一种基于功率融通型的地铁牵引供电系统及控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于功率融通型的地铁牵引供电系统，包括功率融通装置，功率融通装置包括控制单元、两个单相变压器、两个全桥电路和一个中间电容，两个全桥电路形成背靠背结构形式且共用中间电容，两个全桥电路的交流输出端分别与两个单相变压器的副边相连，两个单相变压器原边的一端分别与三相电网中的两相相连，两个单相变压器原边的另一端则与三相电网的第三相相连，控制单元与全桥电路相连，用于控制全桥电路的输出电流以实现正常供电、能量回馈以及三相电网的功率平衡。本发明的供电系统具有结构简单、功能全面等优点。本发明的控制方法，则通过调整全桥电路的输出电流以实现功率融通装置的不同工作模式，具有操作简便、易于实现等优点。
【专利说明】
一种基于功率融通型的地铁牵引供电系统及控制方法
技术领域
[0001] 本发明主要涉及轨道交通技术领域，特指一种基于功率融通型的地铁牵引供电系 统及控制方法。
【背景技术】
[0002] 地铁供电中需要提供牵引网直流电压，需要回馈机车制动能量，需要解决三相电 网功率因数低、谐波等电能质量问题。目前采用二极管整流装置实现地铁供电，结构简单、 成本较低，但是直流电压不可控，波动范围大，而且能量只能单向流动，列车再生制动的多 余流量不能够回馈至交流电网，造成能量的浪费。
【发明内容】
[0003] 本发明要解决的技术问题就在于:针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一 种结构简单、功能全面的基于功率融通型的地铁牵引供电系统，并相应提供一种操作简便、 易于实现的基于功率融通型的地铁牵引供电系统的控制方法。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
[0005] -种基于功率融通型的地铁牵引供电系统，其特征在于，包括功率融通装置，所述 功率融通装置包括控制单元、两个单相变压器、两个全桥电路和一个中间电容，两个全桥电 路形成背靠背结构形式且共用中间电容，两个全桥电路的交流输出端分别与两个单相变压 器的副边相连，所述中间电容的两端与地铁牵引供电网相连，两个单相变压器原边的一端 分别与三相电网中的两相相连，两个单相变压器原边的另一端则与三相电网的第三相相 连，控制单元与所述全桥电路相连，用于控制所述全桥电路的输出电流以实现正常供电、能 量回馈以及三相电网的功率平衡。
[0006] 优选地，两个所述全桥电路均为由四个IGBT模块构成的H桥电路。
[0007] 优选地，所述功率融通装置与地铁牵引供电网之间设置有开关，当所述开关闭合 时，所述功率融通装置在四种工作模式之间切换，所述四种工作模式包括正常供电模式、能 量回馈模式、正常供电加治理模式、以及能量回馈加治理模式；当所述开关断开时，所述功 率融通装置则处于治理模式，其中治理模式包括基波正序无功、基波负序和谐波治理的一 种或多种组合。
[0008] 本发明还公开了一种基于功率融通型的地铁牵引供电系统的控制方法，其特征在 于，包括以下步骤：
[0009] (1)获取三相电网目标补偿电流Ici*和IC2*，同时将Udc与Udmf做差得AUdc处理成 基波正序有功分量Imt^PI 2flp*a，作为损耗所需电流及供电需求电流或能量回馈电流，其中 Ud。为中间电容两端的电压，Uorf为目标维持电压;则两个全桥电路的工作指令电流I C1、IC2 由目标补偿电流Iq'Ic/和基波正序有功分量ImP、ImP*a相应叠加而成，如下式： =/a*+/2,> _] 1/ -r + f ^
[^2 -Vl +i2flp a (J).
[0011] (2)将目标补偿电流Iq*和IC2*补偿至三相电网中，此时三相电网电流Ia、Ib、I c等于 三相负载电流Wb、Ib与补偿电流之和，如下式：
[0012] ^ h ~ h + Jc = 4 + h：i (2)； I a = If'.p + I:f\q+ I:n + I.A
[0013] 其中J6='n-,,*?2+心 k /. = I flp * a + IfUj *a + If2 *a2+ lch ⑶?
