三電平地鐵能量回饋與諧波治理一體化裝置及其控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種三電平地鐵能量回饋與諧波治理一體化裝置及其控制方法，其中一體化裝置包括依次相連的一體化功率變換器和控制系統，所述一體化功率變換器的直流側投掛在地鐵供電網中直流接觸網的正、負母線之間，一體化功率變換器的交流側為三相、分別連接于地鐵供電網中交流電網的整流變壓器的低壓側三相線上。通過一套一體化裝置實現地鐵能量回饋與諧波治理兩種工作模式的平滑切換，不僅充分利用地鐵制動能量，還兼顧諧波治理；其采用三電平逆變技術，將再生能量直接回饋至牽引整流變壓器的低壓側，無需回饋變壓器，可大幅降低能量回饋裝置的成本；并采用智能識別地鐵運行工況和檢測諧波電流存在，完成地鐵供電網交流側的諧波污染治理。
【專利說明】
三電平地鐵能量回饋與諧波治理一體化裝置及其控制方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種能量回饋與諧波治理的裝置及方法，特別是涉及一種三電平地鐵 能量回饋與諧波治理一體化裝置及其控制方法，屬于地鐵制動能量回饋與諧波治理技術領 域。
【背景技術】
[0002] 近年來，地鐵已經成為大城市人們出行必不可少的方式，它作為一種具有大容量、 高速度的交通工具在城市軌道交通建設中扮演著非常重要的角色。迅猛的城市軌道交通發 展對電力能源需求越來越大，同時也對電能質量和效率提出更高的要求。
[0003] 地鐵能夠有效緩解城市交通的運輸壓力，同時也減小了尾氣排放污染等問題;但 也帶來很多其他問題，由于地鐵車站之間的距離短、機車制動頻繁，制動能量非常大，從而 導致地鐵制動距離越長，制動時間越久。一般地鐵在制動時會將能量回饋給供電網，但如果 回饋能量不能完全被其他車輛或用電設備利用時，會造成電網電壓栗升，栗升的電網電壓 會危及站內設備，不利于地鐵的安全運行。與此同時，地鐵系統主要采用直流供電，其交流 母線電壓經過交流變壓器降壓，再通過不可控二極管整流給地鐵牽引供電，不可避免地會 產生一些諧波電流，嚴重的諧波污染會影響城市軌道交通供電網絡的電能質量，并且會造 成電網功率損耗增加，設備壽命縮短，接地保護功能失常等問題。
[0004] 目前，國內外采用的吸收裝置主要有電阻耗能型、儲能型和低壓逆變回饋型這三 種。
[0005] 電阻耗能型是利用吸收電阻將地鐵制動時產生的能量以熱能的形式消耗掉，這是 國內外采用最普遍的方法。這種方法成熟可靠，而且控制起來方便，但其主要的缺點是制動 能量只能以熱能形式消耗，并不能加以利用，造成能源浪費，而且轉換的熱能會造成隧道內 環境溫度升高，需要增設相應的通風裝置，大大增加了電能損耗。此種方案與節能環保主題 相悖，也不符合地鐵輕量化的發展要求。
[0006] 儲能型是將制動能量吸收在儲能裝置中，儲能裝置一般多為飛輪或電容器組。當 地鐵列車制動時，將動能儲存在飛輪或電容器組里；當地鐵啟動加速取流時，將儲存的能量 釋放出去。儲能型方案的主要缺點是儲能裝置不足以完全吸收制動能量，而且儲能裝置體 積龐大，受地鐵空間限制，安裝維護也十分復雜，成本過高。
[0007] 低壓逆變回饋型是采用三相逆變器，將地鐵制動時產生的直流電逆變成工頻交流 電回饋至380V輔助交流電網上。但由于制動時的瞬時功率很高，低壓逆變裝置無法滿足軌 道交通的要求。
[0008] 為了實現節能環保的要求，充分利用再生能量，有必要提出一種新的設計方案來 克服以上種種方案的缺陷。
【發明內容】
[0009] 本發明的主要目的在于，克服現有技術中的不足，提供一種三電平地鐵能量回饋 與諧波治理一體化裝置及其控制方法，不僅可對地鐵列車制動時進行能量回饋，而且可解 決地鐵供電系統的諧波污染問題，實現地鐵能量回饋與諧波治理兩種工作模式的平滑切 換，極具有產業上的利用價值。
