一种四象限变流型再生能量逆变回馈装置的制造方法
一种四象限变流型再生能量逆变回馈装置的制造方法
【技术领域】：
[0001] 本发明属于轨道交通电力系统技术领域，设及一种逆变形式的再生能量吸收装 置，特别是一种四象限变流型再生能量逆变回馈装置。
【背景技术】：
[000引多年来，在轨道交通领域中，车辆已普遍采用再生电制动，再生电制动时牵引电机 运行在发电模式，向牵引网回馈再生能量，此部分能量如果未被其它车辆或本车用电负荷 完全消耗掉，则会导致牵引网及直流供电母线电压的升高，危及沿线电气设备。尤其车辆密 度少、发车间隔长的线路或车辆段、试验线上更为严重。导致此种现象的根本原因归结为目 前大多数轨道交通直流供电采用的是不控二极管整流，电能只有单方向流动，再生能量无 法回送至供电电网；为了防止母线电压的升高，必须采取适当的措施，近几年国内外研究人 员提出了多种再生能量处理方式，也有不少方式已成功投入运营，但无论哪种方式都有它 的优缺点和适用环境；归纳起来有电阻耗能方式、储能媒介储能方式、逆变回馈方式、四象 限整流逆变方式等，每种方式都有其延伸方式，某些还处于起步和实验阶段；电阻耗能方式 比较成熟，控制方式也相对简单，国内外大部分城市早期使用的基本都是此种方式，分为车 载电阻分散耗能及地面电阻集中耗能方式，把车辆制动时的再生电能通过热负载电阻W热 能的形式消耗掉，造成了极大的能源浪费；不仅如此，为了驱散制动电阻耗能时产生的大量 热量，需要在站台、隧道等沿线增加排风容量，造成二次能源浪费，并且制动电阻放置于地 面变电站或地铁车站时，造成的噪音污染也是城市规划所不容许的；响应国家节能减排号 召，再生能量的电阻耗能方式已不适应轨道交通供电发展形势。
[0003] 近几年国内也出现了混合逆变（逆变回馈+电阻耗能）形式的再生能量吸收装 置，其中逆变回馈主要W站内400V用电网络和整流变压器二次侧为回馈节点，而纯逆变模 式因上述节点功率容量问题，在国内还未有工程先列。但在国外，纯逆变回馈技术已相当成 熟，有不少成功案例。但是此种方式只能解决直流母线电压的升高问题，并不能解决直流母 线电压的跌落问题；利用超级电容、高性能裡电池或真空飞轮、超导体等储能媒介来储存制 动时的再生电能，待电压跌落时再释放出去的方式为最理想的方式，但各种储能媒介的容 量、寿命、工艺、成本等一系列问题限制着此种模式的普及和发展。如德国的飞轮储能、超级 电容储能；如日本的超级电容储能、裡离子电池储能；韩国的超级电容储能等，各种储能方 式都有自己的优缺点和实现难度，有待于继续完善和改进；因此在当前形势下，最为经济有 效的方式为四象限变流方式，当直流母线电压升高时逆变回馈，当直流母线电压降低时整 流取电。此种方式有两个前提条件；一是交流侧并网点为集中供电中压环网侧，系统容量足 够大，不会出现能量倒送至大电网的现象；二是在四象限变流器本身容量不足够大的情况 下，需采用与牵引整流变压器并列运行的隔离升压变压器，该样才能作为牵引变压器的辅 助，提升直流母线电压的跌落。
[0004] 目前，满足四象限运行、中压环网逆变回馈、可与牵引整流变压器并列运行的现有 技术情况如下：
[0005] 北京交通大学于2008年04月14日申请，于2008年08月27日公开的公开号为 CN101249806A的发明专利申请《一种模块化的能量回馈式牵引供电装置及其控制方法》，该 专利包含一台多绕组变压器、多个PWM整流器单元和一个中央控制器，该装置能够实现牵 引整流及再生能量逆变回馈功能，但该装置对多个PWM整流器采用基于CAN网络的集中控 审|J，PWM模块间并不是完全独立，而且采用的变压器为一台多绕组变压器，独立性比较弱，由 于该装置侧重于牵引供电，并不与现有牵引整流变压器并联运行，导致体积非常大、成本高 昂，实际上牵引能量比制动能量大很多倍，顾及牵引能量就会对制动能量回馈造成不必要 的成本投入，并且该装置并不实行静置无功补偿功能；株洲变流技术国家工程研究中屯、于 2011年05月09日申请，于2011年12月07日公开的公开号为CN102267405A的发明专利 申请《一种能馈型牵引供电装置及其控制方法》，该装置也由一台多重化变压器、不少于两 个的四象限变流器模块、直流开关柜等部分组成，具有牵引、回馈或SVGS种工作模式，并 且能与现有供电系统兼容，能够与二极管整流牵引机组并列布置；但该装置采用的四象限 变流器模块电路拓扑结构为两电平拓扑，IGBT耐受电压高、谐波含量和滤波模块体积都会 相对较大，而且该装置也采用多个变流器模块集中控制方式，3种工作模式下所有四象限变 流器模块共用电压外环控制环节，四项限变流器间、变压器绕组间并不是完全独立状态，通 过专利名称也可知该装置侧重点还是在于牵引供电方面，整体设备的体积会比针对再生能 量逆变回馈的装置要大。
【发明内容】
：
[0006] 本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种四象限变流型再 生能量逆变回馈装置，该装置将轨道交通车辆再生制动时的电能逆变回馈至轨道交通供电 中压环网侧，降低车辆制动导致的直流母线电压的提升；通过可控整流技术将中压环网侧 电能引向直流母线，提升车辆牵引启动导致的直流母线电压的跌落；通过控制功率流向，补 偿电网无功功率，改善电能质量。
