（电子科学与技术专业论文）城轨机车制动能量逆变回馈系统的研究与设计.pdf

硕士学位论文 a b s t r a c t i nu r b a nr a i lt r a n s i t ，t h et r a i np r o d u c e sal a r g en u m b e ro fe n e r g yf e e d b a c k st o t h ed cp o w e rg r i dw h e ni n r e g e n e r a t i v eb r a k i n gs t a t u s i ft h eb r a k i n ge n e r g y a c c u m u l a t e di nt h ed cp o w e rg r i di sn o ta b s o r p t i o n e dc o m p l e t e l yb yt h ea d ja c e n t t r a i nw h i c hr u n si nt h es a m el i n e o rt h ee n e r g yg e n e r a t e db yt h et r a inb r a k e ：i s g r e a t e rt h a nt h es u mo fa l lt h ee l e c t r i c i t yl o a do ft h el i n e t h ee x c e s se n e r g yw i l l l e a dt ot h ev o l t a g eo ft h ed cp o w e rg r i d r i s e ，a n dm a yd a m a g et c ie l e c t r i c a l e q u i p m e n to ft h ep o w e rs u p p l yl i n ew h e ns e v e r e a tp r e s e n t ，t h ec o m m o n l yu s e d b r a k i n gr e s i s t o rt oa b s o r bt h i sp a r to ft h ee x c e s se n e r g yi no r d e rt om a i n t a i nt h e s t a b i l i t yo ft h ed cg r i dp o w e rv o l t a g e ，b u tt h i si sl a r g e l yr e s p o n s i b l ef o r t h ew a s t eo f e n e r g y ，a n dd o e sn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ec u r r e n te n e r g yc o n s e r v a t i o n h o w t oa b s o r ba n du s et h e r e g e n e r a t i v eb r a k i n ge n e r g yo fr a i lt r a i n sr e a s l ) n a b l yh a s b e c o m eo n eo ft h eh o tr e s e a r c ht o p i c si nr a i lt r a n s i t a c c o r d i n gt oc o m p a r i n ga d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fa l le x i s t i n gm e t h o d s o fr e g e n e r a t i v ee n e r g ya b s o r p t i o nt e c h n o l o g i e s ，t h ei n v e r t e rf e e d b a c kb r a k i n ge n e r g y a b s o r b i n gs c h e m ei sc h o o s e da st h em a i no b j e c to fr e s e a r c h ，a n di t sb a s i c ：p r i n c i p l e s a n ds y s t e ma r c h i t e c t u r ei sa n a l y s e d a nu r b a nr a i lt r a n s i tb r a k i n ge n e r g yi n v e r t e r f e e d b a c ks y s t e mf o rl o w f r e q u e n c ym a t h e m a t i c a lm o d e li s e s t a b l i s h e d ，a n dt h e d e c o u p l i n ga n a l y s t so fm o d e