具有低谐波高输出功率的能馈式牵引供电装置制造方法
【专利摘要】本实用新型提供一种具有低谐波高输出功率的能馈式牵引供电装置，其中，供电装置包括移相变压器、PWM整流机组和控制单元；所述移相变压器的原边三相绕组为星形连接，所述移相变压器的两个副边三相绕组分别为三角形连接和星形连接；所述移相变压器的原边三相绕组用于与交流电源连接，所述移相变压器的两个副边三相绕组与所述PWM整流机组的交流侧连接；所述控制单元与所述PWM整流机组连接，所述控制单元通过固定幅值矢量控制及SHEPWM调制方式控制所述PWM整流机组。本实用新型可以提高PWM整流机组输出的有功功率，并且能够减小电流谐波。
【专利说明】具有低谐波高输出功率的能馈式牵引供电装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及电力机车的牵引供电技术，尤其涉及一种具有低谐波高输出功率的能馈式牵引供电装置及控制方法。
【背景技术】
[0002]目前，电力机车，特别是城市轨道列车普遍采用直流供电，通过变电所的牵引供电装置为列车供电，牵引供电装置采用12或24脉波二极管整流机组将交流电网的交流电转换成直流电为列车的直流牵引网供电，现有的二极管整流机组的直流输出电压不可控且电压波动范围大；并且二极管整流机组能量只能由交流侧向直流侧单向传输，列车再生制动时的制动能量不能回馈交流电网，需用制动电阻消耗多余能量，造成能源的浪费。
[0003]申请号为200810103934.2的中国专利文献，公开了一种模块化的能量回馈式牵引供电装置及控制方法，采用多个模块化的脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,简称PWM)整流机组并联，能够克服二极管整流机组的缺陷，具备能量双向流动，功率因数可调的优点，既能改善直流电网电压稳定性，提高供电品质，同时也能实现列车制动能量回馈交流电网，避免制动能量在制动电阻上消耗，节约能量。
[0004]但是，上述技术方案中，变压器副边绕组采用相同的连接方式，且PWM整流器采用传统的空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation,简称SVPWM)技术和矢量控制技术，导致在开关频率较低时交流电流谐波含量较大，且输出功率受到PWM整流器的交流电压幅值限制。
实用新型内容
[0005]本实用新型提供一种具有低谐波高输出功率的能馈式牵引供电装置，以解决现有技术中交流电流谐波含量较大且输出功率受到PWM整流器的交流电压幅值限制的技术缺陷。
[0006]本实用新型提供一种能馈式牵引供电装置，包括移相变压器、PWM整流机组和控制单元；所述移相变压器的原边三相绕组为星形连接，所述移相变压器的两个副边三相绕组分别为三角形连接和星形连接；
[0007]所述移相变压器的原边三相绕组用于与交流电源连接，所述移相变压器的两个副边三相绕组与所述PWM整流机组的交流侧连接；
[0008]所述控制单元与所述PWM整流机组连接，所述控制单元通过固定幅值矢量控制及SHEPWM调制方式控制所述PWM整流机组。
[0009]如上所述的能馈式牵引供电装置，优选地，所述PWM整流机组包括两个并联的PWM整流器，一个PWM整流器的输入端与所述移相变压器的一个副边连接，另一个PWM整流器的输入端与所述移相变压器的另一副边连接。
[0010]如上所述的能馈式牵引供电装置，优选地，所述PWM整流器包括三组功率器件；每组功率器件包括两个串联的功率模块；[0011]每组功率器件的中点与交流侧的交流母线连接，每组功率器件的正极和负极与直流侧的直流母线连接。
[0012]如上所述的能馈式牵引供电装置，优选地，所述PWM整流器还包括交流滤波电容和交流滤波电感；
[0013]所述交流滤波电容并联在交流侧的交流母线上，所述交流滤波电感分别串联交流侧的交流母线上。
[0014]如上所述的能馈式牵引供电装置，优选地，所述PWM整流器还包括直流支撑电容和直流熔断器；所述直流支撑电容连接在在所述直流侧的直流母线之间，所述直流熔断器串联在所述直流侧的直流母线上。
