一種模塊化的能量回饋式牽引供電裝置的制作方法

專利名稱：一種模塊化的能量回饋式牽引供電裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種牽引供電裝置，尤其指采用多個PWM整流器并聯、具 有能量回饋功能的牽引供電裝置。
背景技術：
發展城市軌道交通，有利于緩解城市交通日益擁堵的現狀，有利于改善城 市人居環境、促進城市可持續發展。
目前，中國地鐵和輕軌的牽引供電裝置采用傳統的二極管整流器，供電電壓 主要為750V或1500V。這種二極管整流器雖然結構簡單、成本較低，但也存在 一些固有缺點首先是車輛制動時的能量不能回饋交流電網，對于需要頻繁啟 動/制動的軌道車輛，無疑會造成大量的能量浪費；其次是輸出電壓波動大，車 輛的啟動、制動，以及交流輸入電壓的波動，都會造成直流輸出電壓的較大波 動，不利于車輛全功率可靠運行。再次是車輛上需要配備笨重的制動電阻，不 利于車輛輕型化，還帶來散熱的問題；此外，其對交流電網諧波污染也比較大。 采用PWM整流器能夠克服二極管整流器的以上諸多缺陷，但是單臺PWM整流 器容量難以做到數兆瓦，況且單臺容量太大也不利于供電系統容量的靈活配置， 還會降低供電的可靠性。
發明內容
本實用新型的目的是克服現有技術的不足，提供一種模塊化的能量回饋式 牽引供電裝置，采用多個模塊化的PWM整流器并聯，既滿足大容量要求，又可 提高供電的冗余性和可靠性。
本實用新型的目的是通過下述技術方案實現的
一種模塊化的能量回饋式牽弓I供電裝置，其特殊之處在于它包括-一個多繞組變壓器，該變壓器由一個原邊繞組和多個副邊繞組組成，原邊
繞組接交流電網，采用星形連接，每個副邊繞組連接一個PWM整流器單元，各
副邊繞組的連接方式相同，均采用三角形連接；多個PWM整流器單元，所有整流器單元的直流輸出都并聯到直流母線上作 為為該供電裝置的總輸出；
一個中央控制器，該中央控制器與各PWM整流器單元通過CAN網絡互聯。 本實用新型與現有技術相比，具有的優點是本實用新型提出了一種模塊 化的能量回饋式牽引供電裝置，采用多個模塊化的PWM整流器并聯，既滿足大 容量要求，又可提高供電可靠性；該供電裝置特殊的電路結構，使之易于模塊 化設計，方便擴容，系統可靠性提高，并且能量能夠雙向流動，車上無需制動 電阻，直流電壓穩定，交流電流諧波含量小。


圖1模塊化的能量回饋式牽引供電裝置組成圖
圖2 PWM整流器單元控制原理框圖
圖3傳統PWM整流器控制原理框圖
圖4中央控制器工作原理圖框圖
圖5實施例供電裝置系統組成圖
圖6軟件鎖相環原理圖
具體實施方式
本實用新型提出的一種模塊化的能量回饋式牽引供電裝置，它包括-
一個多繞組變壓器l，該變壓器由一個原邊繞組和多個副邊繞組組成，原邊 繞組接交流電網，采用星形連接，每個副邊繞組連接一個PWM整流器單元，各 副邊繞組的連接方式相同，均采用三角形連接；
多個PWM整流器單元2，所有整流器單元的直流輸出都并聯到直流母線上 作為為該供電裝置的總輸出；
一個中央控制器3，該中央控制器與各PWM整流器單元通過CAN網絡4 互聯。
所述的中央控制器包括一個直流電壓傳感器和一塊CPU板，該CPU板含一 個數字信號處理器和一個CAN通信接口 。各PWM整流器單元中功率開關管選用高集成度智能功率模塊。 現結合附圖詳細描述本實用新型最佳實施例
