地铁供电系统的多目标综合控制节能装置

摘要

地铁供电系统的多目标综合控制节能装置，采用可控高功率因数整流的AC/DC变流模块取代传统的整流电路，以实现能量的双向流动，并通过高功率因数整流技术有效抑制装置自身谐波，多个AC/DC变流模块还以并联的形式来扩大整个装置容量。同时在直流牵引母线处装有一台或多台并联DC/DC变流模块，使机车制动时产生的电能可部分通过AC/DC模块回馈到电网，部分通过DC/DC模块升压后存储到独立电容器组，该装置可以充分回收及利用制动能量，并通过部分吸收能量、部分回馈能量来克服所有能量瞬时回馈电网对电网的冲击。

权利要求

1.一种地铁供电系统的多目标综合控制节能装置，其特征在于：该装置包括 第一电抗器(21)、第二电抗器(22)、第三电抗器(23)、第四电抗器(24)，交 流/直流变流模块即第一AC/DC模块(25)、第二AC/DC模块(26)、第三AC/DC 模块(27)、第四AC/DC模块(28)，公用电容器组(29)，直流/直流变流模块即 第一DC/DC模块(30)、第二DC/DC模块(31)、第三DC/DC模块(32)、第四DC/DC 模块(33)，第一独立电容器组(34)、第二独立电容器组(35)、第三独立电容 器组(36)、第四独立电容器组(37)，第一传感器(18)、第二传感器(19)、第 三传感器(20)，以及控制电路；

所述的第一AC/DC模块(25)、第二AC/DC模块(26)、第三AC/DC模块(27)、 第四AC/DC模块(28)的交流侧分别对应连接到第一电抗器(21)、第二电抗器 (22)、第三电抗器(23)、第四电抗器(24)的一端上，直流侧与公用电容器组 (29)相连，第一电抗器(21)、第二电抗器(22)、第三电抗器(23)、第四电 抗器(24)的另一端分别对应接在第四变压器(16)、第五变压器(17)的二次 侧上；

所述的第一DC/DC模块(30)、第二DC/DC模块(31)、第三DC/DC模块(32)、 第四DC/DC模块(33)的一次侧连接到公用电容器组(29)上，二次侧分别对应 与各自的第一独立电容器组(34)、第二独立电容器组(35)、第三独立电容器组 (36)、第四独立电容器组(37)相连；

第一AC/DC模块(25)、第二AC/DC模块(26)、第三AC/DC模块(27)、第 四AC/DC模块(28)的直流侧、第一DC/DC模块(30)、第二DC/DC模块(31)、 第三DC/DC模块(32)、第四DC/DC模块(33)的一次侧都并联到一个公用电容 器组(29)上，公用电容器组(29)的正、负极分别引出正直流母线(11)、负 直流母线(12)，直流牵引母线电压等级为1500V；

所述的第一传感器(18)、第二传感器(19)、第三传感器(20)分别安装在 每个非牵引负荷分支上。

2.根据权利要求1所述的一种地铁供电系统的多目标综合控制节能装置的 控制电路，其特征在于：所述的控制电路包括核心控制器、DC/DC本地控制器和 AC/DC本地控制器，其中核心控制器包括核心控制功能模块、能量吸收集中控制 功能模块、能量回馈集中控制功能模块；

所述核心控制器的核心控制功能模块由DSP即数字信号处理器实现，其输入 端是地铁变电站非牵引负荷采样、直流牵引母线采样的电压、电流信息，以及各 DC/DC模块的独立电容器组母线采样的电压信息，这些信息由传感器获取，其输 出端与核心控制器的能量吸收集中控制功能模块相连，输出能量吸收、释放命令 信号；同时与核心控制器的能量回馈集中控制功能模块相连，输出能量回馈、无 功、谐波补偿命令信号；

所述核心控制器的能量吸收集中控制功能模块由FPGA即现场可编程门阵列 实现，其输入端与核心控制器的核心控制功能模块相连；其双向输入、输出端与 DC/DC本地控制器通过光纤相连，输入反馈的检测信号和采样数据，输出上层控 制命令信号；

所述核心控制器的能量回馈集中控制功能模块由FPGA实现，其输入端与核 心控制器的核心控制功能模块相连；其双向输入、输出端与AC/DC本地控制器通 过光纤相连，输入反馈的检测信号和采样数据，输出上层控制命令信号；

所述DC/DC本地控制器由DSP实现，其双向输入、输出端与核心控制器的能 量吸收集中控制功能模块通过光纤相连；IGBT控制输出端与DC/DC模块的驱动 电路相连，输出驱动控制信号；

所述AC/DC本地控制器由DSP实现，其双向输入、输出端与核心控制器的能 量回馈集中控制功能模块通过光纤相连；IGBT控制输出端与AC/DC模块的驱动 电路相连，输出驱动控制信号。

