城市軌道交通再生制動逆變回饋裝置鎖相技術研究

陳自強 嚴長輝 朱剛陽 張平軍(湖南恒信電氣有限公司,411104,湘潭//第一作者,工程師)

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城市軌道交通再生制動逆變回饋裝置鎖相技術研究

陳自強 嚴長輝 朱剛陽 張平軍
(湖南恒信電氣有限公司,411104,湘潭//第一作者,工程師)

摘 要以PWM(脈寬調制)整流器為核心的逆變回饋型吸收裝置,已逐漸成為城市軌道交通車輛再生制動能量吸收裝置的主流。提出的基于雙同步坐標系變換的軟件鎖相環(DDSRF-SPLL)相比傳統的單同步坐標系軟件鎖相環(SSRF-SPLL),更能快速有效地提取三相電壓在三相不對稱、三相畸變、單相或兩相電壓接地等情況下的電壓相位、基波頻率和正負序分量的大小,為逆變回饋型吸收裝置提供有力的相位保障。仿真結果驗證了所提方法的正確性與有效性。

關鍵詞城市軌道交通;再生制動;逆變回饋;軟件鎖相環

Author′s address Hunan Hengxin Electric Co.,Ltd., 411104,Xiangtan,China

目前,城市軌道交通再生制動能量吸收裝置主要包括電阻能耗型、電容儲能型和逆變回饋型。其中,逆變回饋型因能將制動能量直接回饋交流電網供其它設備使用,不需要配置儲能原件,也不存在電阻發熱問題,對環境影響小,易于維護,節能效果較好,已逐漸成為城市軌道交通車輛再生制動能量吸收裝置的主流方向[1-2]。

逆變回饋型吸收裝置是由電力電子器件構成的大功率三相PWM(脈寬調制)整流器實現并網與能量吸收的,要想實現可靠并網,同時不產生并網沖擊電流,必須滿足逆變輸出電壓與電網電壓的幅值、相位和頻率嚴格一致的要求。與此同時,為了提高并網質量與可靠性,減少并網諧波,避免設備故障后列車頻繁的閘瓦制動,當出現交流電網電壓不穩定、諧波含量較大、采樣異常等瞬時突變情況時,電網電壓幅值、相位和頻率的準確檢測是不可或缺的重要保證[3]。

鎖相環是一個閉環的相位控制系統,常用來跟蹤輸入信號的相位和頻率,使外部的輸入信號與目標信號同步。鎖相環一般分為硬件鎖相與軟件鎖相,為了簡化硬件電路,提高鎖相精度,常用軟件鎖相。傳統的基于單dq坐標變換的軟件鎖相環對三相對稱電壓的鎖相非常有效,但對三相不對稱電網電壓,無法實現正、負序分量的有效分解,從而不能很好地跟蹤電網頻率和相位,進而無法實現較優的控制性能[4]。

本文對三相電壓不對稱、三相畸變以及單相或兩相電壓接地等情況下的鎖相方法進行研究,通過分析,推導出了三相電壓基波正、負序分量與鎖相角和實際電壓相位之間的數學關系,建立了基于該數學關系的雙dq坐標變換SPLL(軟件鎖相環)模型。仿真結果表明,該模型在三相不對稱、三相畸變、單相或兩相電壓接地等情況下,均能快速準確地檢測出三相電壓的基波頻率、相位和正負序分量的大小[5-6]。

1　逆變回饋型吸收裝置工作原理

逆變回饋型吸收裝置主要由PWM整流器、平衡電抗器、隔離開關、交流斷路器、隔離變壓器等部件組成,其主接線示意圖如圖1所示。

圖1　再生制動能量逆變回饋吸收裝置原理圖

整流器的直流側與牽引變電所中的直流母線相連,其交流側連接到交流電網上;當再生制動使直流母線電壓超過設定值時,逆變回饋裝置啟動并從直流母線吸收電流,將再生直流電逆變成工頻交流電回饋至交流電網。

2　基于單dq坐標變換的鎖相環分析

基于單dq坐標變換的軟件鎖相環是基于跟蹤電網電壓的正序分量提出的檢測方法,在電網電壓平衡時能快速地檢測電網電壓頻率和相位。將理想三相電網電壓變換到dq同步坐標系下,則有:

式中:

ud——有功電壓;

uq——無功電壓;

U——交流相電壓有效值;

t——時間;

ω1——電網角速度;

ω0——估計角速度;

φe——初始相位差。

基于單dq坐標變換的鎖相環結構圖如圖2所示,在頻率和相位完全一致的情況下,有ω1=ω0, φe=0。因此有uq=0。所以通過PI(比例和積分)調節器把uq調節為零就可以達到鎖相的目的。

在三相電壓平衡且不含諧波的條件下,SSRFSPLL能取得很好的鎖相效果。但是,當三相電壓不對稱時,由于負序分量的存在,導致dq軸電壓分量存在交流分量,鎖相環輸出結果與實際相位存在誤差。三相電壓不對稱越嚴重,鎖相環產生的誤差越大。

圖2　SSRF-SPLL(單同步坐標系軟件鎖相環)結構圖

3　基于雙dq坐標變換的鎖相環分析

根據對稱分量法,三相不對稱電量可分解為三相正序、負序和零序對稱電量三者的合成,即

式中:

Us+、Us-、Us0——分別為正序、負序、零序基波電壓峰值;