[0007] 为了实现上述目的，本发明设及的四象限变流型再生能量逆变回馈装置，其主体 结构包括隔离变压器（TB)、交流开关（KMA)、输出滤波器（LC)、四象限变流器炬L)、输入滤 波器（C)、预充电模块；隔离变压器、交流开关、输出滤波器、四象限变流器和输入滤波器依 次串联式电信息连接，隔离变压器输出侧并联后通过断路器开关与交流电网相连通，四象 限变流器直流侧并联后通过预充电模块与直流供电母线连接，四象限变流器交流侧通过交 流开关与独立的隔离变压器相连通，使故障隔离并实现投切控制；单个隔离变压器、交流开 关、输出滤波器、四象限变流器和输入滤波器组成四象限变流型再生能量逆变回馈装置的 基本单元，基本单元的功率容量根据具体情况确定为不同数值，基本单元的数量根据总功 率需求设定。
[000引本发明设及的四象限变流器是由12只IGBT功率开关管和6只错位二极管组成，IGBT功率开关管采用英飞凌1700V/600A规格开关管，四象限变流器主电路上配置相应霍 尔传感器检测电路、温度监测电路、快速烙断器保护电路及尖峰吸收电路，四象限变流器为 模块一体化结构，毎相四个IGBT功率开关管双双成组构成=种开关组合状态，共计27种开 关组合状态，代表27个电压空间矢量，控制系统根据目标向量在此空间矢量坐标中的相对 位置来计算每个作用矢量和每个矢量的作用时间，并给出相应的驱动脉冲。
[0009] 本发明设及的输出滤波器为模块一体化结构，由S相LC滤波电路组成。
[0010] 本发明设及的输入滤波器为模块一体化结构，由分压电容单元和单体电容的均压 电阻构成。
[0011] 本发明设及的预充电模块为模块一体化结构，由隔离接触器、充电电阻、充电接触 器、快速放电电阻和放电接触器构成。
[0012] 本发明设及的隔离变压器、交流开关、输出滤波器、四象限变流器、输入滤波器和 预充电模块之间相互独立且均为抽屉式电插拔结构。
[0013] 本发明设及的四象限变流器内部配置有独立的控制单元，一个四象限变流器的故 障不影响整套装置的整体性能。
[0014] 本发明设及的四象限变流器采用的可控整流及逆变并网电路拓扑结构为错位式 =电平逆变结构，能够运行于升压整流、多电平逆变和静态无功补偿工作模式，所采用的电 压电流双闭环控制环节及整流、逆变、无功补偿PI控制环节相互独立，没有共用环节。
[0015] 本发明设及的四象限变流器的脉宽调制方式采用基于中点电位控制的空间矢量 脉宽调制方法（SVPWM)。
[0016] 本发明设及的四象限变流型再生能量逆变回馈装置，还包括与其相应的监控系 统，该系统配置了广域网远程监控功能，制造商广域网远程综合监控与用户局域网综合监 控可并联运行，并且融入了电气安全指数、电能品质指数、电气火灾指数、效率衰减指数等5 大指数算法，并W可视化动态信息界面形象体现，具备了更深层的分析与保护。
[0017] 本发明与现有技术相比，各部分完全相互独立，并且为抽屉式电插拔结构，因此安 装、维护、扩展方便，各部分的独立性强，某个单元模块故障不影响整个系统；由于隔离变压 器单元模块相互独立，通过设置不同变比变压器单元，并网点可同时存在多个电压等级；由 于四象限变流单元控制系统独立，可同时存在多种控制模式，运算速率提高了多倍，PWM调 制更加精准和快速；在大功率范围内采用了多电平四象限变流技术，逆变输出T皿减小，电 压利用率高，滤波模块体积减小；监控系统融入了电气安全指数、电能品质指数、电气火灾 指数、效率衰减指数等5大指数算法，具备了更深层的分析与保护。
【附图说明】：
[0018] 图1为本发明设及的四象限变流型再生能量逆变回馈装置结构原理示意图。
[0019] 图2为本发明设及的四象限变流型再生能量逆变回馈装置的应用示意图。
[0020] 图3为本发明实施例设及的S电平四象限变流器电路拓扑结构示意图。
[0021] 图4为本发明实施例设及的四象限变流器控制原理示意图。
[0022] 图5为本发明实施例设及的四象限变流器建立矢量方程的等效电路原理示意图。
[0023] 图6为本发明实施例设及的四象交流器限运行矢量控制图。
【具体实施方式】：
[0024] 作为本发明的【具体实施方式】，下面结合本发明附图内容及与直流1500V牵引整流 变压器并联运行方式为具体实例进行详细描述。
[00巧]实施例：
[0026] 本实施例设及的四象限变流型再生能量逆变回馈装置如图1所示，，包括隔离变 压器（TB)1、交流开关（KMA)2、输出滤波器（LC)3、四象限变流器炬L)4、输入滤波器（05、 预充电模块9 ;隔离变压器1、交流开关2、输出滤波器3、四象限变流器4和输入滤波器5依 次串联连接，隔离变压器1输出侧并联后通过断路器开关10与交流电网7相连，四象限变 流器直流侧并联后通过预充电模块9与直流供电母线8连接；单个隔离变压器1、交流开关 2、输出滤波器3、四象限变流器4和输入滤波器5组成四象限变流型再生能量逆变回馈装置 的基本单元6,基本单元6的功率容量根据具体情况整定为不同数值，基本单元6的数量根 据需求来设定，本实施例中基本单元额定容量暂定为250kW，共8个基本单元组成2MW容量 四象限变流型再生能量逆变回馈装置。
[0027] 本实施例中，隔离变压器TB1~隔离变压器TB8,共8个隔离变压器组成mW额 定功率变压器柜，每个隔离变压器一次侧（变流器至电网方向看）通过对应交流接触器 KMA1~KMA8相连，每个隔离变压器二次侧（变流器至电网方向看）并联后通过交流高压断 路器QF与交流电网7相连；由输出滤波器Lcl~Lc8,四象限变流器BL1~化8,输入滤波 器C1~C8,预充电模块组成变流器柜，输入滤波器C1~C8在直流输入侧并联后与预充电 模块9相连；预充电模块9由隔离接触器KMD，充电电阻Rc及充电接触器KMC，快速放电电 阻Rf及放电接触器KMF相连；预充电模块9通过直流母线的馈线输出（直流断路器或电动 隔离开关）与直流供电母线8相连；视工程要求本发明装置可能会包含中压环网交流开关 柜或直流馈线开关柜。