[0014]式（3)中，IfiP、IfiP*a2、Ifi p*a为A、B、C相基波正序有功分量；Ifiq、Ifiq*a2、Ifiq*a为A、 B、C相基波正序无功分量;If2、If2*a、If2*a2为A、B、C相基波负序分量;I ah、Ibh、Ich分别为三相 负载电流谐波分量，a为复数算子，a = d12()°，其中l+a+a2 = 0;
[0015]通过全桥电路对三相电网目标补偿电流IC1*和IC2*进行调整，以实现正常供电、能 量回馈、正常供电时进行电能治理、能量回馈时进行电能治理、或者单独电能治理；其中电 能治理包括基波正序无功、基波负序和谐波治理的一种或多种组合。
[0016] 优选地，在步骤(2)中，当处于正常供电或能量回馈时，所述IC，和IV为零，所述IC1 和IC2如下式： r n ^ci ~ h fip "、
[0017] (4)
[h'2 - hfu：" a
[0018]当Iq与A相网压同相位时，能量从三相电网经功率融通装置流向地铁牵引供电网； [0019]当Iq与A相网压反相位时，能量从地铁牵引供电网经功率融通装置流向三相电网； [0020]优选地，在步骤(2)中，当I C，和IY为下式时，能够实现基波正序无功、基波负序和 谐波治理， h'i 二―1 ff1 f'q_hh ,c、
[0021] , ? (5); /c2 =~1fi*a"~Iflq*a~hh
[0022]当为下式时，能够实现基波负序治理，
[4；=-/P
[0023] ,卜 7 (7);
[/C2 =-I,2^a2
[0024]当为下式时，能够实现基波负序和基波正序无功治理，
[0025] \ ~ ； ： (8)，
[4/=-
[0026] 当IV和IC/为下式时，能够实现基波负序和谐波治理， Uc* = -in-iah
[0027] \ , (9); l/c，= -//2*?2-/",
[0028]当IC1*和Ic/为下式时，能够实现无功治理，
[0029] fG1 _ ^ (10) |^C2 = _^/l；? ^
[0030] 当Iq*和Ic/为下式时，能够实现谐波治理，
[0031] |/(，t~ lah (11);
[0032]当为下式时，能够实现基波正序无功和谐波治理， 剛 (12X 1毛 D-L
[0034]与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0035]本发明的基于功率融通型的地铁牵引供电系统不仅具有正常供电功能，而且可以 进行能量回馈，另外也能实现三相供电电网的电能治理，功能全面且易于实现，而且功率融 通装置采用单相变压器以及全桥电路构成，其结构简单、成本较低。本发明的基于功率融通 型的地铁牵引供电系统的控制方法同样具有如上系统所述的优点，而且操作简单、功能全 面且易于实现。
【附图说明】
[0036]图1为本发明的结构示意图。
[0037] 图2为功率融通装置在工作模式1和工作模式2时的工作指令电流获取框图；
[0038] 图3为本发明中正常供电时的能量流动框图。
[0039] 图4为本发明中能量回馈时的能量流动框图。
[0040] 图5为本功率融通装置在工作模式3、4、5时的工作指令电流获取框图；
[00411图6为工作模式5时的能量流动框图。
【具体实施方式】
[0042] 以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
[0043] 如图1至图6所示，本实施例的基于功率融通型的地铁牵引供电系统，包括功率融 通装置，其中功率融通装置的一端与外部三相电网相连，另一端则与地铁牵引供电网相连； 功率融通装置包括控制单元、两个单相变压器(如图1中的T1和T2)、两个全桥电路（由四个 IGBT模块构成的H桥电路，H1和H2)和一个中间电容C，两个单相变压器原边的一端分别与三 相电网的两相相连，两个单相变压器原边的另一端则与三相电网的第三相相连（如图1所 示，T1的原边两端分别接三相中的AB两相，T2的原边两端分别接三相中的BC两相），两个单 相变压器的副边分别与两个全桥电路的输入端相连，两个全桥电路的输出端相连，中间电 容与两个全桥电路的输出端并联且其两端连接至地铁牵引供电网的正负馈线;单相变压器 T1和T2用于将三相电网电压降至全桥电路H1和H2工作电压，实现全桥电路与电网的连接； 两个全桥电路用于实现能量流动，中间电容用于提供能量通道;控制单元与全桥电路相连 用于对两全桥电路的输出进行控制，即进行中间电容的输出进行控制，以实现外部供电电 网与地铁牵引供电网之间能量的流动，包括正常供电和能量回馈，另外也可以单独或同时 实现外部三相电网的功率平衡，即实现负序、无功或谐波治理。
[0044] 本发明的基于功率融通型的地铁牵引供电系统不仅具有正常供电功能，而且可以 进行能量回馈，另外也能实现三相供电电网的电能治理，功能全面且易于实现，达到负载侧 和网侧双重治理，而且功率融通装置采用单相变压器以及全桥电路构成，其结构简单、成本 较低。