本實施例所述供電裝置包括 一臺三繞組變壓器、兩個PWM整流器單元，
以及一個中央控制器，如圖5所述。直流輸出電壓額定值為750V，系統總容量 為1MW。
1. 多繞組變壓器
變壓器的作用是將高壓交流電壓降到PWM整流器所需交流電壓。同時，各 PWM整流器單元的交流側通過多繞組變壓器實現隔離，在電氣上阻斷了 PWM 整流器單元之間的環流通路，提高了系統的可靠性。
本實施例中變壓器采用環氧樹脂澆注干式變壓器，重量輕、耐火、阻燃、 低噪聲、壽命長； 一個原邊繞組，兩個副邊繞組，變壓器容量1MVA;變壓器 原邊輸入電壓10kV，副邊輸出電壓400V;原邊采用星型連接，以便于高壓系 統接地，副邊采用三角形連接，可以短路3的倍數次諧波電流。變壓器具體連 接方式為Ydlldll。為了防止雷電干擾侵入供電裝置，通常需要在變壓器處加裝 防雷裝置。
2. PWM整流器單元
由于本實施例所述供電裝置直流電壓為750V,因此各整流器單元的主電路 結構選擇傳統兩電平電路，主要包含功率開關管、三相交流電感L、直流支撐電 容器C、電壓電流傳感器、以及控制板。功率開關管選擇西門康公司的SKiiP系 列智能功率模塊，參數1700V/2400A，型號為SKiiP 2403GB173D，該智能功 率模塊自帶散熱器、驅動、保護、溫度傳感器和電流傳感器，使用方便，可靠 性高；直流支撐電容C大小為30000uF;交流濾波電感L電感值為300uH;電 壓電流傳感器采用LEM傳感器；控制板上主要器件為一塊數字信號處理器和一個CAN通信接口，作用為采集PWM整流器的電壓電流信號，執行控制算法， 產生PWM脈沖，驅動功率開關管工作，而CAN通信接口用于與中央控制器通 信。控制板上的數字信號處理器采用TI公司的TMS320F2812，該處理器自帶增 強型CAN控制器，只需外加一個帶隔離的CAN收發器CTM1050T就能實現與 中央控制器的CAN網絡通信。單個PWM整流器單元額定功率500kW。
如果直流電壓為1500V，則PWM整流器單元主電路結構采用三電平電路。
3.中央控制器
中央控制器功能為控制直流電壓穩定，以及優化整個供電裝置的運行效率。 所述的中央控制器由一個直流電壓傳感器和一塊CPU板組成，該CPU板包括一 塊數字信號處理器和一個CAN通信接口 。
上述直流電壓傳感器采用LEM傳感器，其檢測直流電壓，用于對直流電壓 的閉環控制；上述CPU控制板上的數字信號處理器也采用TI 公司 的 TMS320F2812，該處理器自帶增強型CAN控制器，只需外加一個帶隔離的CAN 收發器CTM1050T就能實現與各PWM整流器單元的CAN網絡通信。
該模塊化的能量回饋式牽引裝置，其中，各PWM整流器單元僅對電流進行 閉環控制，采用基于同步旋轉坐標系的電流解耦控制，分別對d軸電流和q軸 電流進行閉環控制，實現對有功和無功的獨立控制，且功率因數為l，控制原理 框圖如圖2所示，其中-
數據采集是指對交流側兩相電流和兩相電壓進行AD采樣。采集兩相電流 用于對電流閉環控制，采集兩相電壓則用于對電網電壓進行軟件鎖相。