lisd o n eb a s e do nt h ec o o r d i n a t et r a ns f o r m a t i o n m e t h o d t h ed e s i g no ft h eu r b a nr a i lt r a n s i tb r a k i n ge n e r g yi n v e r t e rf e e d b a c ks y s t e m p r o t o t y p e i s c o m p l e t e d t h ep a r a m e t e r sd e s i g nm e t h o d o fm a i nc i r c u i ta n d c o m p o n e n t ss e l e c t i o na r ep r e s e n t e di nd e t a i l l e tt m s 3 2 0 f 2 812a st h ec o r ec o n t r o l s y s t e m t h eb a s i cp r i n c i p l e sa n di m p l e m e n to fm o d u l e sw h i c hi n c l u d e sd s pc o r e c o n t r o l l e r ，a ca n dd cv o l t a g ev o l t a g ea n dc u r r e n ts a m p l i n g ，i g b ti n w ：r t e rd r i v e ， g r i ds w i t c hd r i v e r ，a u x i l i a r yp o w e rs u p p l ya n ds oo na r ea n a l y z e d t h ep a p e rp r e s e n t st h es o f t w a r ed e s i g no ft h eu r b a nr a i lt r a n s i tb r a k i n ge n e r g y i n v e r t e rf e e d b a c ks y s t e ma n di n t r o d u c e st h e p r o g r a m m i n ge n v i r o n m i e n to ft he s o f t w a r ed e s i g n t h em a i np r o g r a m ，p e r i o d i ci n t e r r u p ts u b r o u t i n e ，a n dt h ea l g o r i t h m p r o c e s s e so fp r o t e c t i o ni n t e r r u p ts u b r o u t i d ea r ea n a l y z e d t h eb a s i cp r i n c i p l e ， s o f t w a r ei m p l e m e n t p r o c e s s ，a n ds y s t e mp a r a m e t e rs e t t i n g s o fa d s a m p l i n g ， t h r e e p h a s ed i g i t a ll o c k i n ，n e t w o r k c u r r e n tw a v e f o r mc o n t r o la n d s v p w m i i i p r o c e d u r e sa r ep r e s e n t e d w i t ht h em a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r e ，t h eu r b a nr a i lt r a n s i tb r a k i n ge n e r g y i n v e r t e rf e e d b a c ks y s t e mp r o t o t y p es i m u l a t i o nm o d e li s e s t a b l i s h e d t h es i m u l a t i o n a n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e di n v e r t e rf e e d b a c kp r o g r a ，mc a nt a k e t h ee x c e s se n e r g yo ft h ed c g r i df e e d b a c kt oa c ，a n dt h eh a r m o n i cp o l l u t i o nb r i n g t oa ci sv e r ys m a l l k e y w o r d s ：u r b a nr a i l t r a n s i t ；c o o r