说明书

技术领域

本发明涉及一种多目标综合控制节能装置，是一种运用到地铁供电系统的节 能装置。属于电力电子与电力传动技术领域。

背景技术

节约能源是我国的一项基本基本国策，是国民经济可持续发展战略的重要内 容。近年来，我国经济发展迅速，交通拥挤状况成为城市发展的一个障碍。在各 大城市中，发展和建设快速的轨道交通系统网络已势在必行。目前，我国已有 15个城市正在申请修建地铁和轻轨道路，线路总长超过430公里，建设投资约 1400亿元人名币。到2025年我国将有30个以上的大中城市建成地铁交通网， 地铁将成为大中城市的主要交通网。
作为用电大户的城市轨道交通网络，普遍采用直/交变压变频的传动方式， 车辆的制动方式为电制动(再生制动)+空气制动，运行中以电制动为主，空气 制动为辅。列车在运行过程中，由于站间距较短，列车启动、制动频繁，制动能 量相当可观。根据经验，地铁再生制动产生的能量除了一定比例(一般为 20％~80％)被其他相邻列车吸收利用外，剩余部分将主要被列车的吸收电阻以发 热的方式消耗掉或被线路上的吸收装置吸收。当列车发车密度较低时，再生能量 被其他车辆吸收的概率将大大降低。目前国内城市轨道交通大多数采用电阻能耗 吸收装置处理列车运行过程中的再生能量，这不仅浪费能量，而且也增加了站内 空调通风装置的负担，并使城轨建设费用和运行费用增加。
目前也有地铁线路使用飞轮储能型或电容储能型制动技术，采用IGBT逆变 器将列车的再生制动能量吸收到飞轮电机或大容量电容中，当供电区间内列车需 要能量时，该装置将所存储的电能释放再利用。这些技术具有一定的实用价值， 但飞轮储能型制动技术的储能元件为飞轮电机，由于飞轮长时间处于高速旋转状 态，且飞轮质量很大，故摩擦耗能问题严重，飞轮工作寿命短。而现有电容储能 型制动技术的吸收设备每次存储满电能后都要将电容上的电能释放消耗掉，否则 下次工作电容无法吸收制动能量。这些缺陷在一定程度上限制了节能效果的进一 步改善。

发明内容

技术问题：本发明的目的是克服现有地铁列车节能技术方案的不足，提出一 种地铁供电系统的多目标综合控制节能装置，该装置能够使再生制动能量在系统 中优化分配并能够对牵引变电站的谐波、无功进行补偿，从而在降低地铁供电系 统能耗的同时保证系统的稳定性和改善电能质量。
技术方案：本发明的地铁供电系统的多目标综合控制节能装置包括第一电抗 器、第二电抗器、第三电抗器、第四电抗器，交流/直流变流模块即第一AC/DC 模块、第二AC/DC模块、第三AC/DC模块、第四AC/DC模块，公用电容器组，直 流/直流变流模块即第一DC/DC模块、第二DC/DC模块、第三DC/DC模块、第四 DC/DC模块，第一独立电容器组、第二独立电容器组、第三独立电容器组、第四 独立电容器组，第一传感器、第二传感器、第三传感器，以及控制电路；
所述的第一AC/DC模块、第二AC/DC模块、第三AC/DC模块、第四AC/DC 模块的交流侧分别对应连接到第一电抗器、第二电抗器、第三电抗器、第四电抗 器的一端上，直流侧与公用电容器组相连，第一电抗器、第二电抗器、第三电抗 器、第四电抗器的另一端分别对应接在第四变压器、第五变压器的二次侧上；
所述的第一DC/DC模块、第二DC/DC模块、第三DC/DC模块、第四DC/DC 模块(的一次侧连接到公用电容器组上，二次侧分别对应与各自的第一独立电容 器组、第二独立电容器组、第三独立电容器组、第四独立电容器组相连；
AC/DC模块、DC/DC模块数目为一个或多个，所有的AC/DC模块的直流侧、 DC/DC模块的一次侧都并联到一个公用电容器组上，公用电容器组的正、负极分 别引出正直流母线、负直流母线，直流牵引母线电压等级为1500V；
所述的第一传感器、第二传感器、第三传感器分别安装在每个非牵引的负荷 分支上。
本发明的一种地铁供电系统的多目标综合控制节能装置的控制电路包括核 心控制器、DC/DC本地控制器和AC/DC本地控制器，其中核心控制器包括核心控 制功能模块、能量吸收集中控制功能模块、能量回馈集中控制功能模块；
所述核心控制器的核心控制功能模块由DSP即数字信号处理器实现，其输入 端是地铁变电站其他非牵引负荷采样、直流牵引母线采样的电压、电流信息，以 及各DC/DC模块的独立电容器组母线采样的电压信息，这些信息由传感器获取， 其输出端与核心控制器的能量吸收集中控制功能模块相连，输出能量吸收、释放 命令信号；同时与核心控制器的能量回馈集中控制功能模块相连，输出能量回馈、 无功、谐波补偿命令信号；
所述核心控制器的能量吸收集中控制功能模块由FPGA即现场可编程门阵列 实现，其输入端与核心控制器的核心控制功能模块相连；其双向输入、输出端与 DC/DC本地控制器通过光纤相连，输入反馈的检测信号和采样数据，输出上层控 制命令信号；
所述核心控制器的能量回馈集中控制功能模块由FPGA实现，其输入端与核 心控制器的核心控制功能模块相连；其双向输入、输出端与AC/DC本地控制器通 过光纤相连，输入反馈的检测信号和采样数据，输出上层控制命令信号；
所述DC/DC本地控制器由DSP实现，其双向输入、输出端与核心控制器的能 量吸收集中控制功能模块通过光纤相连；IGBT控制输出端与DC/DC模块的驱动 电路相连，输出驱动控制信号；
所述AC/DC本地控制器由DSP实现，其双向输入、输出端与核心控制器的能 量回馈集中控制功能模块通过光纤相连；IGBT控制输出端与AC/DC模块的驱动 电路相连，输出驱动控制信号。
有益效果：
(1)实现了能量的再生制动，将地铁再生制动能量回馈电网或用电容存储， 可大幅减少制动能量消耗；
(2)通过部分吸收能量、部分回馈能量来克服所有再生制动能量瞬时回馈 电网对电网的冲击；
(3)实现了对牵引变电站谐波及无功的补偿，可以改善地铁变电站的电能 质量，间接起到节能功效；
(4)通过自身的高功率因数整流减少了节能装置对交流电网的谐波污染， 并间接起到节能功效；
(5)解决了现有电容储能型制动技术中对储满电能后必须释放消耗的限制， 提升了节能效果；