[0010]為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案是：
[0011] -種三電平地鐵能量回饋與諧波治理一體化裝置，包括依次相連的一體化功率變 換器和控制系統，所述一體化功率變換器的直流側投掛在地鐵供電網中直流接觸網的正、 負母線之間，一體化功率變換器的交流側為三相、分別連接于地鐵供電網中交流電網的整 流變壓器的低壓側三相線上。
[0012] 其中，所述一體化功率變換器用于在地鐵處于制動狀態時對接入的制動能量進行 逆變后回饋給地鐵供電網的交流電網、即運行于能量回饋模式，或在地鐵處于正常運行狀 態并地鐵供電網中交流電網的諧波電流超標時產生反向補償電流以抵消諧波電流而將畸 變的交流電網補償為正弦波、即運行于諧波治理模式。
[0013] 而且，所述控制系統用于控制一體化功率變換器在地鐵處于制動狀態時切換至能 量回饋模式投入運行，或在地鐵處于正常運行狀態且地鐵供電網中交流電網無諧波電流時 切換至待機模式暫停，或在地鐵處于正常運行狀態且地鐵供電網中交流電網的諧波電流超 標時自動切換至諧波治理模式投入運行。
[0014] 本發明進一步設置為:所述一體化功率變換器包括三電平電壓型逆變器，連接于 三電平電壓型逆變器和直流接觸網之間的電容，以及連接于三電平電壓型逆變器和整流變 壓器之間的濾波器。
[0015] 本發明進一步設置為:所述三電平電壓型逆變器包括共三相的呈并聯分布的三個 橋臂，每個橋臂均包括四個IGBT管、四個續流二極管和兩個鉗位二極管;每個橋臂的四個 IGBT管依次串聯，構成位于相鄰兩個IGBT管的依次分布的上橋臂、中橋臂和下橋臂;每個橋 臂的四個IGBT管的門極均接控制系統的驅動端，每個橋臂的每個續流二極管均反向并聯于 每個IGBT管的兩端，每個橋臂的兩個鉗位二極管依次串聯后反向并聯于上橋臂和下橋臂之 間，三個橋臂的中橋臂通過導線相連。
[0016] 本發明進一步設置為:所述電容包括依次串聯的第一電容和第二電容，第一電容 和第二電容串聯后與三個橋臂相并聯，第一電容的一端與直流接觸網的正母線相連、第一 電容的另一端連接于兩個鉗位二極管之間，第二電容的一端與第一電容的另一端相連、第 二電容的另一端與直流接觸網的負母線相連。
[0017] 本發明進一步設置為：所述濾波器包括第一電感、第二電感和第三電感，第一電 感、第二電感和第三電感的一端分別與三個橋臂的中橋臂相連，第一電感、第二電感和第三 電感的另一端分別連接于整流變壓器的低壓側三相線上。
[0018] 本發明進一步設置為:所述控制系統包括依次相連的控制器、PWM發生器和驅動模 塊，以及均與控制器雙向通訊的A/D采樣模塊和I/0電路。
[0019] 其中，所述A/D采樣模塊，用于采集數據并將采集的數據傳輸給控制器;其中，采集 的數據包括直流接觸網的電壓、交流電網低壓側的電流和諧波電流、以及一體化功率變換 器的交流信號;所述控制器，用于接收采集的數據并進行數據處理，獲得地鐵實時工況而輸 出實時控制信號;其中，地鐵實時工況包括制動狀態、無諧波電流的正常運行狀態和存在諧 波電流的正常運行狀態，實時控制信號包括能量回饋信號、待機暫停信號和諧波治理信號。
[0020] 而且，所述PWM發生器，用于根據控制器輸出的實時控制信號生成對應的PWM調制 波;所述驅動模塊作為控制系統的驅動端，用于放大PWM發生器生成的PWM調制波，并將放大 的PWM調制波傳輸給一體化功率變換器的控制端以驅動一體化功率變換器投入運行;所述 I/O電路包括輸入電路和輸出電路，輸入電路用于接收輸入信號并將輸入信號的高電平轉 換為低電平輸入控制器，輸出電路接收控制器的控制信號并將控制信號的低電平轉換為正 常工作的電壓信號輸出。