d i n a t e t r a n s f o r m a t i o n ；b r a k i n ge n e r g y ； t m s 3 2 0 f 2 8l2 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 弘雌f y 日期：汩) 年厂月珂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论：迂 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名：尹门f 日期：沙，夕年r月河日 导师签名：乞蔓认 日期： 沙舜厂月谚日 硕士学位论文 1 1 课题研究背景和意义 第1 章绪论 城市轨道交通最早出现在十九世纪后期的英国伦敦，距今已有一百多年的历 史j 。在当时，城市轨道交通尽管存在速度慢、正点率低、噪声大，乘客舒适度 差等诸多不足，但是凭借其良好运载能力依然得到了快速发展，成为那个时候公 共交通主力。不过，随着第二次世界大战的爆发以及汽车行业的蓬勃发展，更加 灵活、便捷的汽车逐渐取而代之，成为城市交通的宠儿。城市轨道交通因初期投 资大，建设周期也较长，一度停滞不前，甚至萎缩。直到第二次世界大战结束以 后这种情况才有所改观。二十世纪中后期，世界范围内的城市化进程加快，随着 城市人口和个人财富的快速增长，个人汽车数量的极速增加，城市公路交通量呈 现出急骤增长的态势，使得城市交通状况变得拥挤不堪。行车难、乘车难，成为 城市居民工作和生活中的一个突出问题，极大地制约着城市经济的可持续发展。 而且汽车尾气是造成空气严重污染重要污染源，其带来的噪声污染也是不容忽视 的。因此，大力发展基本无污染、效率更高的城市轨道交通显得尤其重要。在这 种情况下，很多发达国家都制定了优先发展城市轨道交通的方针，以缓解公路交 通压力。如今，城市轨道机车己成为世界各大城市的主要交通运输工具之一，其 中，有的城市其轨道交通载客量已达到城市总客运量的5 0 以上【2 】。 自改革开放以来，我国经济得到迅速发展，在城市轨道交通建设的投入大幅 增加，目前已开通运营或规划在建的城市有2 8 个【3 】。未来十年，我国内地将新 建城市轨道交通线路6 0 多条，里程近17 0 0 k m ，其中北京、上海、广州等大城市 更是以每年新增线路3 0 5 0 k m 的速度迅速发展【4 j 。到2 0 5 0 年，我国将建成约 4 5 0 0 k m 的城市轨道交通网1 5 j 。我国城市轨道交通发展建设具有十分广阔的前景。 城轨机车一般采用电力牵引运行，具有运量大、密度高，消耗电能大的特点， 而且机车基本上是在城市中运行，车站之间的间距一般较短，机车需要频繁起动 和制动，如果机车采用再生制动时，就会产生数量可观的再生电能，并回馈到直 流牵引供电网，供给同一区间线路的其它车辆吸收。若某一段时间内没有其它车 辆进行能量吸收或者机车再生制动时产生的电能超出区间内的所有用电负载之 和，那么多余能量就会抬升电网电压，这可能导致区间内供电系统设备的损坏。 所以，必须采取一定的措施来处理机车制动时回馈到直流电网的多余能量，目前 应用最多是采用制动电阻吸收方式来消耗这部分能量。研究表明，在城市轨道交 通中，机车采用再生制动时产生的回馈能量一般为牵引能量的3 0 甚至更多， 城轨机车制动能量逆变回馈系统的研究与设计 其中一部分被临近的车辆吸收( 2 0 8 0 ) 【们，其余由能量制动电阻消耗，以维 持牵引供电电网电压的稳定。但是，采用制动电阻吸收直流电网的多余能量，在 一定程度上造成了能量的浪费，不符合当前节能减排的要求。如何来合理地吸收 和利用轨道机车的再生制动能量，成为轨道交通行业研究热点之一。 城轨机车再生制动能量回馈系统是利用电力电子器件的变流特性，将机车制 动时注入到直流牵引电网中的多余直流能量通过逆变器变成交流能量后，再经滤 波、变压等环节，最后连接到交流电网，供交流电网的其它设备使用的装置。它 具有高效、节能的特点，成为近年来研究人员关注的重点 7 - 9 1 。 基于以上讨论，可以看出，对城轨机车制动能量逆变回馈系统及其相关技术 的研究具有非常重要的现实意义，既能保证城市轨道交通可靠运行，又能很好地 提高了电能的利用率，减少了电能的浪费，达到节能的目的。 1 2 城市轨道交通供电系统及机车制动情况概述 1 2 1 城市轨道交通供电系统 根据用电负荷的不同，城市轨道交通供电系统可分为两个部分，一部分是为 机车运行提供动力的牵引系统，另一部分是为车站、区间及配套建筑物等提供动 力的照明用电。城市轨道交通牵引供电系统拓扑图如图1 1 所示，供电系统所用 的电能取自1 1o k v 或2 2 0 k v 的城市电网，经主降压变压器降为1o k v 或3 5 k v 电 压等级的电能后供给牵引变电所。牵引变电所内设有一个降压变压器和个整流 器，通过牵引变电所的降压和整流，输出适合轨道车辆牵引用的低压直流电。通 过馈电线将牵引变电所的直流电输送到接触网，再经受流器与接触网的直接接触 为轨道机车提供电能。接触网有广义和狭义之分，广义接触网按其结构可分为架 空式和接触轨式两种。