CN110661297A - 一种高速铁路再生制动能量回馈***及其控制方法 - Google Patents

一种高速铁路再生制动能量回馈***及其控制方法 Download PDF

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陈俊宇
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    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
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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

一种高速铁路再生制动能量回馈***及其控制方法
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，
Figure BDA0002243847790000021
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 *，
Figure BDA0002243847790000022
Figure BDA0002243847790000023
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 *’，
Figure BDA0002243847790000051
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 *，
Figure BDA0002243847790000053
Figure BDA0002243847790000054
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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