[0021] 本發明進一步設置為:所述控制系統還包括與控制器相連的通信模塊，所述通信 模塊用于將控制器與上位機建立通信;所述控制器包括采用DSP芯片的DSP主控制器和采用 FPGA芯片的FPGA輔助控制器，所述DSP主控制器和FPGA輔助控制器依次相連、并分別與A/D 采樣模塊相連;所述DSP主控制器用于數據處理進而判斷地鐵實時工況和選擇控制信號;所 述FPGA輔助控制器用于邏輯處理進而生成PWM波形。
[0022]本發明還提供一種三電平地鐵能量回饋與諧波治理一體化裝置的控制方法，包括 以下步驟：
[0023] 1)系統設定直流接觸網的觸發電壓，通過控制系統中的A/D采樣模塊實時檢測直 流接觸網電壓，控制系統中的控制器將采集的直流接觸網電壓與系統設定的觸發電壓進行 比較，并判斷直流接觸網電壓是否大于觸發電壓；
[0024] 若是，則判斷地鐵實時工況為制動狀態，則執行步驟2);
[0025]若否，則執行步驟3);
[0026] 2)控制器啟動能量回饋算法，生成能量回饋調制波，經PWM發生器和驅動模塊輸出 能量回饋信號，能量回饋信號送入一體化功率變換器以能量回饋模式投入運行，一體化功 率變換器對接入的制動能量進行逆變后回饋給地鐵供電網的交流電網；
[0027] 3)當A/D采樣模塊實時檢測到直流接觸網的電流逆流，控制器判斷地鐵實時工況 為正常運行狀態；
[0028] 通過A/D采樣模塊實時檢測交流電網低壓側的電流，控制器判斷諧波電流是否超 標；
[0029]若是，則執行步驟4);
[0030] 若否，則控制器立刻封鎖P麗脈沖輸出，使得一體化功率變換器進入待機模式；
[0031] 4)控制器啟動諧波補償算法，生成諧波分量調制波，經PWM發生器和驅動模塊輸出 實際補償控制信號，一體化功率變換器投入運行，產生反向補償電流以抵消諧波電流而將 畸變的交流電網補償為正弦波。
[0032] 本發明的控制方法進一步設置為：所述步驟3)中的控制器判斷諧波電流是否超 標，具體為，
[0033] 3-1)采集到的交流電網低壓側的三相電流分別為ia、ib和ic，經abc/dq坐標變換， 得到交流電網低壓側的有功電流id和無功電流iq;
[0034] 3-2)有功電流id和無功電流iq通過低通濾波器后留下直流分量，再經過坐標反變 換得到三相基波電流分別為iaf、ibf和icf;
[0035] 3-3)將采集到的交流電網低壓側的三相電流分別減去計算得到的三相基波電流， 得到三相電流諧波分量為iha、ihb和ihc;
[0036] 3-4)當三相電流諧波分量iha、ihb和ihc大于零時，則判斷存在諧波電流，同時對比 基波值，可確定電流畸變程度；
[0037]當三相電流諧波分量iha、ihb和ihc等于零時，則判斷無諧波電流。
[0038] 本發明的控制方法進一步設置為:所述步驟4)具體為，
[0039] 4-1)將交流電網低壓側的有功電流id與有功參考電流1/進行PI調節，將交流電網 低壓側的實時無功電流i q與無功參考電流1，進行?1調節，再經過dq/abc變換后與三相電流 諧波分量iha、ihb和ih。計算得到PWM調制信號的調制波；
[0040] 4-2)控制器根據P麗調制信號的調制波比計算生成P麗波形，經P麗發生器和驅動 模塊輸出實際補償控制信號，實際補償控制信號輸出到三電平電壓型逆變器的IGBT管，利 用各橋臂IGBT管的開通關斷產生與諧波電流大小相等、方向相反的反向補償電流i s，用來 抵消諧波電流，將畸變的交流電網補償為正弦波。
[0041 ]與現有技術相比，本發明具有的有益效果是：