一般地，接触轨式是采用沿线路铺设的与轨道平行的附加 轨送电，又称附加轨为第三轨；而采用架空方式送电时，其供电网络则为狭义上 的“接触网”。走行轨也是构成牵引供电回路的一部分，回流线则将轨道回流引 向牵引变电所。由馈电线、接触网、走行钢轨和回流线所组成的供电网络称为牵 引网。世界各国城市轨道交通的直流供电电压等级不一，一般在5 5 0 v 3 0 0 0 v 之 间。目前，我国城市轨道交通中采用的轨道交通直流牵引供电电压等级为15 0 0 v 和7 5 0 v 两种，其电压允许的波动范围分别是10 0 0 v 18 0 0 v 和5 0 0 v 9 0 0 v 。l5 0 0 v 等级应用于架空式接触网j7 5 0 v 电压等级一般采用第三轨受流方式。城市轨道 交通不同于大铁路，基本采用直流供电，主要因为机车牵引功率相对较小，而且 机车一般在城市内运行，供电半径不大；另外，采用直流供电线路电抗损耗也较 小；此外由于轨道交通的供电线路都处在城市建筑群之间，为确保安全其供电电 压不宜太高【1 0 】。本文所研究城轨机车供电系统采用7 5 0 v 等级供电电压。 硕士学位论文 i i i ! ! ! s = ! 自= ! ! = ! # l 自= ! = 目目e = = = = l = = = = = = = = = ! ! = = = = = = = = 自! = ! = = j 。! = 自 图1 1 城市轨道交通牵引供电系统 1 2 2 城轨机车制动情况 机车从启动到停止，一般要经历牵引加速、惰行和制动减速等几个工况【1 1 】。 从能量的角度来看，制动过程就是将机车所具有的动能转换为其它形式能量的过 程。根据能量的转换方式的不同可以将机车制动分为两种：机械摩擦式制动和电 制动f 1 2 】。 机械摩擦式制动，通常采用闸瓦制动，又称踏面制动，是在制动时：博闸瓦压 紧车轮踏面，使车轮踏面与闸瓦之间发生滑动摩擦从而产生制动力【”】。，通过车 轮与闸瓦之间的摩擦将机车的动能转化为热能，耗散到大气中。但是，动能转化 成热能的速度要比热能耗散的速度快得多，积聚在闸瓦和车轮踏面之间的热量会 导致接触面温度急剧上升，严重时可熔化闸瓦或者灼烧踏面。所以，机械摩擦式 制动对制动功率有一定的限制。 电制动，又称动力制动，是在机车制动时，将所有牵引电机的电动机工况转 变为发电机工况，将机车的动能转化为电能，再将电能回馈到直流牵引电网或者 直接由车载制动电阻器吸收。回馈到直流牵引电网的方式称为再生制动，由电阻 器吸收的方式称为电阻制动或者能耗制动。电阻制动是直接将电能以热能的形式 耗散，造成了能源的极大浪费，所以现在的机车基本都采用再生制动。再生制动 通过转换电路和受电器使电能回馈到牵引直流电网，供给同一线路的邻近车辆吸 收，从而实现制动能量的再利用，达到节能的目的。 机车制动一般采用机械摩擦式制动和电制动两种方式相结合，机车运行在高 速时，机车动能大，制动功率高，一般采用电制动方式；当机车运行在低速时， 电制动的制动力较小，制动效果不太明显，一般直接采用机械摩擦式制动。 1 3 城轨机车再生制动能量利用技术现状 城轨机车再生制动有助于节约电能，但是，若回馈到直流电网的电能在一定 的时间内没有被线路上相邻机车或其它用电负荷完全吸收，将会导致直流电网网 压升高，这会对供电系统中的电气设备带来危害，造成严重的经济损失。为了在 回收制动能量的同时，又能保证直流电网供电设备不受影响，我们必须设置一套 装置，能够将直流电网的多余的直流能量进行吸收，实现直流电网电压的稳定。 目前，对于城轨机车制动时所产生的回馈能量吸收方案主要有四种：电阻耗 能型、飞轮储能型、电容储能型和逆变回馈型。 电阻耗能型再生制动能量吸收方式是用设置在牵引变电站的集中式制动电 阻来消耗剩余能量，以维持电网电压稳定【1 4 ，1 5 】。该方法简单可靠，被国内外普 遍采用，例如深圳地铁一号线和广州地铁四号线等都是采用这种集中式电阻吸收 装置。当母线电压高压设定阀值时，启动制动电阻，消耗电能。这种方式最大的 不足就是造成能源的极大浪费。若通过合理地编排轨道机车编组方式，增加同一 线路相邻机车吸收制动能量的机率，从而减小制动电阻的工作时间，可以在一定 程度上减少能量的损失。 飞轮储能型再生制动能量吸收方式是利用高速旋转的飞轮装置来储存轨道 机车在制动时所产生的回馈能量【1 6 , 1 7 。当回馈到直流电网的能量使得直流母线 电压上升到启动阀值时，启动飞轮储能装置。实现动能电能动能的转换 过程。其节能效果比较好，应用前景十分广阔，在国外已经有相应产品1 1 8 ，如 纽约的地铁就是使用这种方式来吸收制动能量。但是，由于飞轮质量很大，且长 时间处于高速旋转状态，使得摩擦耗能问题严重，同时飞轮工作寿命短，造价又 比较高，因此该吸收装置的应用尚不广泛。 电容储能型再生制动能量吸收方式，是利用超级电容存储机车制动时产生的 制动能量，当供电区内有机车需要取流时，再把电能释放出来1 1 9 - 2 1 。这种方式 很好的利用了再生能量，而且不需要进行交直流之间的转换，因此对电网没有谐 波影响，其储存和释放能量效率高，能够进行快速充放电，并且充放电的速度只 与变换装置的内阻以及电容器相关，功率密度高。