附图说明

图1地铁供电系统的多目标综合控制节能装置的安装示意图，
图2地铁供电系统的多目标综合控制节能装置的控制电路示意图，
图3地铁供电系统的多目标综合控制节能装置的主电路原理示意图，
图4三电平AC/DC变换电路拓扑示意图，
图5三电平DC/DC变换电路拓扑示意图，
图中有：进线1、联络线2、开关3~9、交流母线10、正直流母线11、负直 流母线12、变压器13~17、传感器18~20、电抗器21~24、AC/DC模块25~28、公 用电容器组29、DC/DC模块30~33、独立电容器组34~37、控制电路38、机车39、 变压器一次侧40~41、变压器二次侧42~45、电感46~50、电容器组51~54、绝缘 栅双极晶体管(IGBT)55~70、钳位二极管71~76。

具体实施方式

采用可控高功率因数整流的AC/DC变流模块取代传统的整流电路，以实现能 量的双向流动，并可通过高功率因数整流技术抑制自身谐波。多个AC/DC模块的 直流侧连接到一个公用的电容器组上以扩大装置的容量，直流牵引母线即从此电 容器组正、负极引出。同时在直流牵引母线处装有一个或多个并联的DC/DC变换 器，通过升压将吸收的部分电能存储到电容器组中。这就使机车制动时产生的能 量可部分通过AC/DC模块回馈到电网，部分通过DC/DC模块存储到独立电容器组， 克服了所有能量瞬时回馈电网对电网的冲击。并采用多目标综合节能的控制方法 控制两部分电路，优化能量在系统中的分配，使制动能量的消耗大幅降低；控制 系统还检测牵引变电站其它非牵引负荷的谐波和无功分量，触发AC/DC变流模块 在能力允许的情况下进行逆变对这部分谐波和无功进行补偿，避免对电网的冲击 和污染，以达到间接节能的目的。
下述以三电平的AC/DC模块、DC/DC模块为例，介绍本发明的具体实施方案：
如图1所示，地铁供电系统的多目标综合控制节能装置包括电抗器21~24、 交流/直流变流模块(AC/AC模块)25~28、公用电容器组29、直流/直流变流模 块(DC/DC模块)30~33、独立电容器组34~37、传感器18~20，以及控制电路38。 AC/DC模块25~28的交流侧连接到电抗器21～24上，直流侧与公用电容器组29 相连。电抗器21~24的另一端接在变压器16~17的二次侧上。DC/DC模块30~33 的一次侧连接到公用电容器组29上，二次侧分别对应与各自的独立电容器组 34~37相连。并联的AC/DC模块、DC/DC模块数目为一个或一个以上，由实际的 功率决定。
电网中的交流电经变压器16~17降压后，通过电抗器21~24引入到节能装置。 AC/DC模块25~28将交流电变为直流电后从正直流母线11、负直流母线12引出， 作为机车39的驱动用电。机车39制动时产生的电能可通过AC/DC模块25~28 回馈到电网，也可通过DC/DC模块30~33升压后将电能存储到独立电容器组 34~37中。为了改善电能质量，利用传感器18~20采集地铁变电站其它非牵引负 荷的电流、电压信息，作为节能装置补偿谐波、无功的依据。传感器的数目取决 于非牵引的负荷支路数。
整个地铁供电系统的多目标综合控制节能装置的控制电路示意图如图2所 示。鉴于控制的模块众多，控制对象的复杂，系统的控制分为3层，最顶层为核 心控制层，负责协调能量吸收和能量回馈两部分模块的能量分配；中间层分别为 能量吸收和能量回馈的集中控制，负责电力电子器件的脉冲分配和功率模块的故 障处理；最底层为功率模块的本地控制器，负责接收上层的下发命令、数据采样， 控制本系统的功率器件及上传必要控制检测信号。