[0042] 1、本發明通過一套一體化裝置的設置，在一套裝置中實現了地鐵能量回饋與諧波 治理兩種工作模式的平滑切換，不僅可以充分利用地鐵制動能量，還兼顧諧波治理和無功 補償的功能，對地鐵供電網進行濾波，一舉多得。
[0043] 2、本發明提供的一體化裝置采用三電平逆變技術，能夠滿足將地鐵制動能量回饋 至中壓電網的需求，而傳統的兩電平技術只能回饋到〇.4kV左右電網；同時由于再生能量直 接回饋至牽引整流變壓器的低壓側，所以無需回饋變壓器，可大幅降低能量回饋裝置的成 本;而且沒有吸收電阻，也不需要儲能裝置，充分利用地鐵制動產生的再生能量，極大地提 高了能源利用率，同時也改善了電能質量問題。
[0044] 3、本發明提供的控制方法可智能識別地鐵的運行工況，在地鐵制動工況下，控制 系統啟動能量回饋模塊完成制動能量的再利用；在地鐵正常運行工況且存在諧波電流時， 運行諧波補償算法，完成地鐵供電網交流側的諧波污染治理。
[0045] 上述內容僅是本發明技術方案的概述，為了更清楚的了解本發明的技術手段，下 面結合附圖對本發明作進一步的描述。
【附圖說明】
[0046]圖1為本發明三電平地鐵能量回饋與諧波治理一體化裝置的電氣連接示意圖； [0047]圖2為本發明三電平地鐵能量回饋與諧波治理一體化裝置中一體化功率變換器的 電路圖；
[0048]圖3為本發明三電平地鐵能量回饋與諧波治理一體化裝置中控制系統的結構框 圖；
[0049]圖4為本發明三電平地鐵能量回饋與諧波治理一體化裝置的控制方法的流程圖；
[0050] 圖5為本發明三電平地鐵能量回饋與諧波治理一體化裝置的控制方法中諧波補償 控制的流程圖。
【具體實施方式】
[0051] 下面結合說明書附圖，對本發明作進一步的說明。
[0052] 本發明提供一種三電平地鐵能量回饋與諧波治理一體化裝置，如圖1所示，包括依 次相連的一體化功率變換器1和控制系統2,所述一體化功率變換器1的直流側投掛在地鐵 供電網中直流接觸網的正、負母線之間，一體化功率變換器1的交流側為三相、分別連接于 地鐵供電網中交流電網的整流變壓器的低壓側三相線上。
[0053]所述一體化功率變換器1用于在地鐵處于制動狀態時對接入的制動能量進行逆變 后回饋給地鐵供電網的交流電網、即運行于能量回饋模式，或在地鐵處于正常運行狀態并 地鐵供電網中交流電網的諧波電流超標時產生反向補償電流以抵消諧波電流而將畸變的 交流電網補償為正弦波、即運行于諧波治理模式。
[0054]所述控制系統2用于控制一體化功率變換器1在地鐵處于制動狀態時切換至能量 回饋模式投入運行，或在地鐵處于正常運行狀態且地鐵供電網中交流電網無諧波電流時切 換至待機模式暫停，或在地鐵處于正常運行狀態且地鐵供電網中交流電網的諧波電流超標 時自動切換至諧波治理模式投入運行。
[0055]本發明提供的一種三電平地鐵能量回饋與諧波治理一體化裝置，通過一體化功率 變換器1和控制系統2的設置，不僅將地鐵制動能量回饋至中壓電網，同時也對電網交流側 諧波進行補償治理，充分利用了地鐵再生制動能量，也解決了諧波污染、功率因數低等地鐵 供電系統的電能質量問題，從而保證地鐵列車安全可靠地運行。
[0056] 如圖2所示，所述一體化功率變換器1包括三電平電壓型逆變器3,連接于三電平電 壓型逆變器3和直流接觸網之間的電容，以及連接于三電平電壓型逆變器3和整流變壓器之 間的濾波器。
[0057]所述三電平電壓型逆變器3包括共三相的呈并聯分布的三個橋臂，每個橋臂均包 括四個IGBT管、四個續流二極管和兩個鉗位二極管;每個橋臂的四個IGBT管依次串聯，構成 位于相鄰兩個IGBT管的依次分布的上橋臂、中橋臂和下橋臂;每個橋臂的四個IGBT管的門 極均接控制系統的驅動端，每個橋臂的每個續流二極管均反向并聯于每個IGBT管的兩端， 每個橋臂的兩個鉗位二極管依次串聯后反向并聯于上橋臂和下橋臂之間，三個橋臂的中橋 臂通過導線相連。