[0045] 本发明还相应公开了一种基于功率融通型的地铁牵引供电系统的控制方法，如图 1所示，本实施例中，三相电网侧电流为^18、1。，三相负载侧电流为1 3、1^1^因为三相系统 不含有零序分量，所以将负载电流分解为基波正序有功、基波正序无功、基波负序、谐波形 式。如公式(3)所示： h=IflP+If'q+Ifl+Iah
[0046] ^ h = ifh, * ?2 + Iju, *a2 +1f2* a + Ibh h = {tu，* ? + Jfiv * ? + lr- * a2 + ( 3)
[0047] 式（3)中，IfiP、IfiP*a2、Ifip*a为A、B、C相基波正序有功分量；Ifiq、Ifiq*a 2、Ifiq*a为A、 B、C相基波正序无功分量;If2、If2*a、If2*a2为A、B、C相基波负序分量;I ah、Ibh、Ich分别为三相 负载电流谐波分量，a为复数算子，a = d12()°，其中l+a+a2 = 0;
[0048] 在未补偿之前，三相电网电流Ia、Ib、Ic等于三相负载电流Ia、lb、lb，加入补偿后电 网电流为负载电流与补偿电流之和，如下式： ^ A = K + ^C1
[0049] ?= IB = lb + {-/Ci -/(：) )c 二 I.c 今ci (2)
[0050] 当QF闭合时，功率融通装置可以工作在四种模式下：
[00511工作模式1:纯供电模式；
[0052]工作模式2:纯能量回馈模式；
[0053]工作模式3:供电和电能治理模式；
[0054]工作模式4:能量回馈和电能治理模式；
[0055] 当QF断开时，功率融通装置有一种模式，工作模式5:电能治理模式，其中电能治理 模式包括基波正序无功、基波负序和谐波治理中一种或多种组合。
[0056] 其中工作模式1和工作模式2时的功率融通装置工作指令电流Iq和IC2获取框图如 图2所示。图2中Ud。为图1中直流电容C两极Ud。.与Ud。--之间的直流电压，Udmf为目标维持电 压，Ud。与Uref做差得A Ud。后，经过控制单兀的处理，将其变化成基波正序有功分量l2flp和 ImP*a，即分别为功率融通装置工作指令电流IC#PIC2，该分量代表意义为功率融通装置损 耗所需电流及供电需求电流或能量回馈电流，如下式： _ / -/ {lC2~l2f\p U ⑷
[0058] 当功率融通装置在工作模式1时，Iq与A相网压同相位，能量流动如图3所示，从三 相电网经功率融通装置流向地铁牵引网；
[0059] 当功率融通装置在工作模式2时，Ici与A相网压反相位，能量流动如图4所示，从地 铁牵引网经功率融通装置流向三相电网。
[0060] 在工作模式3、工作模式4和工作模式5时，功率融通装置工作指令电流Iq和IC2获 取框图如图5所示。图5中包括一个目标电流分解运算模块，来获取三相电网目标补偿电流 Ici*和IC2*;控制单兀经处理将Udc与Udc_ref做差得A Udc处理成基波正序有功分量l2flp和l2flp* a，功率融通装置工作指令电流Ici、Ic2由目标补偿电流Ici' IC2#和基波正序有功分量l2flp、 l2f ip*a相应叠加而成。如下式： (I.m 二.[cl + I..'2'np I.G2 - h + Aflp (1)
[0062]当目标补偿电流IV和IC/可经目标电流分解运算模块分解得下式5所示： Uci = ~Jfl ~ h \q
[0063] ^ r ? t 、 r * r =-ff2a ~^fiqa~hh (5)
[0064]将(4)、（5)代入(2)中可获得功率融通装置工作后三相电网电流。如下所示： I.A = I flp+ Il.f.lp
[0065] ' h =InP*a2+I2fiP*^ 2 j - / ^ ry j ^ ry a (6)
[0066]从式(6)可见，功率融通装置工作在模式3或4或5中，三相电网中只含有基波正序 有功，效果理想。
[0067]同理，如果目标补偿电流1^和IC/可经目标电流分解运算模块分解成公式(7)、公 式(8)、公式(9)、公式（10)、公式(11)或公式（12)，此时功率融通装置工作在模式3或4或5中 时，将具负序、无功、谐波补偿功能中的一种或两种。
[0068]当Iq，Ic/为下式时，能够实现基波负序治理，
[0069] , " ， (7); |^/C2 ~
[0070]当IqIPIc/为下式时，能够实现基波负序和基波正序无功治理，
[0071] < ^ 0 (8);
[0072]当为下式时，能够实现基波负序和谐波治理， \IC* = -If2-Iah
[0073] \ , (9);
[0074]当Ic，和Ic/为下式时，能够实现无功治理， 剛 a〇)；
[iC2 - 1 f\q U
[0076]当Iq*和Ic/为下式时，能够实现谐波治理，
[0077] \lci~_ lah (11); l'C2 =
[0078]当为下式时，能够实现基波正序无功和谐波治理，
[_ r _ r * , (12)°
[0080] 当功率融通装置在工作模式3中时，式(6)中12_与4相网压同相位，能量流动如图 3所示，从三相电网经功率融通装置流向地铁牵引网；