[002引本实施例设及的四象限变流型再生能量逆变回馈装置的一种应用场景如图2所 示，该装置直流侧与直流供电母线8相连接，直流供电母线8通过牵引变电站11与牵引供 电中压网络701相连接，作为该装置配套隔离升压变压器101，其二次侧（变流器至电网方 向看）与牵引供电中压网络701相连接，亦可通过降压隔离变压器102二次侧（变流器至 电网方向看）与变电站低压400V网络702相连接，当有列车15再生制动导致直流母线电 压升高时，本装置运行于逆变回馈模式，此时电能的流向为再生制动车一直流牵引网14-直流供电母线8-四象限变流型再生能量逆变回馈装置13-牵引供电中压网络701 ;当有 列车启动加速导致直流供电母线电压跌落时，本装置运行于升压整流模式，作为牵引整流 变压器11的辅助把电能从牵引供电中压网络701引向直流牵引网14,此时电能的流向为牵 引供电中压网络701-四象限变流型再生能量逆变回馈装置13-直流供电母线8-直流牵 引网14-启动加速车；当四象限变流型再生能量逆变回馈装置运行于SVG模式时，该装置 通过容性运行或感性运行向牵引供电中压网络注入或吸收无功功率，改善牵引供电中压网 络电能质量。
[0029] 本实施例设及的S电平四象限变流单元电路拓扑结构如图3所示，图3中，3为交 流输出滤波器，4为四象限变流器，5为输入滤波器；输入滤波器5由分压电容单元Cdl、Cd2 及单体电容的均压电阻等部件组成，由450V/4700UF电解电容组成2700V/1560UF滤波电 容单元，整个输入滤波器5为模块一体化结构；四象限变流器4由Sal~Sa4、Sbl~Sb4、 Scl~Sc4,共12只IGBT功率开关管及Dal~化2、Dbl~化2、Dcl~化2,6只错位二极管 等器件组成S电平四象限变流电路，IGBT采用了英飞凌1700V/600A规格开关管，主电路上 配置了相应霍尔传感器检测、温度监测、快速烙断器保护及尖峰吸收电路等辅助电路，整个 为抽屉式导轨插拔结构，毎相4个IGBT双双成组形成3种开关组合状态，S相共计27种开 关组合状态，代表27个电压空间矢量，控制系统根据目标向量在此空间矢量坐标中的相对 位置来计算每个作用矢量和每个矢量的作用时间，并给出相应的驱动脉冲；交流输出滤波 器3由S相LC滤波电路组成，整个输出滤波器3为模块一体化结构，本实例中滤波电感La、 化、Lc为600uH，滤波电容化、Cb、Cc为800uF，毎相形成倒L型滤波电路；在同等条件下，S 电平四象限变流单元输出电流T皿就比两电平逆变结构低一半，加上适合的软硬件滤波， 就能使输出电压、电流T皿小于4%。输出电压、电流的谐波含量虽然与开关频率有一定关 系，但更主要的还是控制系统的调制波运算质量及对应滤波效果，并不是开关频率越高谐 波含量就越小，开关频率高反而功率损耗大、发热功率大，开关器件性能就会下降。=电平 四象限变流单元由于每个功率开关管所承受耐压为两电平时的一半，因此可采用相对低电 压、小功率开关管，虽然数量上翻了一倍，但开关管的总体成本较两电平时的高电压大功率 开关管不止降低了一倍。
[0030] 本实例采用的输出滤波为2阶滤波，在控制器内部前馈解禪算法上相对于电感滤 波要复杂一些，但是在滤波器体积及滤波效果上要优于单阶滤波。
[0031] 本实施例设及 的四象限变流器控制原理示意图如图4所示，图4中16为变流单 元，17为直流母线电压采集模块，18为每个四象限变流器控制模块，在变流单元1中，在输 出滤波单元后级处采集电网电压参数，在逆变桥输出侧采集输出电流参数，输入滤波器前 级处采集直流母线电压参数；直流母线电压采集模块17还负责支撑电容的预充电及快速 放电操作、交流接触器控制等功能，直流母线电压采集模块17把母线电压的实时变送信号 发送给各变流器控制模块18,由各变流器控制模块18对直流母线电压进行滤波及AD采样， 该样各变流器控制模块18既相互独立又节省了其余霍尔元件；四象限变流器控制模块18 中，由电压采集模块对网侧电压进行低通滤波及AD采样，S相电压值在3相数字锁相环模 块中进行油c-dq坐标变换后完成锁相，跟踪电网频率及相位，并向其它坐标变换环节发 送同步角信号，实现同步旋转变换。
[0032] 本实施例有功电流Id给定值计算模块根据给定的直流母线电压口槛值和实际直 流母线电压值、母线电压变化率及交流侧电压的整流计算值综合判定是否有车辆处于再生 制动状态，并根据直流母线电压口槛值和实际直流母线电压差值进行恒压控制运算，得出 目标吸收有功电流值I'd;无功电流I。给定值计算模块根据装置运行模式，计算出对应的无 功电流给定值I'。，当装置运行于整流或逆变模式时I'。= 0,当装置运行于无功补偿模式时 I'。为基于功率因数运算的超前或滞后电流，其幅值与所需补偿的无功功率有关。I'd与I'。 与对应的、经坐标变换后得到的实际输出电流Lb。的有功电流Id及无功电流I。进行PI运 算、前馈解禪运算后得出基准有功电压向量U'd及U'。，U'd、U'。及同步角0经化/3s变换 得到基准S相电压向量U\be;SVPWM脉宽调制模块根据U'ab。在空间矢量坐标中的位置计算 出触发脉冲序列，为了解除滤波单元对PI调节模块的禪合干扰，在U'd及U'。的运算环节加 上了的前馈解禪运算环节。