鎖相是為獲得電網電壓同步角，可分為軟件鎖相和硬件鎖相。本實施例采 用的是軟件鎖相，其原理如圖6所示，其主要包括坐標變換、濾波、PI控制、 積分4個部分。工作流程是先預設一個同步角，利用該同步角將靜止坐標系下兩相交流電壓轉換到同步旋轉dq坐標系，并將q軸電壓 送入濾波環節，濾 除電網電壓畸變或干擾引入的高頻成分，再與給定值0相減，然后進行PI調節， PI的輸出作為對角頻率修正量Aw，加上額定角頻率w后進行積分，得到新的同 步角，再利用這個新的同步角重復以上步驟，閉環穩定時，所得同步角為電網 電壓同步角。只要旋轉坐標系的d軸沒有與電網電壓矢量同步旋轉且保持重合， 則電網電壓矢量在旋轉坐標系的q軸分量就不等于零，導致角頻率修正量Aw相 應變化，直到d軸與電網電壓矢量實現完全同步，此時輸出的e就是所需電網電 壓同步角。相對于傳統依賴過零點檢測的硬件鎖相而言，軟件鎖相可以簡化硬 件電路，同時可以借助多種濾波增強對諧波干擾和電壓畸變的抑制能力；
坐標變換是將采集的交流電流量從靜止坐標系變換到旋轉dq坐標系，得到d 軸電流id禾口 q軸電流iq。
PI控制指在同步旋轉坐標系對電流給定值與電流實際反饋值進行數字PI運 算，采用抗飽和PI控制。
脈沖產生則是將電流環PI的輸出變換到兩相靜止坐標系，然后利用空間矢 量脈寬調制算法產生PWM脈沖，最終被送到智能功率模塊驅動IGBT開關管。
通信是PWM整流器單元通過CAN網絡接收來自中央控制器的d軸電流給 定值數據，并用于閉環控制；
圖2所示PWM整流器單元基于同步旋轉坐標系的電流解耦控制方法，主要 實現步驟為
第一，檢測兩相交流電壓，進行鎖相，得到電網電壓同步角。 第二，檢測兩相交流電流，并轉換到同步旋轉坐標系，然后分別進行d軸 電流和q軸電流的PI控制。
第三，將d、 q軸PI調節器的輸出用于空間矢量脈寬調制(SVPWM)，產生6路驅動脈沖。
傳統的PWM整流器控制除了上述電流環外，通常還包括一個直流電壓外環， 如圖3所示，電壓外環的作用是保持PWM整流器直流電壓穩定，但也正是這直 流電壓外環會使得PWM整流直流輸出具有電壓源特性，這種情況下多個PWM 整流器并聯可能發生嚴重不均流現象。為了實現多個PWM整流器并聯正常工 作，在各PWM整流器單元上不設置直流電壓外環，僅有電流內環，從而使得各 PWM整流器單元直流輸出具有電流源特性，易于多個PWM整流器并聯工作。 但是為了穩定直流電壓，必須對直流電壓進行閉環控制，本實用新型將直流電 壓環設置在中央控制器上，該電壓環PI輸出乘以一個電流分配系數k (又稱作 d軸電流分配系數)，再通過網絡傳輸到各PWM整流器單元作為其d軸電流的 給定值/二，如圖4所示。正常情況下，兩個PWM整流器單元各自分擔一半負載， 它們的d軸電流分配系數默認為kl=k2=0.5。但由于實際情況下，各PWM整流 器單元主電路參數存在一定的差異，將導致在電流分配系數k相同的情況下， PWM整流器單元實際傳輸的功率相差可能會很大，不利于設備正常運行。因此， 中央控制器需要根據各PWM整流器單元的實際傳輸功率，來適當調整電流分配 系數k，使得各PWM整流器單元傳輸功率近似相等。例如，當檢測到一個PWM 整流器單元的運行功率明顯大于另外一個PWM整流器單元時，就得適當減小前 者的電流分配系數，而增大后者的電流分配系數，直到兩個PWM整流器單元傳 輸功率近似相等。
中央控制器還具備對各PWM整流器單元進行啟停控制的功能。如果長時 間整個供電裝置都工作在空載或很小負載狀態時，如小于l/8額定功率，就有必 要僅啟用一個PWM整流器單元工作，從而提高供電裝置運行效率；