它的主要缺点是电容器组要求 体积庞大，成本高，且由于电容因频繁处于充放电状态使得其使用寿命短。目前， 德国西门子已经研制出7 5 0 v 供电制式下的轨道交通超级电容吸收系统【22 1 。在 15 0 0 v 供电等级的城市轨道项目尚无可供使用的产品，国内的研究也刚刚起步， 总的来说还是处于试验阶段。 逆变回馈型再生制动能量吸收方式的设计初衷是考虑城市轨道交通本身就 4 硕士学位论文 具有一个相当规模的供电网络，若能利用其自身中压环网来储存机车制动时产生 的制动能量，并进行电能再分配，实现能量的再利用。这样，就能既能节省大量 的储能装置，而且可以避免因能量的多次转换而带来的能量损失。目前，逆变回 馈型再生制动能量回收方式主要分为两种，一种是采用双向变流器取代牵引变电 站的整流器，实现能量双向流动【6 ，2 3 1 ，另一种是将车辆制动时的直流电逆变成工 频交流电与车站内0 4 k v 电网并网【3 】，将电能消耗在站内电梯、照明、通风等用 电设施上。逆变回馈方式，在国内也是处于研究实验阶段，国外有部分应用实例， 例如日本的札幌东一西线就采用了逆变回馈型再生制动能量吸收装置【24 1 ，其运 行结果证实该方式节能效果良好，不过由于采用的是当时的主流技术一一晶闸管 有源逆变方式，存在谐波污染和功率因数低等问题。 1 4 论文的主要研究内容和结构安排 综上所述，除了电阻耗能型以外，其余三种方案都充分利用了再生能量，但 也都有各自的缺陷，目前国内还没有相应的成熟产品。从能源的角度来看，采用 节能型制动方式是社会发展的一个必然趋势，十分有必要对其进行深入研究。通 过对比现有的各种再生能量吸收装置，认为城轨机车制动能量逆变回馈型制动能 量吸引装置节能效率高，且无需额外的储能装置，占据理论的制高点，若能进一 步解决其谐波污染问题，将能带来更多的经济利益和实现价值。本文从原理验证 和谐波问题抑制入手，对城轨机车制动能量逆变回馈型再生能量吸收装置的基本 原理和关键技术进行了深入研究，并设计了一个适用于城轨机车再生制动能量的 回馈装置样机。 本文共分5 章，各章节内容安排如下： 第l 章结论。主要介绍了论文的研究背景、意义及城市轨道交通供电系统 及机车制动情况，分析了当前制动能量吸收现状，比较各种方案的优劣。介绍了 本文的主要研究内容和文章的结构安排。 第2 章城轨机车制动能量逆变回馈系统的数学建模。介绍了其基本结构及 其工作原理，建立了城轨机车制动能量逆变回馈系统低频数学模型。针对数学模 型，进行了d q 坐标系下的解耦控制分析，并给出了城轨机车制动能量逆变回馈 系统控制原理图。分析了机车制动能量的转换过程及其制动能量的具体计算过 程。针对某具体轨道交通运行线路，对城轨机车制动能量逆变回馈系统所带来的 经济效益进行了分析。 第3 章城轨机车制动能量逆变回馈系统硬件电路设计。介绍了城轨机车制 动能量逆变回馈系统样机主要技术指标和硬件电路总体设计方案。详细阐述了城 轨机车制动能量逆变回馈系统主体电路参数的设计方法。具体分析了城轨机车制 动能量逆变回馈系统样机控制系统各模块的硬件电路设计实现及其完成的功能。 城轨机车制动能量逆变回馈系统的研究与设计 第4 章城轨机车制动能量逆变回馈系统软件设计。介绍了城轨机车制动能 量逆变回馈系统软件设计思想，给出了控制系统主程序和周期中断子程序的实现 功能及设计流程。重点介绍了锁相技术、波形控制技术和空间电压矢量s v p w m 技术的基本原理及其子程序实现。给出了电流内环和电压外环控制系统的参数计 算方法。 第5 章系统仿真和实验结果分析。利用m a t l a b s i m u l i n k 的动态仿真 工具建立了城轨机车制动能量逆变回馈系统的仿真模型，给出了结果分析；搭建 了城轨机车制动能量逆变回馈系统实验样机，并对部分测量数据进行了分析。 最后，对本文的研究工作进行了总结，对下一步研究工作进行了展望。 6 硕士学位论文 第2 章城轨机车制动能量逆变回馈系统的数学建模 逆变回馈型再生制动能量吸收方式具有高效节能的特性，而且可以直接利用 其交流供电网络来储存城轨机车制动时产生的制动能量，无需额外的储能装置。 因此本文选择逆变回馈型再生能量吸收方案作为研究对象。本章将对城轨机车制 动能量逆变周馈系统的基本原理及数学模型进行分析介绍。 2 1 城轨机车制动能量逆变回馈系统结构及其工作原理 带逆变回馈系统的机车牵引系统框图如图2 1 所示。它连接在直流供电系统 与lo k v 的中压环网之间，与牵引供电系统并接，一起构成能量流动的两向通道。 其功能和结构与牵引供电系统刚好相反，牵引供电系统的主要结构和功能是降 压、整流，实现交流电能到直流电能的变换；而城轨机车制动能量逆变回馈系统 的主要结构和功能是逆变、升压，实现将直流电能转换成交流电能。城轨机车制 动能量逆变回馈系统的启动由直流电网电压控制，当机车进行制动时，直流电网 电压升高，一旦电压高于启动阀值时，逆变回馈系统启动。直流能量经逆变升压 后注入1o k v 的中压环网，供中压环网中的其它负荷使用。 