[0033] 本实施例设及的四象限变流器建立矢量方程的等效电路原理图如图5所示，可得 出如下矢量方程成立。
[0034] E = V+ {j(〇L+ /?)X/ (1)
[0035] 即，
(2)
[0036] 式似中，ea、eb、e为网侧ミ相电压，ia、ib、ic为逆变桥臂输出电流，Va、Vb、Vc为 逆变桥臂输出电压，i'。、i'b、i'为i。、ib、i。对时间的微分，式似经park变换后得
[0037]
(3)
[00測式（3)中，id、iq为逆变桥臂输出电流ia、ib、i。在dq旋转坐标下的dq轴分量，Vd、V。为逆变桥臂输出电压V。、Vb、V。在dq旋转坐标下的dq轴分量，ed为网侧电压在dq旋转 坐标下的d轴分量，忽略电阻损耗及开关损耗，得出如下交直流功率平衡式
[0039]
(4)
[0040] 式（4)中，Vd。、id。为逆变桥直流侧电压及电流分量。
[0041] 本实施例设及的四象交流器限运行矢量控制图如图6所示，图6(a)中，F滞后岩 的相角为5，/和i同相位，四象限变流单元工作在整流状态，且功率因数为1。图6化）中， f超前左的相角为5，/和i相位相差180度，四象限变流单元工作在逆变状态，且功率因 数为-1。图6(c)中，F滞后直的相角为5，/超前氧相位90度，四象限变流单元工作在容 性无功补偿状态。图6(d)中，F超前￡的相角为5，/滞后i相位90度，四象限变流单元 工作在感性无功吸收状态。
【主权项】
1. 一种四象限变流型再生能量逆变回馈装置，其特征在于主体结构包括隔离变压器、 交流开关、输出滤波器、四象限变流器、输入滤波器、预充电模块和导线；隔离变压器、交流 开关、输出滤波器、四象限变流器和输入滤波器依次串联式电信息连接，隔离变压器输出侧 并联后通过断路器开关与交流电网相连通，四象限变流器直流侧并联后通过预充电模块与 直流供电母线连接，四象限变流器交流侧通过交流开关与独立的隔离变压器相连通，使故 障隔离并实现投切控制；单个隔离变压器、交流开关、输出滤波器、四象限变流器和输入滤 波器组成四象限变流型再生能量逆变回馈装置的基本单元，基本单元的功率容量根据具体 情况确定为不同数值，基本单元的数量根据总功率需求设定。2. 根据权利要求1所述四象限变流型再生能量逆变回馈装置，其特征在于所述四象限 变流器是由12只IGBT功率开关管和6只钳位二极管组成，IGBT功率开关管1700V/600A规 格开关管，四象限变流器主电路上配置相应霍尔传感器检测电路、温度监测电路、快速熔断 器保护电路及尖峰吸收电路，四象限变流器为模块一体化结构，每相四个IGBT功率开关管 双双成组构成三种开关组合状态，共计27种开关组合状态，代表27个电压空间矢量，控制 系统根据目标向量在此空间矢量坐标中的相对位置来计算每个作用矢量和每个矢量的作 用时间，并给出相应的驱动脉冲。3. 根据权利要求1所述四象限变流型再生能量逆变回馈装置，其特征在于所述输出滤 波器为模块一体化结构，由三相LC滤波电路组成；输入滤波器为模块一体化结构，由分压 电容单元和单体电容的均压电阻构成；预充电模块为模块一体化结构，由隔离接触器、充电 电阻、充电接触器、快速放电电阻和放电接触器构成。4. 根据权利要求1所述四象限变流型再生能量逆变回馈装置，其特征在于所述隔离变 压器、交流开关、输出滤波器、四象限变流器、输入滤波器和预充电模块之间相互独立且均 为抽屉式电插拔结构。5. 根据权利要求1所述四象限变流型再生能量逆变回馈装置，其特征在于所述四象限 变流器内部配置有独立的控制单元，一个四象限变流器的故障并不影响整套装置的整体性 能。6. 根据权利要求1所述四象限变流型再生能量逆变回馈装置，其特征在于所述四象限 变流器采用的可控整流及逆变并网电路拓扑结构为钳位式三电平逆变结构，能够运行于升 压整流、多电平逆变和静态无功补偿工作模式，所采用的电压电流双闭环控制环节及整流、 逆变、无功补偿PI控制环节相互独立，没有共用环节。7. 根据权利要求1所述四象限变流型再生能量逆变回馈装置，其特征在于所述四象限 变流器的脉宽调制方式为基于中点电位控制的空间矢量脉宽调制方法。
【专利摘要】本发明属于轨道交通电力系统技术领域，涉及一种四象限变流型再生能量逆变回馈装置，其主体结构包括隔离变压器、交流开关、输出滤波器、四象限变流器、输入滤波器、预充电模块和导线；隔离变压器、交流开关、输出滤波器、四象限变流器和输入滤波器依次串联式电信息连接，单个隔离变压器、交流开关、输出滤波器、四象限变流器和输入滤波器组成四象限变流型再生能量逆变回馈装置的基本单元，基本单元的电能容量根据具体情况整定为不同数值，基本单元的数量根据需求来设定；该装置安装、维护、扩展方便，各部分的独立性强，某个单元模块故障不影响整个系统，可同时存在多种控制模式，运算速率提高了多倍，PWM调制更加精准和快速。
【IPC分类】H02M7/797, B60M3/06, B60M3/00
【公开号】CN104901579
【申请号】CN201510363485
【发明人】武华军, 安刚虎, 蓝信章, 徐长勤
【申请人】青岛海能阿尔派轨道电力设备工程科技有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月26日