[0058]以第一橋臂為例，其包括 IGBT 管 ￥1'11、￥1'12、￥1'13和￥1'14，續流二極管￥0 11、￥012、￥013和 VDw，鉗位二極管VD^VD2。IGBT管VTn、VT12、VT^PVTw依次串聯，實現逆變支路的開通和關 斷;VTn和VT 122間為上橋臂，VT1：^PVT132間為中橋臂，VTidPVTw之間為下橋臂。續流二極 管 ￥011、￥012、￥013和￥014分別與1681'管￥1' 11、￥1'12、￥1'13和￥1'14反向并聯，用于1681'管￥1' 11、￥1'12、 VhdPVTM關斷后的續流。兩個鉗位二極管VDdPVD2反向并聯于上橋臂和下橋臂之間，將 IGBT管VTnJTmVT^PVTw的開關電壓限制在
[0059] 所述電容包括依次串聯的第一電容Q和第二電容C2,第一電容心和第二電容(：2串 聯后與三個橋臂相并聯，第一電容&的一端與直流接觸網的正母線相連、第一電容&的另一 端連接于兩個鉗位二極管VDdPVD 2之間，第二電容C2的一端與第一電容&的另一端相連、第 二電容C2的另一端與直流接觸網的負母線相連。
[0060] 所述濾波器包括第一電感L1、第二電感L2和第三電感L3，第一電感L1、第二電感L2 和第三電感L3的一端分別與三個橋臂的中橋臂相連，第一電感L1、第二電感L2和第三電感 L3的另一端分別連接于整流變壓器的低壓側三相線上。
[0061] 如圖3所示，所述控制系統2包括依次相連的控制器、PWM發生器和驅動模塊，均與 控制器雙向通訊的A/D采樣模塊和I/O電路，以及與控制器相連的通信模塊;所述控制器包 括采用DSP芯片的DSP主控制器和采用FPGA芯片的FPGA輔助控制器，所述DSP主控制器和 FPGA輔助控制器依次相連、并分別與A/D采樣模塊相連。
[0062] 所述A/D采樣模塊，用于采集數據并將采集的數據傳輸給控制器;其中，采集的數 據包括直流接觸網的電壓、交流電網低壓側的電流和諧波電流、以及一體化功率變換器的 交流信號。
[0063] 所述控制器，用于接收采集的數據并進行數據處理，獲得地鐵實時工況而輸出實 時控制信號;其中，地鐵實時工況包括制動狀態、無諧波電流的正常運行狀態和存在諧波電 流的正常運行狀態，實時控制信號包括能量回饋信號、待機暫停信號和諧波治理信號。所述 DSP主控制器用于數據處理進而判斷地鐵實時工況和選擇控制信號；所述FPGA輔助控制器 用于邏輯處理進而生成PWM波形。
[0064] 所述PWM發生器，用于根據控制器輸出的實時控制信號生成對應的PWM調制波。
[0065] 所述驅動模塊作為控制系統的驅動端，用于放大PWM發生器生成的PWM調制波，并 將放大的pmi調制波傳輸給一體化功率變換器的控制端以驅動一體化功率變換器投入運 行。
[0066] 所述I/O電路包括輸入電路和輸出電路，輸入電路用于接收輸入信號并將輸入信 號的高電平轉換為低電平輸入控制器，輸出電路接收控制器的控制信號并將控制信號的低 電平轉換為正常工作的電壓信號輸出。
[0067] 所述通信模塊用于將控制器與上位機建立通信。
[0068]本發明還提供一種三電平地鐵能量回饋與諧波治理一體化裝置的控制方法，如圖 4所示，包括以下步驟：
[0069] 1)系統設定直流接觸網的觸發電壓，通過控制系統中的A/D采樣模塊實時檢測直 流接觸網電壓，控制系統中的控制器將采集的直流接觸網電壓與系統設定的觸發電壓進行 比較，并判斷直流接觸網電壓是否大于觸發電壓；
[0070] 若是，則判斷地鐵實時工況為制動狀態，則執行步驟2);
[0071] 若否，則執行步驟3)。