a c l o k v 图2 1 带逆变回馈系统的机车牵引系统框图 城轨机车制动能量逆变回馈系统组成框图如图2 2 所示，主要包括输出并网 逆变器、并网滤波器、升压变压器、控制器、保护开关及并网连接开关等设备构 成。逆变回馈装置接入牵引系统之后，控制器将实时监控直流母线的电压，当检 测到直流母线电压上升到设定的启动阀值时就判定牵引系统处于再生制动状态， 需要启动逆变系统来转移城轨机车再生制动时产生的电能，一旦检测到母线电压 低于设定阀值时，关闭逆变系统。这样，通过控制回馈系统的通断最终实现了直 流电网电压的稳定。滤波器的主要功能是抑制输出信号中的高频成分。保护开关 城市轨道交通车辆制动能量回馈系统韧f 冤 的作用是当直流电网电压异常时，迅速切断城轨机车制动能量逆变回馈系统与直 流的连接。并网开关主要用来控制系统接入电网时间，并给逆变桥提供保护。升 压变压器实现将逆变器输出的低压信号变换成与中压环网同一等级的电压，而且 升压变压器还充当隔离变压器的功能，用以防止系统环流的出现，保护逆变器和 电网的安全。控制器主要实现对各种信号的分析处理，输出控制信息。 城轨机车制动能量逆变回馈系统 i 直流电网 _4 保护开关h 逆变器h 滤波器h 并网开关h 升压卜_ 一中压环网 l 控制器 图2 2 城轨机车制动能量逆变回馈系统组成框图 2 2 城轨机车制动能量逆变回馈系统数学模型建立 为了分析城轨机车制动能量逆变回馈系统稳态和动态运行特性，需要建立其 低频数学模型。城轨机车制动能量逆变回馈系统主电路拓扑结构如图2 3 所示。 其中q l q 6 为i g b t 功率器件，构成三相全桥逆变电路；l f 为逆变器侧电感，l 。 为网侧电感，c 为滤波电容，r 为阻尼电阻，一起构成l c l 滤波电路，c d 为直 流电网侧滤波电容；f 口、f 6 、f 。分别为逆变器输出电流，1 l ，口、v 6 、v 。为逆变器输出 相电压， l ，d c 为直流母线电压，为直流侧输入电流。v ，口、v ，6 、v 尼为变压器引入 交流电网电压，i l 口、i l b 、f ，c 为变压器初级电流，f 。d 为直流侧电容电流。假定变压 器变比为刀，那么变压器引入交流电网电压v h = v 加( x = 口、b 、c ，y 刊、b 、c ) ， 为分析方便，以下分析都是视1 ，h 为电网电压。同样，注入电网电流为= f 枷 ( x = 口，b ，c ) ，视以为入网电流f ，( ) ，= 么、b 、c ) 。 虚线框内为直流牵引电网等效模型，其中圪为电源电压，即牵引供电所输 出的直流电压，r 工为电源内阻，i l 为逆变回馈系统输入电流。 图2 3 中三相逆变桥各桥臂上的两个功率器件工作在互补状态，即上管导通 则下管截止，反之，下管导通则上管截止。由于三相逆变桥每相桥臂都有两种开 关模式，因此逆变桥共有2 3 = 8 种开关模式，若定义单极性的二值逻辑开关函数 s 七： 驴倍器篙：千雾喜嚣州咖力 ， 1 ，上桥臂导通，下桥臂截止 ” ”。1 那么，就可以使用& 来描述这8 种工作模式。 硕士学位论文 一t 么 一 晦 干 7 专誉 l 带 本l 太 i 驴 j j 趣一0 v 童 1b m n么= 吒 v b 帆 c d 1c - - q 咎芹豁 本立f本 “ 一 iq a ij i 一 、t c = 图2 3 城轨机车制动能量回馈系统主电路拓扑结构 表2 1 给出了不同开关状态s 七时，对应的逆变侧输出线电压和相电压。表中 相电压与线电压均以直流母线电压v 如为参考。 表2 1 逆变器输出开关状态 即，三相逆变电路输出的线电压【v 曲v 船v c a r 与b 。s 。s c r 的关系为： i 三 = v 出 兰。j 二一 茎 三相逆变器输出的相电压矢量i v 。v 。v c r 与b 。s c 】7 的关系为： 阡扛雕 可以推导得相电压与s k 的函数关系为： ( 2 2 ) ( 2 3 ) v ，= v ，一等& j = 口，b ，c ( 2 4 ) j k = a 6 o 当开关函数s 。= 1 ( 七= 口，b ，c ) 时，对应的k 相的上桥臂导通，此时逆变器相电 9 城市轨道交通车辆制动能量回馈系统研究 流从直流侧流向交流电网，因此，直流侧电流t 可表示为： f 出= i o s 。+ i b s 6 + i c s 。 ( 2 5 ) 由于城轨机车制动能量逆变回馈系统的低频数学模型是基于基波分析而进 行的，在分析数学模型之前需要假定：所有器件均为理想器件各电感、电容、电 阻参数相同、变压器无损耗、i g b t 忽略死区时间，电网电压为三相对称的纯正 弦波。 根据假设变压器引入交流电网电压： i = 圪s i n ( c o t ) 1 ，f 6 = s i n ( c o t 一2 7 r 3 ) ( 2 6 ) i = s i n ( c o t + 2 万3 ) 由于回馈并网要求进入电网电流与电网电压同频同相，则入网电流基波为： i 屯= l ms i n ( o d t ) 如= i ms i n ( o g t 一2 z r 3 ) ( 2 7 ) l l l c = l ms i n ( c o t + 2 7 r 3 ) 根据k v l ，得到城轨机车制动能量逆变回馈系统在a b c 三相静止坐标系下 的状态方程： l d 魏_ _ q a _ = v a m 哮- v 6 嘞 ( 2 8 ) 三盟d t = 心一 c d v d d t 。