一種基於pwm整流器的牽引供電裝置及控制方法
2023-05-30 06:55:21
專利名稱：一種基於pwm整流器的牽引供電裝置及控制方法
技術領域：
本發明屬於軌道交通牽引供電領域，具體涉及一種基於PWM整流器的牽引 供電裝置及控制方法。
背景技術：
城市軌道交通是關係國計民生的重要行業，牽引供電為城市軌道交通提供 電能，是這個領域的一個至關重要的環節。目前，城市軌道交通主要採用750V 和1500V直流供電制式。 一般來用12脈波或24脈波二極體整流，這種二極體 整流器沿用至今己經有幾十年歷史，它的最大優點是裝置結構簡單、性能可靠， 但是它也存在著直流電壓不可控、電壓波動大、對交流電網的諧波汙染大的問 題。此外，由於城軌車輛需要頻繁的起動和制動，而在車輛快速啟動時，需要 的牽引功率大，由二極體整流輸出的直流電壓會迅速跌落；在車輛制動時，為了防止直流電壓升高超過限制值，只能用電阻將制動能量消耗掉，造成能量的 極大浪費。因此研製一種直流電壓穩定、諧波汙染小，並能夠將制動能量反饋 回交流電網的牽引供電裝置具有重要意義。發明內容本發明提出一種基於PWM整流器(電壓型)的牽引供電裝置及控制方法， 目的是為城市軌道交通車輛提供一種直流電壓穩定，能夠反饋制動能量，對交 流電網諧波汙染小，可靠性高的牽引供電電源，最大限度的實現節能減排。本發明的技術方案如下一種基於PWM整流器的牽引供電裝置，它由變壓器、PWM整流器、控制板、上位機、開關電源五大部分組成。變壓器的一次側接交流電網，二次側 接PWM整流器的輸入端，PWM整流器輸出接直流接觸網；整流器採用PWM整流器的功率開關管採用高集成度的智能功率模塊，控制板中採用CPLD進行 故障判斷和脈衝封鎖，並通過光纖接口傳輸6路PWM脈衝，驅動PWM整流器 中功率開關管工作。所述的PWM整流器包括交流電感、交流濾波電容器、智能功率模塊、熔 斷器、直流濾波電容器、A、 B相電壓傳感器、直流電壓傳感器和直流電流傳感 器。構成PWM整流器的器件間的連接在變壓器副邊A和B相上分別接A相電壓傳感器和B相電壓傳感器；變壓 器副邊接交流濾波電容，同時接交流濾波電感的一端，交流濾波電感的另一端 分別接到三個智能功率模塊的中點，三個智能功率模塊的頂端併到一起接熔斷 器的一端，熔斷器另一端接直流側濾波電容的正端，正端上安裝直流電流傳感器三個智能功率模塊的底端也併到一起接到直流支撐電容器的負端N;在正端 和負端N之間連接直流電壓傳感器；交流電感、交流濾波電容器和電網側變壓器的漏感構成一個不對稱T型濾波器。所述的控制板包括調理電路、故障檢測電路、DSP、 CPLD、存儲器、光 纖接口電路和乙太網接口電路。具體連接關係為調理電路輸入與傳感器連接， 調理電路輸出接DSP進行採樣，同時接故障檢測電路，故障檢測電路輸出接 CPLD; DSP的PWM 口接到CPLD，並經過CPLD接到光纖接口電路；此外， DSP與存儲器通過I2C總線相連；DSP的數據線、地址線和讀寫信號線接以太 網接口電路。一種基於PWM整流器的牽引供電裝置的控制方法，其該控制方法具體實施步驟為(1) 檢測兩相交流電壓，利用鎖相環得到電網電壓同步角；(2) 利用同步角，將檢測的兩相交流電流轉換到同步旋轉d-q坐標系，得 到d軸電流和q軸電流；(3) 將直流電壓給定值與實際檢測的直流電壓相減，並進行PI運算，得到 電流環d軸電流的給定值，而q軸電流給定值取O;(4) 將(3)中的d軸電流給定值與(2)中的d軸電流相減，並進行PI 運算，得到d軸控制電壓；同理，將(3)中的q軸電流給定值與(2)中的q 軸電流相減，並進行PI運算，得到q軸控制電壓；(5) 將(4)中d軸控制電壓和q軸控制電壓變換到靜止坐標系，得到ci 軸電壓和e軸電壓；(6) 利用ci軸電壓和P軸電壓進行空間電壓矢量脈寬調製，得到6路PWM脈衝。本發明和已有技術相比所具有的有益效果(l)採用PWM整流器，直流電 壓穩定、功率因數高、對電網諧波汙染小，並且能量可以雙向流動，能夠將車 輛制動能量反饋回交流電網供其它車輛使用，節能效果顯著；(2)主電路中功 率開關器件採用大功率、高集成度的智能功率模塊，避免了多個小功率器件並 聯帶來的電路結構和驅動電路複雜的問題，使主電路結構和驅動電路極大簡化， 裝置可靠性提高；(3)釆用CPLD進行故障判斷和脈衝封鎖，控制系統簡化， 保護速度快；(4)配備專門的上位機作為人機互動接口，方便對裝置進行全面 實時監控和故障診斷；(5)採用DSP基於同步旋轉坐標系的電壓電流雙閉環控 制方法，保證直流電壓穩定、動態響應快。