[0072] 2)控制器啟動能量回饋算法，生成能量回饋調制波，經PWM發生器和驅動模塊輸出 能量回饋信號，能量回饋信號送入一體化功率變換器以能量回饋模式投入運行，一體化功 率變換器對接入的制動能量進行逆變后回饋給地鐵供電網的交流電網。
[0073] 3)當A/D采樣模塊實時檢測到直流接觸網的電流逆流，控制器判斷地鐵實時工況 為正常運行狀態；
[0074] 通過A/D采樣模塊實時檢測交流電網低壓側的電流，控制器判斷諧波電流是否超 標；
[0075]若是，則執行步驟4);
[0076] 若否，即諧波電流G = 0，則控制器立刻封鎖PWM脈沖輸出，使得一體化功率變換器 暫停進入待機模式。
[0077] 其中，控制器判斷諧波電流是否超標，如圖5所示，具體為，
[0078] 3-1)采集到的交流電網低壓側的三相電流分別為ia、ib和i c，經abc/dq坐標變換 (圖5中所示為方框C32)，得到交流電網低壓側的有功電流id和無功電流iq;
[0079] 3-2)有功電流id和無功電流iq通過低通濾波器LPF后留下直流分量，再經過坐標反 變換(圖5中所示為方框C23)，得到三相基波電流分別為iaf、ibf和irf;
[0080] 3-3)將采集到的交流電網低壓側的三相電流分別減去計算得到的三相基波電流， 得到三相電流諧波分量為iha、ihb和ihc;
[0081 ] 3-4)當三相電流諧波分量iha、ihb和4。大于零時，則判斷存在諧波電流G，同時對比 基波值，可確定電流畸變程度；
[0082]當三相電流諧波分量iha、ihb和ihc等于零時，則判斷無諧波電流G。
[0083] 4)控制器啟動諧波補償算法，生成諧波分量調制波，經PWM發生器和驅動模塊輸出 實際補償控制信號，一體化功率變換器投入運行，產生反向補償電流以抵消諧波電流而將 畸變的交流電網補償為正弦波。
[0084]如圖5所示，步驟4)具體為，
[0085] 4-1)將交流電網低壓側的有功電流id與有功參考電流1/進行PI調節，將交流電網 低壓側的實時無功電流iq與無功參考電流1，進行?1調節，再經過dq/abc變換后與三相電流 諧波分量iha、ihb和ih。計算得到PWM調制信號的調制波；
[0086] 4-2)控制器根據P麗調制信號的調制波計算生成P麗波形，經P麗發生器和驅動模 塊輸出實際補償控制信號，實際補償控制諧波治理信號輸出到三電平電壓型逆變器的IGBT 管，利用各橋臂IGBT管的開通關斷產生與諧波電流大小相等、方向相反的反向補償電流is， 用來抵消諧波電流，將畸變的交流電網補償為正弦波。
[0087]本發明的創新點在于，通過一套一體化裝置實現地鐵能量回饋與諧波治理兩種工 作模式的平滑切換，不僅可以充分利用地鐵制動能量，還兼顧諧波治理的功能;其采用三電 平逆變技術，能夠滿足將地鐵制動能量回饋至中壓電網的需求，將再生能量直接回饋至牽 引整流變壓器的低壓側，無需回饋變壓器，可大幅降低能量回饋裝置的成本;并采用智能識 別地鐵運行工況和檢測諧波電流是否存在超標情況，當地鐵正常運行且存在諧波電流超標 時，平滑切換至諧波治理模式，完成地鐵供電網交流側的諧波污染治理。
[0088]以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明作任何形式上的限制，雖 然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人 員，在不脫離本發明技術方案范圍內，當可利用上述揭示的技術內容做出些許更動或修飾 為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質 對以上實施例所作的任何的簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發明技術方案的范圍 內。