【技术领域】：
[0001] 本发明属于轨道交通电力系统技术领域，设及一种逆变形式的再生能量吸收装 置，特别是一种四象限变流型再生能量逆变回馈装置。
【背景技术】：
[000引多年来，在轨道交通领域中，车辆已普遍采用再生电制动，再生电制动时牵引电机 运行在发电模式，向牵引网回馈再生能量，此部分能量如果未被其它车辆或本车用电负荷 完全消耗掉，则会导致牵引网及直流供电母线电压的升高，危及沿线电气设备。尤其车辆密 度少、发车间隔长的线路或车辆段、试验线上更为严重。导致此种现象的根本原因归结为目 前大多数轨道交通直流供电采用的是不控二极管整流，电能只有单方向流动，再生能量无 法回送至供电电网；为了防止母线电压的升高，必须采取适当的措施，近几年国内外研究人 员提出了多种再生能量处理方式，也有不少方式已成功投入运营，但无论哪种方式都有它 的优缺点和适用环境；归纳起来有电阻耗能方式、储能媒介储能方式、逆变回馈方式、四象 限整流逆变方式等，每种方式都有其延伸方式，某些还处于起步和实验阶段；电阻耗能方式 比较成熟，控制方式也相对简单，国内外大部分城市早期使用的基本都是此种方式，分为车 载电阻分散耗能及地面电阻集中耗能方式，把车辆制动时的再生电能通过热负载电阻W热 能的形式消耗掉，造成了极大的能源浪费；不仅如此，为了驱散制动电阻耗能时产生的大量 热量，需要在站台、隧道等沿线增加排风容量，造成二次能源浪费，并且制动电阻放置于地 面变电站或地铁车站时，造成的噪音污染也是城市规划所不容许的；响应国家节能减排号 召，再生能量的电阻耗能方式已不适应轨道交通供电发展形势。
[0003] 近几年国内也出现了混合逆变（逆变回馈+电阻耗能）形式的再生能量吸收装 置，其中逆变回馈主要W站内400V用电网络和整流变压器二次侧为回馈节点，而纯逆变模 式因上述节点功率容量问题，在国内还未有工程先列。但在国外，纯逆变回馈技术已相当成 熟，有不少成功案例。但是此种方式只能解决直流母线电压的升高问题，并不能解决直流母 线电压的跌落问题；利用超级电容、高性能裡电池或真空飞轮、超导体等储能媒介来储存制 动时的再生电能，待电压跌落时再释放出去的方式为最理想的方式，但各种储能媒介的容 量、寿命、工艺、成本等一系列问题限制着此种模式的普及和发展。如德国的飞轮储能、超级 电容储能；如日本的超级电容储能、裡离子电池储能；韩国的超级电容储能等，各种储能方 式都有自己的优缺点和实现难度，有待于继续完善和改进；因此在当前形势下，最为经济有 效的方式为四象限变流方式，当直流母线电压升高时逆变回馈，当直流母线电压降低时整 流取电。此种方式有两个前提条件；一是交流侧并网点为集中供电中压环网侧，系统容量足 够大，不会出现能量倒送至大电网的现象；二是在四象限变流器本身容量不足够大的情况 下，需采用与牵引整流变压器并列运行的隔离升压变压器，该样才能作为牵引变压器的辅 助，提升直流母线电压的跌落。
[0004] 目前，满足四象限运行、中压环网逆变回馈、可与牵引整流变压器并列运行的现有 技术情况如下：
[0005] 北京交通大学于2008年04月14日申请，于2008年08月27日公开的公开号为 CN101249806A的发明专利申请《一种模块化的能量回馈式牵引供电装置及其控制方法》，该 专利包含一台多绕组变压器、多个PWM整流器单元和一个中央控制器，该装置能够实现牵 引整流及再生能量逆变回馈功能，但该装置对多个PWM整流器采用基于CAN网络的集中控 审|J，PWM模块间并不是完全独立，而且采用的变压器为一台多绕组变压器，独立性比较弱，由 于该装置侧重于牵引供电，并不与现有牵引整流变压器并联运行，导致体积非常大、成本高 昂，实际上牵引能量比制动能量大很多倍，顾及牵引能量就会对制动能量回馈造成不必要 的成本投入，并且该装置并不实行静置无功补偿功能；株洲变流技术国家工程研究中屯、于 2011年05月09日申请，于2011年12月07日公开的公开号为CN102267405A的发明专利 申请《一种能馈型牵引供电装置及其控制方法》，该装置也由一台多重化变压器、不少于两 个的四象限变流器模块、直流开关柜等部分组成，具有牵引、回馈或SVGS种工作模式，并 且能与现有供电系统兼容，能够与二极管整流牵引机组并列布置；但该装置采用的四象限 变流器模块电路拓扑结构为两电平拓扑，IGBT耐受电压高、谐波含量和滤波模块体积都会 相对较大，而且该装置也采用多个变流器模块集中控制方式，3种工作模式下所有四象限变 流器模块共用电压外环控制环节，四项限变流器间、变压器绕组间并不是完全独立状态，通 过专利名称也可知该装置侧重点还是在于牵引供电方面，整体设备的体积会比针对再生能 量逆变回馈的装置要大。
【发明内容】
：
[0006] 本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种四象限变流型再 生能量逆变回馈装置，该装置将轨道交通车辆再生制动时的电能逆变回馈至轨道交通供电 中压环网侧，降低车辆制动导致的直流母线电压的提升；通过可控整流技术将中压环网侧 电能引向直流母线，提升车辆牵引启动导致的直流母线电压的跌落；通过控制功率流向，补 偿电网无功功率，改善电能质量。