控制电路在组成上包括核心控制器(由核心控制、能量吸收集中控制、能量 回馈集中控制三大功能模块构成)、DC/DC本地控制器和AC/DC本地控制器。
核心控制器的核心控制功能模块由DSP(数字信号处理器)实现；其输入端 是地铁变电站其他非牵引负荷采样、直流牵引母线采样的电压、电流信息，以及 各DC/DC模块的独立电容器组电压信息，这些信息由传感器获取；其输出端与能 量吸收集中控制功能模块相连，输出能量吸收、释放命令信号，同时与能量回馈 集中控制功能模块相连，输出能量回馈、无功、谐波补偿命令信号。
核心控制器的能量吸收集中控制功能模块由FPGA(现场可编程门阵列)实 现；其输入端与核心控制功能模块相连；其双向输入、输出端与DC/DC本地控制 器通过光纤相连，输入反馈的检测信号和采样数据，输出上层控制命令信号。核 心控制器的能量回馈集中控制功能模块由FPGA实现；其输入端与核心控制功能 模块相连；其双向输入、输出端与AC/DC本地控制器通过光纤相连，输入反馈的 检测信号和采样数据，输出上层控制命令信号。DC/DC本地控制器由DSP实现； 其双向输入、输出端与能量吸收集中控制功能模块通过光纤相连；IGBT控制输 出端与DC/DC模块的驱动电路相连，输出驱动控制信号。AC/DC本地控制器由DSP 实现；其双向输入、输出端与能量回馈集中控制功能模块通过光纤相连；IGBT 控制输出端与AC/DC模块的驱动电路相连，输出驱动控制信号。
结合图3~图5对装置的主电路拓扑作进一步说明：
在图3中，变压器16~17一次侧40~41接到10kV交流电网上，变压器16~17 二次侧42~45通过电抗器21~24与三电平的AC/DC模块的交流侧相连。公用电容 器组29的正、负端分别引出正直流母线11、负直流母线12。采用多个三电平 AC/DC模块可以实现高性能的整流，使直流牵引母线的电压稳定在1500V。所有 的三电平AC/DC模块采用一个公用电容器组29。这种拓扑的优势在于不需要改 变原有牵引变电站的两台变压器，可以节省成本。
图4所示为三电平AC/DC模块的电路拓扑，是本发明AC/DC模块拓扑的一个 具体实施方案。该拓扑即二极管钳位的电压型PWM整流器，每个桥臂由两个全 控型器件IGBT串联构成，而每个半桥的两个串联器件的中点通过钳位二极管 71~76和直流侧的电容器组51~52的中点N相连。其优点是电路易于控制，且主 开关器件仅承受一半的母线直流电压，适合于高压大容量的场合。另外通过合理 控制各个IGBT的通断可使整流器的输入电流跟踪电压，提高其功率因素，抑制 装置本身注入到交流电网中的谐波。同时，通过由直流侧到交流侧的逆变，最终 可实现谐波、无功补偿的功能，以改善牵引变电站内的电能质量。
图5所示为三电平DC/DC模块的电路拓扑，是本发明DC/DC模块拓扑的一个 具体实施方案。鉴于现有地铁的牵引母线直流电压等级为1500V，因此该电路采 用双向三电平Buck-Boost型DC/DC变换电路。该电路具有开关管电压应力只有 牵引母线直流电压的1/2，输出滤波电感小，动态响应快的优点。机车39制动 时给电容器组53(即独立电容器组34~37)充电时该电路工作在Buck降压模式， 当电容器组53放电时该电路工作在Boost升压模式。三电平双向变换器的电感 49~50只有两电平双向变换器的1/4，实现此优点须保证IGBT采用交错控制及互 补驱动：IGBT-67和IGBT-68的驱动信号相差180°，IGBT-69和IGBT-70的驱动 信号相差180°。