φ+、φ-、φ0——分別為正序、負序、零序基波電壓的初始相位角。

雙dq變換SPLL通過正序旋轉變化和負序旋轉變換,分別將三相電壓的正序、負序和零序對稱分量變換為:以轉速ω正向旋轉的d+q+坐標系,旋轉角度為θ′,以轉速-ω反向旋轉的d-q-坐標系,旋轉角度為-θ′,零序分量經過旋轉變換后為零,從而抑制了零序分量的影響,如圖3所示。DSRFSPLL的目的是實現將正向旋轉的d+q+坐標系的d+軸與Us+重合,使ωt+φ+=θ′,實現正序分量與負序分量的解耦。

根據同步旋轉坐標變換理論,將三相電壓變換至正序同步旋轉坐標的正序變換矩陣

圖3　DSRF-SPLL(雙同步坐標系軟件鎖相環)矢量圖

三相電壓變換至負序同步旋轉坐標的負序變換矩陣為

將三相電壓分別用式(3)、式(4)變換至正、負序同步旋轉坐標,可得:

考慮到鎖相完成時,d+軸與Us+重合,ωt+φ+=θ′,通過對式(5)進行簡化處理與解耦計算后,可分別提取正負序的dq軸分量為:

與SSRF-SPLL的鎖相原理一致,通過PI調節器將正向旋轉d+q+坐標系的Usq+分量調節為零,即可達到鎖相的目的。基于雙dq變換SPLL的結構圖如圖4所示。圖中,LPF為低通濾波器,其傳遞函數為FLPF(s)=ωf/(s+ωf),ωf為低通濾波截止頻率。

4　仿真研究

4.1SSRF-SPLL與DDSRF-SPLL的比較

三相基波電壓為1(標幺值),t=0.25～0.35 s時刻,A相與C相分別跌落為0.8(標幺值)和0.5(標幺值),SSRF-SPLL與DDSRF-SPLL在Matlab Simulink軟件下的仿真結果如圖5和圖6所示。

圖4　DSRF-SPLL結構圖

圖5　電壓不對稱時SSRF-SPLL的仿真結果

由圖5和圖6可以看出,由于電壓不對稱時負序的影響,同步旋轉坐標變換以后的ud為2倍頻波動的直流量,uq為2倍頻波動的交流量,從而引起鎖相頻率波動較大,相位不穩定。而DDSRF-SPLL通過解耦計算分離出三相輸入電壓的正序分量,能夠抑制負序電壓分量的影響。鎖相頻率在發生輕微波動后立刻恢復,輸出相位非常穩定,正負序分量幾乎無諧波的干擾。

圖6　電壓不對稱時DDSRF-SPLL的仿真結果

4.2DDSRF-SPLL的適應性

在t=0.25～0.35 s時刻,對三相電壓注入幅值為0.2(標幺值)的三次諧波和幅值為0.25(標幺值)的五次諧波,仿真結果如圖7所示。從圖7中可以看出,諧波注入前后的鎖相頻率只有輕微波動,正負序分量幾乎無干擾,輸出相位非常穩定(見圖8)。

在t=0.25～0.35 s時刻,A相發生接地故障時的仿導致負序分量大幅增加,雖然造成鎖相頻率在單相接地及恢復前后具有一定波動,但波動幅值很小,同時響應速度極快,輸出相位始終非常穩定。

5　結語

隨著城市軌道交通的快速發展,以PWM整流器為核心的逆變回饋型在再生制動能量吸收裝置中所占比重越來越大。為了保證逆變回饋型吸收裝置能夠更加安全、可靠地運行,必須快速、準確鎖定正序電壓基波分量的頻率和相位,為其回饋制動能量提供有力的相位保障。

圖7　電壓畸變時DDSRF-SPLL的仿真結果

圖8　單相接地時DDSRF-SPLL的仿真結果

本文研究了單/雙同步坐標系軟件鎖相環的基本原理,并通過仿真對比研究其性能,尤其在三相電壓不對稱、三相畸變、單相或兩相接地等情況下,基

于雙同步坐標變換的軟件鎖相環通過對電網電壓正負序分量的解耦控制,能夠快速、準確有效地檢測出電壓相位、基波頻率和正負序分量的大小。仿真結果證明了該模型的正確性和有效性。

參考文獻

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[6] MASOUD K G,IRAVANL M R. A Method for Synchronization of Power Electronic Converters in Polluted and Variable Frequency Environments [J]. IEEE Transactions on Power Systems,2004(19):3.

Phase Locked Technology of Regenerative Braking Energy Inverter Device in UMT

Chen Ziqiang,Yan Changhui,Zhu Gangyang,Zhang Pingjun

AbstractInverter feedback absorption equipment with a core of PWM(pulse width modulation)rectifier has gradually become the mainstream of regenerative braking energy absorption system in urban mass transit.In this paper,compared with the traditional SPLL based on single synchronous reference frame (SSRF SPLL),a software phase locked loop based on double synchronous reference frame(DSRF SPLL)can quickly and effectively obtain voltage phase,fundamental frequency and magnitude of positive-sequence component and fundamental negative-sequence component under the unbalanced and distorted gird voltage,and either single-phase or two-phase earthing fault conditions.DSRF SPLL provides powerful phase guarantee for the inverter feedback absorption equipment,and the simulation results have verified the validity and effectiveness of this method.

Key wordsurban mass transit;regenerative braking;inverter feedback;software phase locked-loop(SPLL)

(收稿日期:2014-12-22)

DOI:10.16037/j.1007-869x.2016.02.009

中圖分類號U 270.35