[0007] 为了实现上述目的，本发明设及的四象限变流型再生能量逆变回馈装置，其主体 结构包括隔离变压器（TB)、交流开关（KMA)、输出滤波器（LC)、四象限变流器炬L)、输入滤 波器（C)、预充电模块；隔离变压器、交流开关、输出滤波器、四象限变流器和输入滤波器依 次串联式电信息连接，隔离变压器输出侧并联后通过断路器开关与交流电网相连通，四象 限变流器直流侧并联后通过预充电模块与直流供电母线连接，四象限变流器交流侧通过交 流开关与独立的隔离变压器相连通，使故障隔离并实现投切控制；单个隔离变压器、交流开 关、输出滤波器、四象限变流器和输入滤波器组成四象限变流型再生能量逆变回馈装置的 基本单元，基本单元的功率容量根据具体情况确定为不同数值，基本单元的数量根据总功 率需求设定。
[000引本发明设及的四象限变流器是由12只IGBT功率开关管和6只错位二极管组成，IGBT功率开关管采用英飞凌1700V/600A规格开关管，四象限变流器主电路上配置相应霍 尔传感器检测电路、温度监测电路、快速烙断器保护电路及尖峰吸收电路，四象限变流器为 模块一体化结构，毎相四个IGBT功率开关管双双成组构成=种开关组合状态，共计27种开 关组合状态，代表27个电压空间矢量，控制系统根据目标向量在此空间矢量坐标中的相对 位置来计算每个作用矢量和每个矢量的作用时间，并给出相应的驱动脉冲。
[0009] 本发明设及的输出滤波器为模块一体化结构，由S相LC滤波电路组成。
[0010] 本发明设及的输入滤波器为模块一体化结构，由分压电容单元和单体电容的均压 电阻构成。
[0011] 本发明设及的预充电模块为模块一体化结构，由隔离接触器、充电电阻、充电接触 器、快速放电电阻和放电接触器构成。
[0012] 本发明设及的隔离变压器、交流开关、输出滤波器、四象限变流器、输入滤波器和 预充电模块之间相互独立且均为抽屉式电插拔结构。
[0013] 本发明设及的四象限变流器内部配置有独立的控制单元，一个四象限变流器的故 障不影响整套装置的整体性能。
[0014] 本发明设及的四象限变流器采用的可控整流及逆变并网电路拓扑结构为错位式 =电平逆变结构，能够运行于升压整流、多电平逆变和静态无功补偿工作模式，所采用的电 压电流双闭环控制环节及整流、逆变、无功补偿PI控制环节相互独立，没有共用环节。
[0015] 本发明设及的四象限变流器的脉宽调制方式采用基于中点电位控制的空间矢量 脉宽调制方法（SVPWM)。
[0016] 本发明设及的四象限变流型再生能量逆变回馈装置，还包括与其相应的监控系 统，该系统配置了广域网远程监控功能，制造商广域网远程综合监控与用户局域网综合监 控可并联运行，并且融入了电气安全指数、电能品质指数、电气火灾指数、效率衰减指数等5 大指数算法，并W可视化动态信息界面形象体现，具备了更深层的分析与保护。
[0017] 本发明与现有技术相比，各部分完全相互独立，并且为抽屉式电插拔结构，因此安 装、维护、扩展方便，各部分的独立性强，某个单元模块故障不影响整个系统；由于隔离变压 器单元模块相互独立，通过设置不同变比变压器单元，并网点可同时存在多个电压等级；由 于四象限变流单元控制系统独立，可同时存在多种控制模式，运算速率提高了多倍，PWM调 制更加精准和快速；在大功率范围内采用了多电平四象限变流技术，逆变输出T皿减小，电 压利用率高，滤波模块体积减小；监控系统融入了电气安全指数、电能品质指数、电气火灾 指数、效率衰减指数等5大指数算法，具备了更深层的分析与保护。
【附图说明】：
[0018] 图1为本发明设及的四象限变流型再生能量逆变回馈装置结构原理示意图。
[0019] 图2为本发明设及的四象限变流型再生能量逆变回馈装置的应用示意图。
[0020] 图3为本发明实施例设及的S电平四象限变流器电路拓扑结构示意图。
[0021] 图4为本发明实施例设及的四象限变流器控制原理示意图。
[0022] 图5为本发明实施例设及的四象限变流器建立矢量方程的等效电路原理示意图。
[0023] 图6为本发明实施例设及的四象交流器限运行矢量控制图。
【具体实施方式】：
[0024] 作为本发明的【具体实施方式】，下面结合本发明附图内容及与直流1500V牵引整流 变压器并联运行方式为具体实例进行详细描述。
[00巧]实施例：
[0026] 本实施例设及的四象限变流型再生能量逆变回馈装置如图1所示，，包括隔离变 压器（TB)1、交流开关（KMA)2、输出滤波器（LC)3、四象限变流器炬L)4、输入滤波器（05、 预充电模块9 ;隔离变压器1、交流开关2、输出滤波器3、四象限变流器4和输入滤波器5依 次串联连接，隔离变压器1输出侧并联后通过断路器开关10与交流电网7相连，四象限变 流器直流侧并联后通过预充电模块9与直流供电母线8连接；单个隔离变压器1、交流开关 2、输出滤波器3、四象限变流器4和输入滤波器5组成四象限变流型再生能量逆变回馈装置 的基本单元6,基本单元6的功率容量根据具体情况整定为不同数值，基本单元6的数量根 据需求来设定，本实施例中基本单元额定容量暂定为250kW，共8个基本单元组成2MW容量 四象限变流型再生能量逆变回馈装置。
[0027] 本实施例中，隔离变压器TB1~隔离变压器TB8,共8个隔离变压器组成mW额 定功率变压器柜，每个隔离变压器一次侧（变流器至电网方向看）通过对应交流接触器 KMA1~KMA8相连，每个隔离变压器二次侧（变流器至电网方向看）并联后通过交流高压断 路器QF与交流电网7相连；由输出滤波器Lcl~Lc8,四象限变流器BL1~化8,输入滤波 器C1~C8,预充电模块组成变流器柜，输入滤波器C1~C8在直流输入侧并联后与预充电 模块9相连；预充电模块9由隔离接触器KMD，充电电阻Rc及充电接触器KMC，快速放电电 阻Rf及放电接触器KMF相连；预充电模块9通过直流母线的馈线输出（直流断路器或电动 隔离开关）与直流供电母线8相连；视工程要求本发明装置可能会包含中压环网交流开关 柜或直流馈线开关柜。
