直流电单位功率因数逆变;LCL滤波器(F)位于三相并网逆变器(N)与并网升压变压器(T3)之间,滤除三相并网逆变器(N)输出电流的谐波。
***具体连接方式为:
V/x接线牵引变压器(T)的左供电臂连接到左侧多绕组降压变压器(T1)的初级,左侧多绕组降压变压器(T1)的次级绕组与左侧多重四象限变流器(B)中对应的左侧四象限变流器(Bi)的输入端相连;所有的左侧四象限变流器的(B)正极输出端并联后与正极直流母线(D1)相连,所有的左侧四象限变流器的(B)负极输出端并联后与负极直流母线(D2)相连;
V/x接线牵引变压器(T)的右供电臂连接到右侧多绕组降压变压器(T2)的初级,右侧多绕组降压变压器(T2)的次级绕组与右侧多重四象限变流器(B)中对应的右侧四象限变流器(Bi)的输入端相连;所有的右侧四象限变流器的(B)正极输出端并联后与正极直流母线(D1)相连,所有的右侧四象限变流器的(B)负极输出端并联后与负极直流母线(D2)相连;
正极直流母线(D1)、负极直流母线(D2)分别与三相并网逆变器(N)的正极输入端、负极输入端相连,且正极直流母线(D1)、负极直流母线(D2)之间连有支撑电容(C);三相并网逆变器(N)的输出端通过LCL滤波器(F)与并网升压变压器(T3)的初级相连,升压变压器(T3)的次级连接10kV配电网的进线端。
上述高速铁路再生制动能量回馈***的控制方法,其控制框图如图2所示。
a、采集控制方法所需瞬时电气量并进行计算或变换处理,具体过程为,
需采集的瞬时电气量包括:左供电臂和右供电臂的电压和电流、10kV配电网出线端的电压和电流、并网升压变压器进线端的电压、LCL滤波器电容电流;
计算处理包括:由左供电臂和右供电臂的瞬时电压和电流计算得到左供电臂功率PL、右供电臂功率PR,进而得到左右供电臂功率和P,P=PL+PR,由10kV配电网出线端的电压和电流,计算得到10kV负载功率PLOAD;
变换处理包括:并网升压变压器进线端的电压,经abc-dq0坐标系变换得到并网升压变压器进线端电压在dq0坐标系下的d轴电压分量ud、q轴电压分量uq;三相并网逆变器输出侧电流,经abc/dq0坐标系变换得到三相并网逆变器输出侧电流在dq0坐标系下的d轴电流分量id、q轴电流分量iq;LCL滤波器电容电流,经abc-dq0坐标系变换得到LCL滤波器电容电流在dq0坐标系下的d轴电压分量icd、q轴电压分量icq;
b、确定***运行工况,得到该运行工况下的参考回馈功率,具体过程为,
确定***运行工况所需参考量包括:左右供电臂功率之和P、10kV负载瞬时功率PLOAD和最大回馈功率PFM,其中PFM根据设备安装实际情况给定。
***设有四种典型工况,各典型工况及其参考回馈功率包括:
1)典型工况1:经功率平衡后两供电臂机车总功率P>0,无再生制动能量剩余,因此10kV负荷所需功率全部由10kV配电网提供,参考回馈功率PF=0,该工况下能量流动图如图3(a)所示;
2)典型工况2:经功率平衡后两供电臂机车总功率P<0,有再生制动能量剩余,10kV负荷功率在最大回馈功率范围内即PLOAD<PFM,且剩余再生制动功率满足10kV负荷全部功率需求即PLOAD<-P(或10kV负荷功率在最大回馈功率范围外即PLOAD>PFM,且剩余再生制动功率不满足最大回馈功率需求即-P<PFM),因此10kV负荷所需功率可全部由回馈装置提供,参考回馈功率PF=PLOAD,该工况下能量流动图如图3(b)所示;
3)典型工况3:经功率平衡后两供电臂机车总功率P<0,有再生制动能量剩余,10kV负荷功率在最大回馈功率范围内即PLOAD<PFM,且剩余再生制动功率满足10kV负荷部分功率需求即PLOAD>-P,因此10kV负荷所需功率部分由回馈装置提供,参考回馈功率PF=-P,该工况下能量流动图如图3(c)所示;
4)典型工况4:经功率平衡后两供电臂机车总功率P<0,有再生制动能量剩余,10kV负荷功率在最大回馈功率范围外即PLOAD>PFM,且剩余再生制动功率满足最大回馈功率需求即-P>PFM,因此10kV负荷所需功率部分由回馈装置提供,参考回馈功率PF=PFM,该工况下能量流动图如图3(d)所示;
c、计算三相并网逆变器输出侧电流参考值在dq0坐标系下的d轴电流参考值分量id *和q轴电流参考值分量iq *,具体过程为,
计算所需参考量包括:参考回馈功率PF、并网升压变压器进线端电压在dq0坐标系下的d轴电压分量ud和q轴电压分量uq、LCL滤波器电容电流在dq0坐标系下的d轴电压分量icd和q轴电压分量icq;