圖1為基於P德整流器的牽引供電裝置組成框2 PWM整流器主電路 圖3控制板電路 圖4調理電路 圖5故障檢測電路 圖6 DSP電路 圖7 CPLD電路 圖8光纖接口電路 圖9乙太網接口電路 圖10存儲器電路圖11基於同步旋轉坐標系的電壓電流雙閉環控制原理圖 圖12軟體鎖相環原理圖具體實施方式
本實施例所述牽引供電裝置，直流電壓為750V，功率500kW。 本實施例所述牽引供電裝置，如圖1所示，該裝置由變壓器、PWM整流器、 控制板、上位機、開關電源五大部分組成。變壓器用於隔離和降壓，變壓器一 次側接交流電網，二次側接PWM整流器；PWM整流器用於實現AC/DC功率 變換，直流輸出接到直流接觸網，為軌道交通車輛提供直流供電電源；控制板 通過檢測PWM整流器交流側電壓電流和直流側電壓電流，完成相應的控制，發 出6路PWM驅動脈衝，驅動PWM整流器中功率幵關管工作，同時實施對裝置 的保護；上位機與控制板通過乙太網雙向連接，對裝置進行控制，以及顯示關 鍵變量波形、進行數據存儲和故障報警。所述牽引供電裝置中開關電源，主要用於為控制板供電，將輸入的220V交 流變為控制板提供5V、 土15V、 24V電源，該開關電源輸出穩定、紋波小、可靠性高。如圖2所示，所述牽引供電裝置中PWM整流器包括交流電感、交流濾波 電容器、智能功率模塊、熔斷器、直流濾波電容器、A、 B相電壓傳感器、直流 電壓傳感器和直流電流傳感器。構成PWM整流器的器件間的連接在變壓器副邊A和B相上分別接A相電壓傳感器1和B相電壓傳感器2; 變壓器副邊接交流濾波電容3，同時接交流濾波電感4的一端，交流濾波電感4 的另一端分別接到三個智能功率模塊5、 6、 7的中點，三個智能功率模塊的頂 端併到一起接熔斷器8的一端，熔斷器另一端接直流側濾波電容10的正端P， 正端P上安裝直流電流傳感器9三個智能功率模塊的底端也併到一起接到直流 支撐電容器C的負端N;在正端P和負端N之間連接直流電壓傳感器11;交流 電感4、交流濾波電容器3和電網側變壓器的漏感構成一個不對稱T型濾波器， 相對於傳統的僅有一個電感L的濾波器，濾波器階數更高，濾波器整體體積大 大減小，主要用於濾除交流電流中的開關頻率次諧波電流，減小對電網的諧波 汙染。所述牽引供電裝置中變壓器採用環氧樹脂澆注乾式變壓器， 一次側輸入電壓 10kV，採用星形連接，便於高壓側接地，二次側輸出電壓420V，也採用星形連 接，變壓器容量500kVA。交流濾波電容器3採用無極性電容，星型連接，電容耐壓450VAC，容量為 150uF。智能功率模塊5、 6、 7均採用西門康公司的SKiiP系列智能IGBT功率模塊， 參數1700V/2400A，型號為SKiiP 2403GB173D。每個含有上下兩個開關管， 自帶散熱器，每個功率模塊集成驅動、短路保護、電流傳感器、溫度傳感器， 光纖接口。功率模塊之間通過無感母排連接，減小寄生參數對主電路的影響。每個模塊可以流過數千安培的電流，方便使用、可靠性高。由於智能功率模塊 內部集成了電流傳感器，所以不需要外加交流電流傳感器就可得到兩相交流電 流/。禾口"熔斷器8採用Ferraz公司750V/1600A快速熔斷器，型號為A75P1600-4。且其安裝位置特殊(在功率模塊與直流支撐電容之間)，使得當功率模塊貫穿短 路或直流輸出短路時都能夠起保護作用，防止故障範圍擴大。