[002引本实施例设及的四象限变流型再生能量逆变回馈装置的一种应用场景如图2所 示，该装置直流侧与直流供电母线8相连接，直流供电母线8通过牵引变电站11与牵引供 电中压网络701相连接，作为该装置配套隔离升压变压器101，其二次侧（变流器至电网方 向看）与牵引供电中压网络701相连接，亦可通过降压隔离变压器102二次侧（变流器至 电网方向看）与变电站低压400V网络702相连接，当有列车15再生制动导致直流母线电 压升高时，本装置运行于逆变回馈模式，此时电能的流向为再生制动车一直流牵引网14-直流供电母线8-四象限变流型再生能量逆变回馈装置13-牵引供电中压网络701 ;当有 列车启动加速导致直流供电母线电压跌落时，本装置运行于升压整流模式，作为牵引整流 变压器11的辅助把电能从牵引供电中压网络701引向直流牵引网14,此时电能的流向为牵 引供电中压网络701-四象限变流型再生能量逆变回馈装置13-直流供电母线8-直流牵 引网14-启动加速车；当四象限变流型再生能量逆变回馈装置运行于SVG模式时，该装置 通过容性运行或感性运行向牵引供电中压网络注入或吸收无功功率，改善牵引供电中压网 络电能质量。
[0029] 本实施例设及的S电平四象限变流单元电路拓扑结构如图3所示，图3中，3为交 流输出滤波器，4为四象限变流器，5为输入滤波器；输入滤波器5由分压电容单元Cdl、Cd2 及单体电容的均压电阻等部件组成，由450V/4700UF电解电容组成2700V/1560UF滤波电 容单元，整个输入滤波器5为模块一体化结构；四象限变流器4由Sal~Sa4、Sbl~Sb4、 Scl~Sc4,共12只IGBT功率开关管及Dal~化2、Dbl~化2、Dcl~化2,6只错位二极管 等器件组成S电平四象限变流电路，IGBT采用了英飞凌1700V/600A规格开关管，主电路上 配置了相应霍尔传感器检测、温度监测、快速烙断器保护及尖峰吸收电路等辅助电路，整个 为抽屉式导轨插拔结构，毎相4个IGBT双双成组形成3种开关组合状态，S相共计27种开 关组合状态，代表27个电压空间矢量，控制系统根据目标向量在此空间矢量坐标中的相对 位置来计算每个作用矢量和每个矢量的作用时间，并给出相应的驱动脉冲；交流输出滤波 器3由S相LC滤波电路组成，整个输出滤波器3为模块一体化结构，本实例中滤波电感La、 化、Lc为600uH，滤波电容化、Cb、Cc为800uF，毎相形成倒L型滤波电路；在同等条件下，S 电平四象限变流单元输出电流T皿就比两电平逆变结构低一半，加上适合的软硬件滤波， 就能使输出电压、电流T皿小于4%。输出电压、电流的谐波含量虽然与开关频率有一定关 系，但更主要的还是控制系统的调制波运算质量及对应滤波效果，并不是开关频率越高谐 波含量就越小，开关频率高反而功率损耗大、发热功率大，开关器件性能就会下降。=电平 四象限变流单元由于每个功率开关管所承受耐压为两电平时的一半，因此可采用相对低电 压、小功率开关管，虽然数量上翻了一倍，但开关管的总体成本较两电平时的高电压大功率 开关管不止降低了一倍。
[0030] 本实例采用的输出滤波为2阶滤波，在控制器内部前馈解禪算法上相对于电感滤 波要复杂一些，但是在滤波器体积及滤波效果上要优于单阶滤波。
[0031] 本实施例设及 的四象限变流器控制原理示意图如图4所示，图4中16为变流单 元，17为直流母线电压采集模块，18为每个四象限变流器控制模块，在变流单元1中，在输 出滤波单元后级处采集电网电压参数，在逆变桥输出侧采集输出电流参数，输入滤波器前 级处采集直流母线电压参数；直流母线电压采集模块17还负责支撑电容的预充电及快速 放电操作、交流接触器控制等功能，直流母线电压采集模块17把母线电压的实时变送信号 发送给各变流器控制模块18,由各变流器控制模块18对直流母线电压进行滤波及AD采样， 该样各变流器控制模块18既相互独立又节省了其余霍尔元件；四象限变流器控制模块18 中，由电压采集模块对网侧电压进行低通滤波及AD采样，S相电压值在3相数字锁相环模 块中进行油c-dq坐标变换后完成锁相，跟踪电网频率及相位，并向其它坐标变换环节发 送同步角信号，实现同步旋转变换。
[0032] 本实施例有功电流Id给定值计算模块根据给定的直流母线电压口槛值和实际直 流母线电压值、母线电压变化率及交流侧电压的整流计算值综合判定是否有车辆处于再生 制动状态，并根据直流母线电压口槛值和实际直流母线电压差值进行恒压控制运算，得出 目标吸收有功电流值I'd;无功电流I。给定值计算模块根据装置运行模式，计算出对应的无 功电流给定值I'。，当装置运行于整流或逆变模式时I'。= 0,当装置运行于无功补偿模式时 I'。为基于功率因数运算的超前或滞后电流，其幅值与所需补偿的无功功率有关。I'd与I'。 与对应的、经坐标变换后得到的实际输出电流Lb。的有功电流Id及无功电流I。进行PI运 算、前馈解禪运算后得出基准有功电压向量U'd及U'。，U'd、U'。及同步角0经化/3s变换 得到基准S相电压向量U\be;SVPWM脉宽调制模块根据U'ab。在空间矢量坐标中的位置计算 出触发脉冲序列，为了解除滤波单元对PI调节模块的禪合干扰，在U'd及U'。的运算环节加 上了的前馈解禪运算环节。