【主權項】
1. 一種三電平地鐵能量回饋與諧波治理一體化裝置，其特征在于：包括依次相連的一 體化功率變換器和控制系統，所述一體化功率變換器的直流側投掛在地鐵供電網中直流接 觸網的正、負母線之間，一體化功率變換器的交流側為三相、分別連接于地鐵供電網中交流 電網的整流變壓器的低壓側三相線上； 所述一體化功率變換器用于在地鐵處于制動狀態時對接入的制動能量進行逆變后回 饋給地鐵供電網的交流電網、即運行于能量回饋模式，或在地鐵處于正常運行狀態并地鐵 供電網中交流電網的諧波電流超標時產生反向補償電流以抵消諧波電流而將畸變的交流 電網補償為正弦波、即運行于諧波治理模式； 所述控制系統用于控制一體化功率變換器在地鐵處于制動狀態時切換至能量回饋模 式投入運行，或在地鐵處于正常運行狀態且地鐵供電網中交流電網無諧波電流時切換至待 機模式暫停，或在地鐵處于正常運行狀態且地鐵供電網中交流電網的諧波電流超標時自動 切換至諧波治理模式投入運行。2. 根據權利要求1所述的三電平地鐵能量回饋與諧波治理一體化裝置，其特征在于:所 述一體化功率變換器包括三電平電壓型逆變器，連接于三電平電壓型逆變器和直流接觸網 之間的電容，以及連接于三電平電壓型逆變器和整流變壓器之間的濾波器。3. 根據權利要求2所述的三電平地鐵能量回饋與諧波治理一體化裝置，其特征在于:所 述三電平電壓型逆變器包括共三相的呈并聯分布的三個橋臂，每個橋臂均包括四個IGBT 管、四個續流二極管和兩個鉗位二極管； 每個橋臂的四個IGBT管依次串聯，構成位于相鄰兩個IGBT管的依次分布的上橋臂、中 橋臂和下橋臂;每個橋臂的四個IGBT管的門極均接控制系統的驅動端，每個橋臂的每個續 流二極管均反向并聯于每個IGBT管的兩端，每個橋臂的兩個鉗位二極管依次串聯后反向并 聯于上橋臂和下橋臂之間，三個橋臂的中橋臂通過導線相連。4. 根據權利要求3所述的三電平地鐵能量回饋與諧波治理一體化裝置，其特征在于:所 述電容包括依次串聯的第一電容和第二電容，第一電容和第二電容串聯后與三個橋臂相并 聯，第一電容的一端與直流接觸網的正母線相連、第一電容的另一端連接于兩個鉗位二極 管之間，第二電容的一端與第一電容的另一端相連、第二電容的另一端與直流接觸網的負 母線相連。5. 根據權利要求3所述的三電平地鐵能量回饋與諧波治理一體化裝置，其特征在于:所 述濾波器包括第一電感、第二電感和第三電感，第一電感、第二電感和第三電感的一端分別 與三個橋臂的中橋臂相連，第一電感、第二電感和第三電感的另一端分別連接于整流變壓 器的低壓側三相線上。6. 根據權利要求1所述的三電平地鐵能量回饋與諧波治理一體化裝置，其特征在于:所 述控制系統包括依次相連的控制器、PWM發生器和驅動模塊，以及均與控制器雙向通訊的A/ D采樣模塊和I/O電路； 所述A/D采樣模塊，用于采集數據并將采集的數據傳輸給控制器;其中，采集的數據包 括直流接觸網的電壓、交流電網低壓側的電流和諧波電流、以及一體化功率變換器的交流 信號； 所述控制器，用于接收采集的數據并進行數據處理，獲得地鐵實時工況而輸出實時控 制信號;其中，地鐵實時工況包括制動狀態、無諧波電流的正常運行狀態和存在諧波電流的 正常運行狀態，實時控制信號包括能量回饋信號、待機暫停信號和諧波治理信號； 所述PWM發生器，用于根據控制器輸出的實時控制信號生成對應的PWM調制波； 所述驅動模塊作為控制系統的驅動端，用于放大HVM發生器生成的HVM調制波，并將放 大的PWM調制波傳輸給一體化功率變換器的控制端以驅動一體化功率變換器投入運行； 所述I/O電路包括輸入電路和輸出電路，輸入電路用于接收輸入信號并將輸入信號的 高電平轉換為低電平輸入控制器，輸出電路接收控制器的控制信號并將控制信號的低電平 轉換為正常工作的電壓信號輸出。