[0015]本实用新型提供的具有低谐波高输出功率的能馈式牵引供电装置，移相变压器的两个副边绕组分别为三角形连接和星形连接，使得这副边绕组的输出电流相位相差30度，两个副边电流折算到原边后，其中的部分谐波电流相位均相差180°，因此被相互抵消。控制单元通过固定幅值矢量控制及SHEPWM调制方式对PWM整流机组的输出进行控制，可以提高PWM整流机组输出的有功功率，并且能够减小电流谐波。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本实用新型实施例提供的具有低谐波高输出功率的能馈式牵引供电装置的不意图；
[0017]图2为本实用新型实施例提供的移相变压器的示意图；
[0018]图3为本实用新型实施例提供的PWM整流器的王电路不意图；
[0019]图4a为现有的单位功率运行的矢量关系图；
[0020]图4b为本实用新型中固定幅值矢量控制的矢量关系图；
[0021]图5为本实用新型实施例提供的PWM整流器的控制框图；
[0022]图6为本实用新型提供的具有低谐波高输出功率的能馈式牵引供电装置的控制方法流程图；
[0023]图7为图6所示的控制方法中步骤200的一种具体实现方式的流程图。
【具体实施方式】
[0024]图1为本实用新型实施例提供的具有低谐波高输出功率的能馈式牵引供电装置的示意图，图2为本实用新型实施例提供的移相变压器的示意图；如图1和2所示，本实施例提供的能馈式牵引供电装置，包括移相变压器1、PWM整流机组和控制单元3。
[0025]移相变压器I的原边三相绕组为星形连接，移相变压器I的两个副边三相绕组分别为三角形连接和星形连接。移相变压器I的原边三相绕组用于与交流电源连接，该交流电源可以为三相交流电网，移相变压器I的两个副边三相绕组与所述PWM整流机组的交流侧连接；控制单元3与PWM整流机组连接，控制单元3通过固定幅值矢量控制及SHEPWM调制方式控制PWM整流机组。
[0026]本实施例中，移相变压器I的数量可以为一个，PWM整流机组包括两个并联的PWM整流器2，一个PWM整流器2的输入端与移相变压器I的一个副边连接，另一个PWM整流器2的输入端与移相变压器I的另一副边连接。[0027]PWM整流器2为受控整流器，通过控制单元3控制PWM整流器的输出电压，向列车的直流牵引网供电。PWM整流器2还可以吸收直流侧的制动能量，通过移相变压器I回馈给交流电网。
[0028]移相变压器I的两个副边绕组分别为三角形连接和星形连接，使得这副边绕组的输出电流相位相差30度，两个副边绕组电流折算到原边绕组电流后，其中的5、7、17和19次谐波电流相位均相差180°，因此可以相互抵消。控制单元3通过固定幅值矢量控制及特定谐波消除脉宽调制(Selective Harmonic Elimination Pulse Width Modulatio,简称SHEPWM)方式对PWM整流机组的输出进行控制。
[0029]在上述实施例的基础上，进一步地，PWM整流器2包括两个并联的PWM整流器且分别与移相变压器I的两个副边三相绕组连接。如图3所示，每个PWM整流器包括三组功率器件；每组功率器件包括两个串联的功率模块，每个PWM整流器共有六个功率模块(Tl~T6)。每组功率器件的中点与交流侧的交流母线连接，每组功率器件的正极和负极与直流侧的直流母线连接。
[0030]功率器件可以为半桥式的绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，简称IGBT)功率模块，IGBT功率模块具有驱动、保护和电流测量等功能，采用IGBT功率模块能简化能馈式牵引供电装置的系统结构，提高能馈式牵引供电装置的可靠性。
[0031 ] 每个PWM整流器还包括交流滤波电容Cf和交流滤波电感L ;交流滤波电容Cf的数量为三个，三个交流滤波电容Cf并联在交流侧的交流母线上。交流滤波电感L的数量为三个，分别串联在 交流侧的三相交流母线上。交流滤波电容Cf与交流滤波电感L以及移相变压器I的三相副边绕组自身漏感Lk可以构成LCL (电感-电容-电感)型滤波器，从而可以减小PWM整流器2注入交流电网的谐波电流。