此外，中央控制器能夠根據供電裝置的運行功率狀況對各PWM整流器單元 開關頻率進行調節。當負載較大時，不論是處于整流工況還是逆變工況，三相電流值較大，IGBT的開關損耗和導通損耗大，裝置發熱嚴重，減小開關頻率是 減小開關損耗，降低裝置發熱的有效途徑，同時考慮到大功率時諧波電流所占 的比重也相對減小，適當減小開關頻率不會使系統總諧波比例增加。同理，負 載較小時，由于裝置的損耗較小，可以增大各PWM整流器單元的開關頻率以減 小交流電流諧波；對各PWM整流器單元的開關頻率進行調節，目的是在能夠滿
足相應諧波標準的情況下，優化系統運行效率。但是，各PWM整流器單元的開 關頻率必須同時進行調整。
對于N個PWM整流器并聯工作的情況，采用一種錯時空間矢量調制技術 來大大減小交流電流諧波。該技術完全基于傳統的空間矢量脈寬調制技術，脈 沖產生也一樣，其特點就是將各PWM整流器單元SVPWM調制點相互錯開1/N 個開關周期，使得各PWM整流器單元對應相電流的開關頻率附近的諧波成分相 互錯開一定角度，疊加時能夠相互抵消，從而大大減小總交流電流中的諧波成 分。針對本實施例中兩個PWM整流器單元并聯的情況，所述錯時空間矢量脈寬 調制技術是以電網電壓過零點為參考點，將兩個PWM整流器單元的矢量調制點 相互錯開1/2個開關周期。
權利要求1.一種模塊化的能量回饋式牽引供電裝置，其特征在于，它包括一個多繞組變壓器(1)，該變壓器由一個原邊繞組和多個副邊繞組組成，原邊繞組接交流電網，采用星形連接，每個副邊繞組連接一個PWM整流器單元，各副邊繞組的連接方式相同，均采用三角形連接；多個PWM整流器單元(2)，所有整流器單元的直流輸出都并聯到直流母線上作為該供電裝置的總輸出；一個中央控制器(3)，該中央控制器與各PWM整流器單元通過CAN網絡(4)互聯。
2. 根據權利要求1所述的一種模塊化的能量回饋式牽引供電裝置，其特征 在于中央控制器(3)包括一個直流電壓傳感器和一塊CPU板，該CPU板含 一個數字信號處理器和一個CAN通信接口 。
3. 根據權利要求1所述的一種模塊化的能量回饋式牽引供電裝置，其特征 在于，各PWM整流器單元中功率開關管選用高集成度智能功率模塊。
專利摘要本實用新型涉及一種模塊化的能量回饋式牽引供電裝置，該裝置包括一臺多繞組變壓器、多個PWM整流器單元和一個中央控制器。多繞組變壓器有一個原邊繞組，多個副邊繞組，且所有副邊繞組連接方式相同；變壓器的每個副邊繞組連接一個PWM整流器單元；所有PWM整流器單元的直流輸出都并聯到整個供電裝置的直流母線上。控制采用電壓電流雙閉環控制，直流電壓外環設置在中央控制器上，基于同步旋轉坐標系的電流內環設置在各PWM整流器單元上。本供電裝置具有易于模塊化、容量大、能量雙向傳輸、功率因數高、電流諧波小和直流電壓穩定之顯著優點。
文檔編號H02M7/12GK201220609SQ200820079919
公開日2009年4月15日 申請日期2008年4月14日 優先權日2008年4月14日
發明者刁利軍, 劉志剛, 盧西偉, 鋼 張, 李哲峰, 林文立, 櫻 梅, 沈茂盛, 牟富強, 威 狄, 磊 王, 羅榮婭, 賈利民, 趙明花 申請人:北京交通大學;北京鏈奕通易軌道交通科技有限公司