直流側濾波電容10的耐壓為1200V，容量為20000uF，由多個400V耐壓 的電解電容串並聯而成或多個薄膜電容並聯而成的電容器組，用於濾除直流電壓紋波，穩定直流電壓。A、 B相電壓傳感器用於測量兩相交流電壓Ua和Ub，用於交流過欠壓保護， 以及軟體鎖相環。直流電壓傳感器都採用LEM公司IOOOV的電壓傳感器，型號 為AV100-1000;直流電流傳感器採用LEM公司1000A的電流傳感器，型號 為LT1005-S。直流電壓傳感器ll用於測量直流電壓Udc,進行閉環控制，穩直流電壓。 直流電流傳感器9用於測量直流輸出電流Idc，計算供電裝置輸出功率和直 流短路保護。上位機，其通過乙太網與控制板中DSP進行通信和數據交換。該上位機採 用工業計算機或可攜式筆記本電腦，既能作為固定的系統監控裝置，放置在供 電站的監控室；也能用於初期的系統調試，記錄和顯示關鍵電量的波形，提高 調試效率。該上位機中程序使用高級語言編寫，實現數據存儲、變量顯示、諧 波分析、電量計算、故障報警功能。圖3為所述牽引供電裝置中控制板電路包括調理電路、故障檢測電路、 DSP、 CPLD、存儲器、光纖接口電路和乙太網接口電路。控制板電路見圖3至圖10，其構成的各器件之間的連接關係如下，調理電路的輸入埠 Ua與A相電壓傳感器1相連，輸入埠 Ub與B相電 壓傳感器2相連，輸入埠 Ia和Ib分別接到智能功率模塊5和6的電流傳感器 輸出端，輸入埠 Idc與直流電流傳感器9相連，輸入埠 Udc直流電壓傳感器 ll相連，調理電路的輸出埠 Uai、 Ubi、 Iai、 Ibi、 Idci、 Udci分別與故障檢測 電路的輸入埠 Uai、 Ubi、 Iai、 Ibi、 Idci、 Udci依次連接，調理電路的輸出端 口 ADUa、ADUb、ADIa、ADIb 、ADIdc 、ADUdc分別與DSP的輸入埠 ADUa、 ADUb、 ADIa、 ADIb 、 ADIdc 、 ADUdc依次連接；故障檢測電路的埠 DCOV、 DCUV、 ACUV、 ACOV分別與CPLD的埠 DCOV、 DCUY、 ACUV、 ACOV依次連接；DSP的埠 PWM1、 PWM2、 P窗3、 PWM4、 PWM5、 PWM6分另'J與CPLD 的埠、 P窗l、 PWM2、 P麗3、 PWM4、 PWM5、 PWM6依次連接；CPLD的埠 XPWM1、 XPWM2、 XPWM3、 XPWM4、 XPWM5、 XPWM6 分別與光纖接口電路的埠 XPWM1、 XPWM2、 XPWM3、 XPWM4、 XPWM5、 XPWM6依次連接；纖接口電路的埠與智能功率模塊連接；DSP的埠 ETHJTEST、 ETHBHEn、 ETH—RST、 ETH.國ENn、 ETH—IOR、 ETH..IOW、 XA1 、 XA2、 XA3、 XD0至XD15依次與乙太網接口電路的埠 Em/TEST、 ETHBHEn、 T汪-RST、 ETH—ENn、 ETH—IOR、 ETH—IOW、 XA1、 XA2 、 XA3 、 XD1至XD15相連接，DSP的埠 SCL、 SDA分別與存儲器 的SCL、 SDA連接。控制板中，包括RC低通濾波電路和加法電路，用於對來自PWM整流器中 各傳感器的電壓和電流信號進行濾波，濾除高頻幹擾，並將信號變換到0-3V以 內，然後送到DSP進行AD採樣，同時也送到故障檢測電路。故障檢測電路由比較器和電阻電容組成，其將來自調理電路的電壓電流信號與設定保護值進行比較，並將比較輸出的故障信號送到CPLD中；CPLD對所 有故障信號進行邏輯處理，如果發生嚴重故障，立刻封鎖脈衝，並給DSP的功 率保護中斷口 PDPINT —個中斷信號；DSP發出的PWM脈衝經過CPLD後送 到光纖接口電路，再送到各智能功率模塊，所以CPLD很容易實現硬體封鎖脈 衝的功能；所述存儲器與DSP通過SPI總線相連，用於永久存儲一些重要運行 參數和系統信息，掉電不丟失；所述乙太網接口電路與DSP通過數據線、地址 線，以及少數控制線相連，用於實現與上位機的高速數據交換。 