如图2中“参考电流计算”所示,计算步骤包括:
引入电容电流前馈之前,计算三相并网逆变器输出侧电流参考值在dq0坐标系下的d轴电流参考值分量id *’和q轴电流参考值分量iq *’,
引入电容电流前馈之后,计算三相并网逆变器输出侧电流参考值在dq0坐标系下的d轴电流参考值分量id *和q轴电流参考值分量iq *,
d、计算三相并网逆变器调制信号在dq0坐标系下的d轴调制信号分量Ud与q轴调制信号分量Uq,具体过程如下;
计算所需参考量包括:三相并网逆变器输出侧电流参考值在dq0坐标系下的d轴电流参考值分量id *和q轴电流参考值分量iq *,三相并网逆变器输出侧电流在dq0坐标系下的d轴电流分量id和q轴电流分量iq;
如图2中“电流环”所示,计算步骤包括:
将三相并网逆变器输出侧电流参考值在dq0坐标系下的d轴电流参考值分量id *与三相并网逆变器输出侧电流在dq0坐标系下的d轴电流分量id相减得到d轴分量差值;
将三相并网逆变器输出侧电流参考值在dq0坐标系下的q轴电流参考值分量iq *与三相并网逆变器输出侧电流在dq0坐标系下的q轴电流分量iq相减得到q轴分量差值;
将d轴分量差值、q轴分量差值作为PI调节器的输入,经PI调节器调制后得到三相并网逆变器调制信号在dq0坐标系下的d轴调制信号分量Ud与q轴调制信号分量Uq;
e、采用空间矢量脉宽调制技术产生开关信号,进而控制三相并网逆变器产生与参考回馈功率PF相对应的输出电流,具体过程为,
如图2中“脉冲波产生”所示,计算步骤包括:
通过dq0/αβ0坐标变换,将三相并网逆变器调制信号在dq0坐标系下的d轴调制信号分量Ud与q轴调制信号分量Uq变换得到三相并网逆变器调制信号在αβ0坐标系下的α轴调制信号分量Uα和β轴调制信号分量Uβ;
对三相并网逆变器调制信号在αβ0坐标系下的α轴调制信号分量Uα和β轴调制信号分量Uβ进行空间矢量脉宽调制得到三相并网逆变器的6路开关信号,进而控制三相并网逆变器产生出对应的输出电流。
Claims (2)
1.一种高速铁路再生制动能量回馈***,其特征在于,
V/x接线牵引变压器T的左供电臂连接到左侧多绕组降压变压器T1的初级,T1的n个次级绕组分别连接到左侧n个四象限变流器的输入端;左侧n个四象限变流器的正极输出端并联后连接到正极直流母线D1,负极输出端并联后连接到负极直流母线D2;
T的右供电臂连接到右侧多绕组降压变压器T2的初级,T2的n个次级绕组分别连接到右侧n个四象限变流器的输入端;右侧n个四象限变流器的正极输出端并联后连接到D1,负极输出端并联后连接到D2;
三相并网逆变器N的正极输入端和负极输入端分别连接到D1和D2;支撑电容C的两端分别连接到D1和D2;N的输出端通过LCL滤波器F连接到并网升压变压器T3的初级,T3的次级连接到10kV配电网的进线端。
2.如权利要求1所述的一种高速铁路再生制动能量回馈***的控制方法,其特征在于,包括步骤
a、采集左供电臂和右供电臂的瞬时电压和电流,得到左供电臂瞬时功率PL和右供电臂瞬时功率PR,进而得到左、右供电臂功率之和P=PL+PR;
采集10kV配电网出线端的瞬时电压和电流,得到10kV负载瞬时功率PLOAD;
采集并网升压变压器T3的初级的瞬时电压,经abc/dq0坐标系变换得到瞬时电压在dq0坐标系下的d轴电压分量ud和q轴电压分量uq;
采集三相并网逆变器N的输出端的瞬时电流,经abc/dq0坐标系变换得到瞬时电流在dq0坐标系下的d轴电流分量id和q轴电流分量iq;
b、由P和PLOAD,通过下式得到参考回馈功率PF,
或PLOAD>PFM且-P<PFM
式中,PFM为设定的最大回馈功率;
c、由PF、ud和uq,计算出三相并网逆变器N的输出端的电流参考值在dq0坐标系下的d轴电流参考值分量id *和q轴电流参考值分量iq *,
式中,icd、icq为LCL滤波器F的电容电流在dq0坐标系下的分量;
d、将id *与id相减得到d轴分量差值,将iq *与iq相减得到q轴分量差值;
将d轴分量差值和q轴分量差值分别进行PI调制后,得到三相并网逆变器N的调制信号在dq0坐标系下的d轴调制信号分量Ud和q轴调制信号分量Uq;
e、通过dq0/αβ0坐标变换,将Ud和Uq分别变换得到三相并网逆变器N的调制信号在αβ0坐标系下的α轴调制信号分量Uα和β轴调制信号分量Uβ;
对Uα和Uβ进行空间矢量脉宽调制,得到三相并网逆变器N的6路开关信号,对三相并网逆变器N进行控制。
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