7. 根據權利要求6所述的三電平地鐵能量回饋與諧波治理一體化裝置，其特征在于:所 述控制系統還包括與控制器相連的通信模塊，所述通信模塊用于將控制器與上位機建立通 ?目； 所述控制器包括采用DSP芯片的DSP主控制器和采用FPGA芯片的FPGA輔助控制器，所述 DSP主控制器和FPGA輔助控制器依次相連、并分別與A/D采樣模塊相連； 所述DSP主控制器用于數據處理進而判斷地鐵實時工況和選擇控制信號；所述FPGA輔 助控制器用于邏輯處理進而生成PWM波形。8. -種三電平地鐵能量回饋與諧波治理一體化裝置的控制方法，其特征在于，包括以 下步驟： 1) 系統設定直流接觸網的觸發電壓，通過控制系統中的A/D采樣模塊實時檢測直流接 觸網電壓，控制系統中的控制器將采集的直流接觸網電壓與系統設定的觸發電壓進行比 較，并判斷直流接觸網電壓是否大于觸發電壓； 若是，則判斷地鐵實時工況為制動狀態，則執行步驟2); 若否，則執行步驟3); 2) 控制器啟動能量回饋算法，生成能量回饋調制波，經PWM發生器和驅動模塊輸出能量 回饋信號，能量回饋信號送入一體化功率變換器以能量回饋模式投入運行，一體化功率變 換器對接入的制動能量進行逆變后回饋給地鐵供電網的交流電網； 3) 當A/D采樣模塊實時檢測到直流接觸網的電流逆流，控制器判斷地鐵實時工況為正 常運行狀態； 通過A/D采樣模塊實時檢測交流電網低壓側的電流，控制器判斷諧波電流是否超標； 若是，則執行步驟4); 若否，則控制器立刻封鎖PWM脈沖輸出，使得一體化功率變換器暫停進入待機模式； 4) 控制器啟動諧波補償算法，生成諧波分量調制波，經PWM發生器和驅動模塊輸出實際 補償控制信號，一體化功率變換器投入運行，產生反向補償電流以抵消諧波電流而將畸變 的交流電網補償為正弦波。9. 根據權利要求8所述的三電平地鐵能量回饋與諧波治理一體化裝置的控制方法，其 特征在于:所述步驟3)中的控制器判斷諧波電流是否超標，具體為， 3-1)采集到的交流電網低壓側的三相電流分別為ia、ib和i。，經abc/dq坐標變換，得到 交流電網低壓側的有功電流id和無功電流iq; 3-2)有功電流id和無功電流iq通過低通濾波器后留下直流分量，再經過坐標反變換得 到三相基波電流分別為iaf、ibf和icf; 3-3)將采集到的交流電網低壓側的三相電流分別減去計算得到的三相基波電流，得到 三相電流諧波分量為iha、ihb和ihc; 3- 4)當三相電流諧波分量iha、ihb和ih。大于零時，則判斷存在諧波電流，同時對比基波 值，可確定電流畸變程度； 當三相電流諧波分量iha、ihb和ih。等于零時，則判斷無諧波電流。10.根據權利要求9所述的三電平地鐵能量回饋與諧波治理一體化裝置的控制方法，其 特征在于:所述步驟4)具體為， 4- 1)將交流電網低壓側的有功電流id與有功參考電流1/進行PI調節，將交流電網低壓 偵啲實時無功電流iq與無功參考電流1，進行？1調節，再經過dq/abc變換后與三相電流諧波 分量i ha、ihb和ih。計算得到PWM調制信號的調制波； 4-2)控制器根據PWM調制信號的調制波計算生成PWM波形，經PWM發生器和驅動模塊輸 出實際補償控制信號，實際補償控制信號輸出到三電平電壓型逆變器的IGBT管，利用各橋 臂IGBT管的開通關斷產生與諧波電流大小相等、方向相反的反向補償電流i s，用來抵消諧 波電流，將畸變的交流電網補償為正弦波。
【文檔編號】H02J3/01GK106026185SQ201610619661
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月29日
【發明人】張亮, 水恒華, 朱泱, 裴謙, 張丹, 姜風雷
【申請人】南京工程學院