[0033] 本实施例设及的四象限变流器建立矢量方程的等效电路原理图如图5所示，可得 出如下矢量方程成立。
[0034] E = V+ {j(〇L+ /?)X/ (1)
[0035] 即，
(2)
[0036] 式似中，ea、eb、e为网侧ミ相电压，ia、ib、ic为逆变桥臂输出电流，Va、Vb、Vc为 逆变桥臂输出电压，i'。、i'b、i'为i。、ib、i。对时间的微分，式似经park变换后得
[0037]
(3)
[00測式（3)中，id、iq为逆变桥臂输出电流ia、ib、i。在dq旋转坐标下的dq轴分量，Vd、V。为逆变桥臂输出电压V。、Vb、V。在dq旋转坐标下的dq轴分量，ed为网侧电压在dq旋转 坐标下的d轴分量，忽略电阻损耗及开关损耗，得出如下交直流功率平衡式
[0039]
(4)
[0040] 式（4)中，Vd。、id。为逆变桥直流侧电压及电流分量。
[0041] 本实施例设及的四象交流器限运行矢量控制图如图6所示，图6(a)中，F滞后岩 的相角为5，/和i同相位，四象限变流单元工作在整流状态，且功率因数为1。图6化）中， f超前左的相角为5，/和i相位相差180度，四象限变流单元工作在逆变状态，且功率因 数为-1。图6(c)中，F滞后直的相角为5，/超前氧相位90度，四象限变流单元工作在容 性无功补偿状态。图6(d)中，F超前￡的相角为5，/滞后i相位90度，四象限变流单元 工作在感性无功吸收状态。
【主权项】
1. 一种四象限变流型再生能量逆变回馈装置，其特征在于主体结构包括隔离变压器、 交流开关、输出滤波器、四象限变流器、输入滤波器、预充电模块和导线；隔离变压器、交流 开关、输出滤波器、四象限变流器和输入滤波器依次串联式电信息连接，隔离变压器输出侧 并联后通过断路器开关与交流电网相连通，四象限变流器直流侧并联后通过预充电模块与 直流供电母线连接，四象限变流器交流侧通过交流开关与独立的隔离变压器相连通，使故 障隔离并实现投切控制；单个隔离变压器、交流开关、输出滤波器、四象限变流器和输入滤 波器组成四象限变流型再生能量逆变回馈装置的基本单元，基本单元的功率容量根据具体 情况确定为不同数值，基本单元的数量根据总功率需求设定。2. 根据权利要求1所述四象限变流型再生能量逆变回馈装置，其特征在于所述四象限 变流器是由12只IGBT功率开关管和6只钳位二极管组成，IGBT功率开关管1700V/600A规 格开关管，四象限变流器主电路上配置相应霍尔传感器检测电路、温度监测电路、快速熔断 器保护电路及尖峰吸收电路，四象限变流器为模块一体化结构，每相四个IGBT功率开关管 双双成组构成三种开关组合状态，共计27种开关组合状态，代表27个电压空间矢量，控制 系统根据目标向量在此空间矢量坐标中的相对位置来计算每个作用矢量和每个矢量的作 用时间，并给出相应的驱动脉冲。3. 根据权利要求1所述四象限变流型再生能量逆变回馈装置，其特征在于所述输出滤 波器为模块一体化结构，由三相LC滤波电路组成；输入滤波器为模块一体化结构，由分压 电容单元和单体电容的均压电阻构成；预充电模块为模块一体化结构，由隔离接触器、充电 电阻、充电接触器、快速放电电阻和放电接触器构成。4. 根据权利要求1所述四象限变流型再生能量逆变回馈装置，其特征在于所述隔离变 压器、交流开关、输出滤波器、四象限变流器、输入滤波器和预充电模块之间相互独立且均 为抽屉式电插拔结构。5. 根据权利要求1所述四象限变流型再生能量逆变回馈装置，其特征在于所述四象限 变流器内部配置有独立的控制单元，一个四象限变流器的故障并不影响整套装置的整体性 能。6. 根据权利要求1所述四象限变流型再生能量逆变回馈装置，其特征在于所述四象限 变流器采用的可控整流及逆变并网电路拓扑结构为钳位式三电平逆变结构，能够运行于升 压整流、多电平逆变和静态无功补偿工作模式，所采用的电压电流双闭环控制环节及整流、 逆变、无功补偿PI控制环节相互独立，没有共用环节。7. 根据权利要求1所述四象限变流型再生能量逆变回馈装置，其特征在于所述四象限 变流器的脉宽调制方式为基于中点电位控制的空间矢量脉宽调制方法。
【专利摘要】本发明属于轨道交通电力系统技术领域，涉及一种四象限变流型再生能量逆变回馈装置，其主体结构包括隔离变压器、交流开关、输出滤波器、四象限变流器、输入滤波器、预充电模块和导线；隔离变压器、交流开关、输出滤波器、四象限变流器和输入滤波器依次串联式电信息连接，单个隔离变压器、交流开关、输出滤波器、四象限变流器和输入滤波器组成四象限变流型再生能量逆变回馈装置的基本单元，基本单元的电能容量根据具体情况整定为不同数值，基本单元的数量根据需求来设定；该装置安装、维护、扩展方便，各部分的独立性强，某个单元模块故障不影响整个系统，可同时存在多种控制模式，运算速率提高了多倍，PWM调制更加精准和快速。
【IPC分类】H02M7/797, B60M3/06, B60M3/00
【公开号】CN104901579
【申请号】CN201510363485
【发明人】武华军, 安刚虎, 蓝信章, 徐长勤
【申请人】青岛海能阿尔派轨道电力设备工程科技有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月26日
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