= t l - i d c 其中l = l l ；。将式( 2 4 ) 和式( 2 5 ) 代入式( 2 8 ) 得城轨机车制动能量 逆变回馈系统在三相静止坐标系下的数学模型为： 三争c v 属一麓 s 。沪 三d 哆i l b 、7 a 。a - - 3 。；。，。，s 。t ) v ，a( 2 9 ) 哮一v d c s c - - v “d c 咖s 一如 c 誓= 等一瓴驴帆彤。) 从上式可知，在三相静止坐标系统下的数学模型中，各状态变量的物理意义 清晰、直观，但其系统变量数目多并且都是交流量。三相入网电流和直流输入电 压均与开关函数s 七相关。而且，各相入网电流除了与本相桥臂的s i | 有关之外， 还与其它两相桥臂的s | i 也有关系。所以，可以看出来逆变回馈系统是一个互相 1 0 硕士学位论文 耦合的系统。我们需要通过坐标变换将数目多的交流量转变成变量数较少的直流 信量i 实现简化系统设计的目的。 首先，进行c l a r k 变换，实现从a b c 三相静止坐标系到0 【p 两相静止坐标 系的变换，其原理如图2 4 所示。 鼻 c 图2 4c l a r k 变换 变换矩阵为： z a b c l a j = 强括- 1 笼岩乞i 反变换矩阵为： 10 = l - 1 2 3 2i ( 2 11 l 一1 2 一3 2 将式( 2 9 ) 按( 2 1 0 ) 进行变换，得逆变回馈系统在q b 两相静止坐标系下 的数学模型： 三警巩驴 l 氓 - 磊- - - v d c s # - - v 1 8 ( 2 1 2 、) c 百d v d c = 屯一吾( 和。- f f 脚) 与式( 2 9 ) 相比，变量数目减少了，但仍然是交流信号。 接下来进行p a r k 变换，实现从0 【p 两相静止坐标系到d q 两相同步旋转坐 标系的变换，将q b 坐标系下的交流信号转变为直流信号，其原理如图2 5 所示。 d 图2 5p a r k 变换 1 1 城市轨道交通车辆制动能量回馈系统研究 父抉矩阵为： z ：i c o s t o t 8 i n t o t l ( 2 13 ) 砀，由2b n 耐c 。s 耐l q 反变换矩辟为： 丁：i 洲_ 8 m 耐l ( 2 1 4 ) ，叩2 际fc o s 耐l 。 将式( 2 1 3 ) 按式( 2 1 4 ) 进行变换，得到城轨机车制动能量逆变回馈系统 在d a 坐标系下的数学模型为： l d 露i i d = - v d c s d a t 幽q v l d 三百d i , q = v 出s 口一础以一v 幻 ( 2 1 5 ) c d v d d t c = i l 一专q w s d + i 畸s q 、) 由式( 2 15 ) 可知，经过p a r k 变换之后，交流变量都转变为对应的直流变 量，d q 坐标系下的状态方程可以大大简化控制系统的分析和设计，但是d 轴与q 轴分量是耦合的，不利于系统的稳定性及动态性，需要对具体变量进行解耦。 2 3 同步坐标系下的解耦控制 2 3 1 电流控制一般方法 城轨机车制动能量逆变回馈系统能够实现将直流电网多余能量回馈至交流 电网，要求既要能够稳定直流电网电压，又要输出高质量的并网电流。因此需要 对输出电流进行控制。目前，国内外并网系统普遍采用纯正弦波送电技术，通过 电压型逆变器来实现电流控制，将电流控制成与电网电压同频，同相的正弦波再 送入电网，实现单位功率因数并网。因此，为了实现稳定直流电网电压并输出高 质量并网电流这一目的，本文采用直流电网电压外环，并网电流内环的控制策略。 对入网电流的控制，按照控制系统中是否有交流反馈量的引入一般可分为间 接电流控制和直接电流控制两种。间接电流控制无需电流反馈，通过控制逆变器 输出电压的幅值和相位从而控制入网电流，一般又被称为幅相控制。主要特点是 结构简单可靠，成本低廉，但其主要不足是调节特性差，系统对参数的准确度依 赖高，入网电流动态响应较慢，因此稳定性相对较差等。目前已逐步被直接电流 控制所取代。直接电流控制引入入网电流作为反馈和被控量，具有系统动态响应 快、限流容易、电流控制精度高等优点，常用的有p i 调节控制【25 、预测电流控 制26 1 、滞环电流控$ 1 j 2 7 , 2 8 】、重复控制、同步坐标系统电流控$ l j 2 9 , 3 0 】等。 p i 控制结构简单、参数容易设计、理论成熟，是当前最为经典、应用最广 1 2 硕士学位论文 的控制方式。但是其不能实现无静差调节，输出电压的稳态精度不高。 滞环电流控制方法简单，易于实现，具有较高的稳定性，响应速度较快，直 流侧电压利用率高。但其开关频率的不确定性，p i 参数设计比较困难，对功率 器件的可靠性要求高。 重复控制可以得到较好的稳态输出波形，但消除系统内部出现的干扰对输出 的影响至少要一个参考周期。