光纖接口電路由電阻、三極體、接口組成。所述DSP採用TI公司的32位高性能數位訊號處理器TMS320F2812，時鐘 頻率150M;所述CPLD主要用於邏輯保護和脈衝封鎖，採用Ateral公司的 EMP3128A;所述乙太網接口電路中主要包括一塊10M乙太網控制晶片，信號 CS8900A;所述存儲器採用非易失性鐵電存儲器，掉電後數據不丟失，其採用 SPI總線與DSP進行數據交換，型號為FM24CL64。 DSP和CPLD採用同類器 件，均能達到本發明的有益效果。所述牽引供電裝置中上位機採用工業控制計算機，CPU採用雙核高性能處理 器，保證運算速度；網卡採用IOOM乙太網卡；配置了 160G大容量硬碟，用於 實時存儲供電裝置運行數據，以備將來查閱；採用不間斷電源(UPS)對上位機 供電，確保供電安全。所述牽引供電裝置中開關電源採用多個開關電源模塊，提供4路隔離的穩 定直流電壓，包括1路5V， 1路15V, 1路-15V, 1路24V，總額定功率約IOOW， 輸入220V交流電來自UPS。如上所述一種基於PWM整流器的牽引供電裝置，其中的PWM整流器控制採用基於同步旋轉坐標系的電壓電流雙閉環控制，如圖4所示，其中/。、 /6為兩 相交流電流，w。、",為兩相交流電壓。該控制方法如圖11所示，其具體實施步驟為-(1) 檢測兩相交流電壓Ua和Ub，利用鎖相環得到電網電壓同步角^。(2) 利用同步角P，將檢測的兩相交流電流/。和^轉換到同步旋轉d-q坐標 系，得到d軸電流^和q軸電流^。(3) 將直流電壓給定值U*dc與實際檢測的直流電壓Udc相減，並進行PI 運算，得到電流環d軸電流的給定值O，而q軸電流給定值《取0。(4) 將(3)中的d軸電流給定值Z:與(2)中的d軸電流/,相減，並進行 PI運算，得到d軸控制電壓^;同理，將(3)中的q軸電流給定值/:與(2) 中的q軸電流/。相減，並進行PI運算，得到q軸控制電壓Uq。(5) 將(4)中Ud和Uq變換到靜止坐標系，得到Ua和Up。(6) 利用Ua和Up進行空間電壓矢量脈寬調製(SVPWM)，得到6路PWM脈衝。所述的PI控制都採用抗飽和PI調節器。電壓外環和電流內環的PI控制都採用抗飽和型數字PI調節器。 上述控制方法中，鎖相環採用軟體鎖相環，原理如圖12所示，其主要包括 坐標變換、濾波、PI調節、積分四個部分。該鎖相環工作流程是利用當前同 步角^將靜止坐標系下的兩相交流電壓Ua、 Ub轉換到同步旋轉坐標系得到Ud、 Uq，然後將q軸電壓Uq送入濾波環節，濾除電網電壓畸變或幹擾引入的高頻成 分後，再與q軸電壓給定值O進相減後進行PI調節，PI的輸出作為對角頻率的 修正量A^，加上工頻角頻率必後進行積分，最後得到修正後的同步角0。只要 當前同步角P經坐標變換得到的電網電壓在旋轉坐標系下的q軸分量不等於零，就表明當前同步角還未完全與電網電壓同步，從而導致PI輸出的角頻率修正量 Aw發生相應變化，並使輸出的同步角^也發生變化，閉環穩定時所得《角即為所 需電網電壓同步角。相對於傳統依賴過零點檢測的硬體鎖相環而言，軟體鎖相 環可以簡化硬體電路，同時可以藉助靈活的軟體濾波措施增強對諧波幹擾和電 壓畸變的抑制能力。
權利要求
1.一種基於PWM整流器的牽引供電裝置，該裝置包括變壓器、整流器、控制板、上位機和開關電源，開關電源為控制板提供電源；變壓器的一次側接交流電網，二次側接整流器的輸入端，整流器直流輸出接直流接觸網；其特徵在於，整流器採用PWM整流器，其功率開關管採用高集成度的智能功率模塊，控制板中採用CPLD進行故障判斷和脈衝封鎖，並通過光纖接口傳輸6路PWM脈衝，驅動PWM整流器中功率開關管工作。