[0081] 当功率融通装置在工作模式4时，式(6)中I2flp与A相网压反相位，能量流动如图4 所示，从地铁牵引网经装置流向三相电网。
[0082] 当功率融通装置在工作模式5中时，式(6)中12_与4相网压同相位，能量流动如图 5所示，从三相电网经装置流向地铁牵引网。
[0083] 虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领 域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对 本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是 未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、 等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。
【主权项】
1. 一种基于功率融通型的地铁牵引供电系统，其特征在于，包括功率融通装置，所述功 率融通装置包括控制单元、两个单相变压器、两个全桥电路和一个中间电容，两个全桥电路 形成背靠背结构形式且共用中间电容，两个全桥电路的交流输出端分别与两个单相变压器 的副边相连，所述中间电容的两端与地铁牵引供电网相连，两个单相变压器原边的一端分 别与三相电网中的两相相连，两个单相变压器原边的另一端则与三相电网的第三相相连， 控制单元与所述全桥电路相连，用于控制所述全桥电路的输出电流以实现正常供电、能量 回馈以及三相电网的功率平衡。2. 根据权利要求1所述的基于功率融通型的地铁牵引供电系统，其特征在于，两个所述 全桥电路均为由四个IGBT模块构成的Η桥电路。3. 根据权利要求1或2所述的基于功率融通型的地铁牵引供电系统，其特征在于，所述 功率融通装置与地铁牵引供电网之间设置有开关，当所述开关闭合时，所述功率融通装置 在四种工作模式之间切换，所述四种工作模式包括正常供电模式、能量回馈模式、正常供电 加治理模式、以及能量回馈加治理模式；当所述开关断开时，所述功率融通装置则处于治理 模式，其中治理模式包括基波正序无功、基波负序和谐波治理的一种或多种组合。4. 一种基于功率融通型的地铁牵引供电系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤： ⑴获取三相电网目标补偿电流Iq*和Ic/，同时将Udc与Udo做差得AUdc处理成基波正 序有功分量l2flt^PI2flp*a，作为损耗所需电流及供电需求电流或能量回馈电流，其中U dc为 中间电容两端的电压，Udmf为目标维持电压;则两个全桥电路的工作指令电流Iq、IC2由目 标补偿电流lei'和基波正序有功分量l2flp、l2flp*a相应叠加而成，如下式：(〇; (2)将目标补偿电流Iq*和IC2*补偿至三相电网中，此时三相电网电流1^18、1。等于三相 负载电流Wb、Ib与补偿电流之和，如下式：式（3)中，IfiP、IfiP*a2、Ifip*a为A、B、C相基波正序有功分量；Ifiq、Ifiq*a 2、Ifiq*a为A、B、C 相基波正序无功分量；If2、If2*a、If2*a2为A、B、C相基波负序分量；I ah、Ibh、Ich分别为三相负 载电流谐波分量，α为复数算子，a = ，其中1 +α+α2 = 0; 通过全桥电路对三相电网目标补偿电流Ic，和Ic，进行调整，以实现正常供电、能量回 馈、正常供电时进行电能治理、能量回馈时进行电能治理、或者单独电能治理;其中电能治 理包括基波正序无功、基波负序和谐波治理的一种或多种组合。5. 根据权利要求4所述的基于功率融通型的地铁牵引供电系统的控制方法，其特征在 于， 在步骤(2)中，当处于正常供电或能量回馈时，所述IC/和Id为零，所述IC1和IC2如下式：(4：) 当IC1与A相网压同相位时，能量从三相电网经功率融通装置流向地铁牵引供电网； 当IC1与A相网压反相位时，能量从地铁牵引供电网经功率融通装置流向三相电网。6.根据权利要求5所述的基于功率融通型的地铁牵引供电系统的控制方法，其特征在 于，在步骤(2)中，当IV和IC/为下式时，能够实现基波正序无功、基波负序和谐波治理，当Ic/和Id为下式时，能够实现基波负序治理，(7)； 当Ic/和Id为下式时，能够实现基波负序和基波正序无功治理，当Ic/和Id为下式时，能够实现基波负序和谐波治理，(9) ； 当Ic/和Id为下式时，能够实现无功治理，(10) ; 当Ic/和Id为下式时，能够实现谐波治理，(11)； 当Ic/和Id为下式时，能够实现基波正序无功和谐波治理，(12),
【文档编号】H02J3/26GK105958506SQ201610363997
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】涂绍平, 龙礼兰, 周方圆, 龚芬, 邱文俊, 吴明水, 唐建宇, 李幼保, 杨鸣远, 文韬, 黄燕艳, 罗仁俊, 张敏, 朱建波, 吕顺凯, 邓明, 张典, 胡前
【申请人】株洲变流技术国家工程研究中心有限公司