而且无法抑制非周期性的扰动，在系统突然增减负 载的情况下动态响应不够好。 预测电流控制没有电流内环，系统响应速度较快，电流的跟踪速度也较好。 但其对电路参数的精确度依赖性较高，鲁棒性较差。 同步坐标系统电流控制可对分解后的d q 分量单独控制，进而调节有功无功 分量，实现单位功率因数逆变。并且它对系统参数变化的依赖性不强，具有良好 的稳定性，并且可以采用电压前馈补偿方式弥补其动态响应速度慢的：不足。 综合以上分析，本文采用同步旋转坐标系电流控制方案，实质上即为d q 坐 标系下的电流控制。 2 3 2d q 坐标系下电流控制方案研究 在d q 坐标系中，有功功率p 和无功功率q 分别为： r气 r v f q ( 2 1 6 ) l q = 亏( 屯+ v 向屯) 根据假设，电网电压不存在谐波，故= ，= 0 。 r3 i p = 。v i d l i d 秀 ( 2 17 ) lq = i j o 从式( 2 16 ) 可以看出，分别控制d 轴和q 轴电流就可以控制入网的有功功 率和无功功率。 由式( 2 15 ) 的前两个式子稍做变形得： 其中，v d = v 出s d 为城轨机车制动能量逆变回馈系统逆变器交流侧电压d 轴分 量；v 。= v 出s 。为城轨机车制动能量逆变回馈系统逆变器交流侧电压q 轴分量。令： v ；5v d _ v 肼胤 ( 2 1 9 ) i v ：= 1 l ，g v 向一o l i ，d 锄 越 + 一 哪 畅 一 一 k = = 盟衍噍i 工 城市轨道交通车辆制动能量回馈系统研究 将式( 2 19 ) 代入式( 2 15 ) 可得： 当以嵋和吃作为等效控制变量控制时，d 轴和q 轴电流相互独立，等效控制 变量v ：和吃由电流环p i 调节器输出决定，即： j v ：= a v d 2 k ( 1 + 1 霉s ) ( 二一如) ( 2 2 1 ) lv ；= a v q = k p f ( 1 + l l t i s ) ( i ：q 一) 其中、a v 。分别为d 轴和q 轴p i 调节器输出，k p ，为比例系数，z 为积分 时间常数，j ：；：，、艺为d 轴和q 轴的指令电流，得到控制变量v d 和v g 控制方程为： i v d 2 k ( 1 + 1 互s ) ( 乇一如) 一毗+ v 埘 ( 2 2 2 ) i = k ( 1 + l l t , s ) ( i ；q 一如) + 如+ 式( 2 2 2 ) 中引入了电流状态反馈，d 轴和q 轴电流实现独立控制，同时引 入电网电压的d 轴和q 轴分量作为前馈补偿，使系统的动态性能得到进一步提高。 图2 6 为电流解耦控制的原理框图。 图2 6 解耦控制原理框图 解耦的过程实际上是在各轴电流p i 调节器输出中注入含有其它轴信息的分 量，注入的分量与被控对象产生的耦合量大小相等、方向相反。 2 3 3 城轨机车制动能量逆变回馈系统控制原理框图 前述d q 坐标系下的电流解耦控制是一种直接电流控制方式，由此可得，整 个城轨机车制动能量逆变回馈系统直接电流控制控制系统原理框图如图2 7 所 示。具体控制过程是：首先采样三相电网电压v ，口，1 ，7 6 ，v 协获得电网电压的相 位和频率信号作为入网电流的相位和频率值；同时采样入网电流，通过a b c d q 1 4 22 嵋 吒 = = 盟办百 硕士学位论文 ! ! g ! 自= ! s ! ! 目! = 自! l ! j e ! ! ! ! 自9 5 1 1 1 = ! ! ! ! = = e = = = = ! i ii , = = g = = = s = = = = = = = = = s e = = ! g ! ! ! ! = ! ! 自! ! ! = = ! ! 自 坐标变换分别得到d 轴电流和q 轴电流，与实时调节的入网电流基准艺，乏进行 比较，并将差值送入p i 调节器调节，结果经过解耦和电网电压前馈控制后，再 由d q 旺 3 变换得到v a ，v 口，最后通过s v p w m 运算得到驱动信号，实现单位功率 因数并网运行。其中艺等于0 ，为电压控制环p i 调节器的输出。 图2 7 城轨机车制动能量逆变回馈系统直接电流控制原理框图 2 4 城轨机车再生制动能量分析 机车再生制动过程中将机车动能转化为电能回馈到直流电网，定量计算再生 制动能量和可回收利用电能是分析和设计制动能量回馈系统容量基础和依据。本 文从机车制动特性曲线出发，来分析和计算机车再生制动能量。 机车制动特性曲线从理论上可分为三个部分：自然特性区、恒转矩特性区和 恒功率特性区【3 1 1 。当机车处于恒功率区时，在牵引电机供电电压维持不变，转 差频率和基波频率的变化成正比的前提下，牵引力或制动力与基波频率成反比关 系，此时的电机电流和功率均为常数；当机车处于恒转矩区时，在牵引电机的电 压与基波频率的比值和转差频率均维持不变的前提下，机车制动力与速度无关， 为常数；当机车处于自然特性区时，在牵引电机的电压和转差频率均维持不变的 前提下，机车牵引力或制动力同基波频率的平方成反比，即其与机车速度平方的 乘积为一常数。 在城市轨道交通系统中，机车制动特性曲线一般