2. 根據權利要求1所述的一種基於PWM整流器的牽引供電裝置，其特徵 在於，構成PWM整流器的器件之間的連接為.在變壓器副邊A和B相上分別接A相電壓傳感器(1)和B相電壓傳感器 (2);變壓器副邊接交流濾波電容(3)，同時接交流濾波電感(4)的一端，交 流濾波電感(4)的另一端分別接到三個智能功率模塊(5、 6、 7)的中點，三 個智能功率模塊的頂端併到一起接熔斷器(8)的一端，熔斷器另一端接直流側 濾波電容(10)的正端(P),正端(P)上安裝直流電流傳感器(9)三個智能 功率模塊的底端也併到一起接到直流支撐電容器(C)的負端N;在正端(P) 和負端N之間連接直流電壓傳感器(11);交流電感(4)、交流濾波電容器(3)和電網側變壓器的漏感構成一個不對 稱T型濾波器。
3. 根據權利要求1所述的一種基於PWM整流器的牽引供電裝置，其特徵在 於，所述變壓器採用環氧樹脂澆注乾式變壓器， 一次側和二次側均採用星形連 接。
4. 根據權利要求1所述的一種基於PWM整流器的牽引供電裝置，其特徵在 於，交流濾波電容器(3)採用無極性電容，星形連接。
5. 根據權利要求1所述的一種基於PWM整流器的牽引供電裝置，其特徵在於，所述的控制板包括調理電路、故障檢測電路、DSP、 CPLD、存儲器、光 纖接口電路和乙太網接口電路；具體連接關係為調理電路輸入與主電路中的 傳感器連接，調理電路輸出接DSP進行採樣，同時接故障檢測電路，故障檢測 電路輸出接CPLD; DSP的PWM脈衝輸出口接到CPLD，並經過CPLD接到光 纖接口電路；此外，DSP與存儲器通過I2C總線相連；DSP的數據線、地址線 和讀寫信號線接乙太網接口電路。
6. 根據權利要求1所述的一種基於PWM整流器的牽引供電裝置，其特徵 在於，上位機與控制板通過乙太網雙向連接。
7. —種基於PWM整流器的牽引供電裝置的控制方法，其特徵在於，該控制 方法具體實施步驟為(1) 檢測兩相交流電壓Ua和Ub，利用鎖相環得到電網電壓同步角e;(2) 利用同步角P，將檢測的兩相交流電流z;和/6轉換到同步旋轉d-q坐標 系，得到d軸電流/,和q軸電流^(3) 將直流電壓給定值U、與實際檢測的直流電壓Ude相減，並進行PI運算，得到電流環d軸電流的給定值《，而q軸電流給定值《取0;(4) 將(3)中的d軸電流給定值^與(2)中的d軸電流/,相減，並進行 PI運算，得到d軸控制電壓Ud;同理，將(3)中的q軸電流給定值/;與(2) 中的q軸電流/^目減，並進行PI運算，得到q軸控制電壓uq。(5) 將(4)中Ud和Uq變換到靜止坐標系，得到U。和Ue;(6) 利用Ua和Ue進行空間電壓矢量脈寬調製，得到6路PWM脈衝。
8. 根據權利要求6所述的一種基於PWM整流器的牽引供電裝置的控制方 法，其特徵在於，所述鎖相環採用軟體鎖相環，該軟體鎖相環是利用當前同步 角將靜止坐標系下電網電壓轉換到同步旋轉坐標系，然後將得到的q軸電壓送入濾波環節濾除高頻幹擾，再與q軸電壓給定值O相減後進行PI控制，PI的輸 出為角頻率修正量Aw，加上工頻角頻率w後進行積分，得到電網電壓同步角-。 9.根據權利要求6所述的一種基於PWM整流器的牽引供電裝置的控制方法， 其特徵在於，所述的PI控制都採用抗飽和PI調節器。
全文摘要
本發明公開了一種基於PWM整流器的牽引供電裝置，該裝置包括變壓器、整流器、控制板、上位機和開關電源；特徵在於整流器採用PWM整流器，其功率開關管採用高集成度的智能功率模塊，控制板中採用CPLD進行故障判斷和脈衝封鎖，並通過光纖接口傳輸6路PWM脈衝，驅動PWM整流器中功率開關管工作，上位機通過乙太網接到控制板，並對整流器狀態進行監控和故障診斷；該整流器採用基於同步旋轉dq坐標系的電流解耦控制，利用鎖相環獲得電網電壓同步角，然後分別對d軸電流和q軸電流進行PI調節，並用空間矢量脈寬調製的方法產生6路PWM脈衝。
文檔編號H02M1/12GK101306653SQ200810103529
公開日2008年11月19日 申請日期2008年4月8日 優先權日2008年4月8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