[0032]每个PWM整流器还包括直流支撑电容C和直流熔断器F ;直流支撑电容C并联在直流侧的直流母线上，直流熔断器F串联在直流侧的直流母线上。直流支撑电容C可以采用薄膜电容，该直流支撑电容C的纹波电流通过能力强，等效阻抗小，寿命长。直流熔断器F用于在直流输出发生短路时实现对PWM整流器的主电路的保护。
[0033]下面具体说明上述实施例提供的能馈式牵引供电装置的控制原理及过程，上述实施例提供的能馈式牵引供电装置，可以采用控制单元3对PWM整流器2进行控制。
[0034]具体控制原理为:PWM整流器2从交流电网侧吸收的有功功率与无功功率可以用有功电流和无功电流来表征。有功电流表示PWM整流器2从交流电网侧向直流侧传输的功率；无功电流表示PWM整流器2从交流网侧吸收的无功功率。PWM整流器2的控制目标是通过相应的控制策略使得有功和无功电流的实际值跟随指令值的变化。
[0035]图4a为现有的单位功率运行的矢量关系图；图4a所示，无功指令电流为0，使整流器运行在单位功率因数控制下。PWM整流器2交流侧电压矢量Vc=kXVd。，一旦确定了开关脉冲图形，Vc就是一个与直流输出电压成倍数关系的定值。由三角矢量关系图可以求得，
此时交流电网电动势Fs = ^Vc2-(j\vUsY，其中L为PWM整流器交流侧电抗，Is为输入电流。
[0036]图4b为本实用新型中固定幅值矢量控制的矢量关系图；如图4b所示，本实用新型实施例采用固定幅值矢量控制，无功电流Iq分量不再为O，不再运行在单位功率因数状况，因此交流电网电压Vs可以达到与PWM整流器2交流侧电压Vc相同的幅值，且保持不变，交流电网电压Vs利用率得以提高，有功输出增加。在控制过程中改变相角供，即可控制输入有功电流的大小。
[0037]图5为本实用新型实施例提供的PWM整流器的控制框图。如图5所示，采集到的直流电压实际值vd。与给定值Vdc*通过做差比较以及PI调节，计算输出两台PWM整流器的交流侧电压相对于电网电动势的角度偏移量炉。两个PWM整流器直流侧电流Idcl和Idc2经过均流控制得到修正量Δρ。通过Δρ的修正，实现当Idcl>Idc2时，一个PWM整流器的角度偏移量增大，使得输出功率增大；另一个PWM整流器的角度偏移量减小，输出功率也减小，从而实现两个PWM整流器的输出均衡。反之亦然。移相变压器原边电动势ea、eb、e。经过锁相环PLL得到每组副边的电动势的相角θρθ2。用θρ 02和八供对炉进行修正，最终
得到两个随电网频率同步改变的角度偏移量指令值<和炉并送到SHEPWM运算模块。进而通过SHEPWM得到控制PWM整流器的驱动脉冲。
[0038]本实施例采用SHEPWM调制方式，要消除N种谐波，每半个周期上开关次数为2Ν+1次，即有2Ν+1个开关角。根据公式计算出消除特定次谐波电流需要动作的每一次开关角度数，再结合固定幅值矢量控制里计算得到的角度偏移量炉与同步相角Θ求差得到的相角
指令值炉对公式求出的开关角进行修正，即可得到最终的开关角指令，进而获得相应的
开关驱动脉冲。由于是三相系统，因此3的倍数次谐波可以消除；由于波形正负对称，因此偶数次谐波可以消除；再结合移相变压器的特性可知，SHEPWM需要消除的最低次谐波为11和13次谐波。
[0039]本实施例提供的具有低谐波高输出功率的能馈式牵引供电装置，移相变压器I的两个副边绕组分别为三角形连接和星形连接，使得这副边绕组的输出电流相位相差30度，两个副边电流折算到原边后，其中的部分谐波电流相位均相差180°，因此被相互抵消。控制单元3通过固定幅值矢量控制及SHEPWM调制方式对PWM整流机组的输出进行控制，可以提高PWM整流机组输出的有功功率，并且能够减小电流谐波。
[0040]图6为本实用新型提供的具有低谐波高输出功率的能馈式牵引供电装置的控制方法流程图。如图6所示，本实施例提供的能馈式牵引供电装置的控制方法，包括:
[0041]步骤100，检测原边绕组的电动势、PWM整流器的输出电流和输出电压；
[0042]步骤200，根据设定的直流电压、检测到的原边绕组的电动势、PWM整流器的输出电流和输出电压，得到两组驱动脉冲；
[0043]步骤300，将所述两组驱动脉冲分别发送到两个PWM整流器的驱动端。
[0044]图7为图6所示的控制方法中步骤200的具体实现的流程图。如图7所示，其中，步骤200，根据设定的直流电压、原边绕组的电动势、PWM整流器的输出电流和输出电压，得到两组驱动脉冲，具体包括:
[0045]步骤201，根据所述设定的直流电压、检测到的两个PWM整流器的输出电压，得到两个PWM交流侧电压相对于交流电网电动势的角度偏移量，并通过两个PWM整流器直流侧电流得到所述角度偏移量的修正量；[0046]步骤202，对检测到的原边绕组的电动势进行运算，得到移相变压器的每组副边绕组的电动势的相角；
[0047]步骤203，根据所述副边绕组的电动势的相角及所述角度偏移量的修正量对所述角度偏移量修正，得到两个随交流电网频率同步改变的角度偏移量指令值，用其对SHEPWM算法中的开关角度数进行修正，得到最终的开关角指令，进而通过SHEPWM模块得到用于驱动对PWM整流器的驱动脉冲。
[0048]本实用新型上述实施例提供的控制方法，通过固定幅值矢量控制及SHEPWM调制方式对PWM整流机组的输出进行控制。可以提高PWM整流机组输出的有功功率，并且能够减小电流谐波。
[0049]本领域普通技术人员可以理解:实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一微机控制单元中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的微机控制单元包括:数字处理芯片、单片机等。
[0050]最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。
【权利要求】
1.一种具有低谐波高输出功率的能馈式牵引供电装置，其特征在于，包括移相变压器、PWM整流机组和控制单元；所述移相变压器的原边三相绕组为星形连接，所述移相变压器的两个副边三相绕组分别为三角形连接和星形连接； 所述移相变压器的原边三相绕组用于与交流电源连接，所述移相变压器的两个副边三相绕组与所述PWM整流机组的交流侧连接； 所述控制单元通过固定幅值矢量控制及SHEPWM调制方式控制所述PWM整流机组。
2.根据权利要求1所述的能馈式牵引供电装置，其特征在于，所述PWM整流机组包括两个并联的PWM整流器，一个PWM整流器的输入端与所述移相变压器的一个副边连接，另一个PWM整流器的输入端与所述移相变压器的另一副边连接。
3.根据权利要求2所述的能馈式牵引供电装置，其特征在于，所述PWM整流器包括三组功率器件；每组功率器件包括两个串联的功率模块； 每组功率器件的中点与交流侧的交流母线连接，每组功率器件的正极和负极与直流侧的直流母线连接。
4.根据权利要求2或3所述的能馈式牵引供电装置，其特征在于，所述PWM整流器还包括交流滤波电容和交流滤波电感； 所述交流滤波电容并联在交流侧的交流母线上，所述交流滤波电感分别串联交流侧的交流母线上。
5.根据权利要求2或3所述的能馈式牵引供电装置，其特征在于，所述PWM整流器还包括直流支撑电容和直流熔断器；所述直流支撑电容连接在在所述直流侧的直流母线之间，所述直流熔断器串联在所述直流侧的直流母线上。
【文档编号】H02M7/217GK203580682SQ201320560796
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年9月10日 优先权日:2013年9月10日
【发明者】牟富强, 蔡昌俊, 张钢, 丁建隆, 王磊, 朱士友, 刘志刚, 刁利军, 徐春梅, 邱瑞昌 申请人:广州市地下铁道总公司, 北京交通大学, 北京千驷驭电气有限公司