模块化轨道交通电阻制动能量吸收装置循环控制方法
阅读说明：本技术 模块化轨道交通电阻制动能量吸收装置循环控制方法 (Circulation control method for modular rail transit resistive braking energy absorption device ) 是由 刘春松 杨轶成 张裕峰 王结飞 李冰 于 2019-11-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种模块化轨道交通电阻制动能量吸收装置循环控制方法,该方法基于轨道交通再生能量电阻吸收装置平台,N个功率模块中只有1个模块工作在PWM调制模式,其余N-1个功率模块工作在直通模式。工作在PWM模式下的功率模块采用循环模式进行工作；直通模式下功率模块的投入顺序按照上一时段统计时长确定投入顺序。本发明方法可以使得功率器件的开关次数大幅度减小,功率器件的温度波动更平缓,从而提高装置的寿命。(The invention discloses a circulation control method of a modular rail transit resistance braking energy absorption device, which is based on a rail transit regenerative energy resistance absorption device platform, wherein only 1 module of N power modules works in a PWM (pulse-width modulation) mode, and the rest N-1 power modules work in a through mode. The power module working in the PWM mode works in a circulation mode; and determining the input sequence of the power modules in the direct-through mode according to the statistical time length of the previous time period. The method can greatly reduce the switching times of the power device, and the temperature fluctuation of the power device is smoother, thereby prolonging the service life of the device.)
技术领域
本发明属于轨道交通再生能量电阻吸收装置的控制技术领域，具体涉及一种模块化轨道交通电阻制动能量吸收装置循环控制方法。
背景技术
在地铁列车制动时，列车的动能转化为电能，电能累积在直流牵引网上，造成牵引网电压升高，轨道交通再生能量电阻吸收装置(以下简称装置)的作用为在电压升高时通过某种控制方式，在牵引网上投入电阻，并控制电阻投入的时间，将电能消耗，稳定牵引网压，通常地铁列车上会配置斩波器和电阻。将装置移至地面，具有减轻车重节能，降低隧道温升等优点。
装置由功率模块、制动电阻及控制系统构成，每个功率模块即为一个斩波器，每个功率模块连接一个制动电阻，构成一个支路，如图1所示的装置拓扑示意图。在常规控制方式下，装置各个功率模块同时工作在PWM模式，如图2 所示。PWM工作模式为：当调制比为0时，即输出为0电平，无电压施加在制动电阻上；当调制比为1时，持续输出高电平1，电压施加在制动电阻上。当调制比为0.5时，在开关周期Ts内0和1电平的时间比值为1:1，即在这一段时间内有一半的时间有电压施加在电阻上，有一半时间电阻上无电压。通过改变调制比，可调整电压施加在制动电阻上的时间，从而调整制动电阻上的功率，即使制动电阻的功率从0至满功率连续平滑可调。在此工作模式下，PWM的电平从0-1-0每变化一次，功率器件就开通、关断一次，既为一个开关周期Ts，功率器件动作频繁。
地铁列车进站制动过程中，制动功率按照如图3所示的功率随时间波动。在列车制动前期，制动功率随着时间增大，为了维持牵引网电压稳定，投入电阻的功率需要从0逐步增大，即每个功率模块的PWM调制比从0逐步变大；列车制动中期，制动功率基本维持恒定，投入电阻的功率需要维持恒定，每个功率模块的PWM调制比基本恒定；列车制动末期，制动功率随着时间减小，投入电阻的功率需要逐步减小，即PWM调制比逐步变小至0。同时地铁列车是按照一定时间间隔进站，如高峰期每2分钟一列，低峰期每5分钟一列。每次列车进站刹车，装置的功率器件都会按照上述PWM模式进行工作，即按照列车进站的时间间隔进行循环变化。列车制动过程中功率变化较大，功率模块的PWM调制比变化也比较剧烈，同时功率模块内功率器件动作频繁，造成装置中的功率器件温度频繁波动，这种波动会加速功率器件的老化，缩短装置的整体使用寿命。
发明内容
本发明的目的为减少现有技术下装置功率器件开关动作的次数，减小功率器件的温度波动，提出了一种模块化轨道交通电阻制动能量吸收装置循环控制方法，实现功率器件的开关次数大幅度减小，使功率器件的温度波动平缓，提高装置功率器件的寿命。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种模块化轨道交通电阻制动能量吸收装置循环控制方法，其特征是，所述轨道交通再生能量电阻吸收装置包括N 个功率模块，N个功率模块总功率与列车制动的制动功率相匹配；在N个功率模块中选择1个功率模块工作在PWM模式，其余N-1个功率模块工作在直通模式；
根据列车制动所需要的制动功率选择PWM模式或直通模式的功率模块投入或退出工作。
进一步的，所述根据列车制动所需要的制动功率选择PWM模式或直通模式的功率模块投入或退出工作包括：
当列车制动功率逐步上升时，最先投入PWM模式的功率模块，然后从第1 个直通模式的功率模块开始投入工作，直至所有直通模式的功率模块投入工作。
进一步的，所述直通模式的功率模块投入工作包括：
直通模式功率模块逐步增大调制比至1投入工作。
进一步的，所述根据列车制动所需要的制动功率选择PWM模式或直通模式的功率模块投入或退出工作包括：
当列车制动功率逐步下降时，先从第N-1个直通模式的功率模块开始退出工作，直至所有直通模式下的功率模块退出工作，最后退出PWM模式的功率模块。
进一步的，所述直通模式的功率模块退出工作包括：
直通模式功率模块逐步减小调制比至0退出工作。
进一步的，所述PWM模式的功率模块采用循环模式投入工作。
进一步的，所述PWM模式的功率模块采用循环模式投入工作包括：
对上一个统计时间内N-1个直通模式功率模块的工作时间进行累积统计；在下一个统计时间，选取在上一统计时间直通模式下工作时间最短的功率模块，使其工作在PWM模式。
进一步的，所述直通模式的功率模块投入工作包括：
直通模式功率模块的投入顺序按照上一时段统计时长确定投入顺序。
进一步的，所述直通模式功率模块的投入顺序按照上一时段统计时长确定投入顺序包括：
对上一个统计时间段内N-1个直通模式功率模块的工作时间进行累积统计，统计时间按照由短到长进行排序；在下一个统计时间段，直通模式功率模块投入的顺序按照上一个统计时间段内统计时间由短到长顺序投入工作。
进一步的，所述直通模式功率模块的统计时间间隔为列出每天运行时间除以N-1，时间间隔取整数。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明方法可以使得功率器件的开关次数大幅度减小，功率器件的温度波动更平缓，从而提高装置的寿命。
附图说明
图1为4支路模块装置系统原理示意图；
图2现有控制方法下4支路模块各个功率模块工作下的PWM波形；
图3为列车制动下功率、时间曲线；
图4为本发明控制方法下4支路模块各个功率模块的PWM波形；
图5为功率模块直通模式投入情况下波形；
图6为功率模块直通模式退出情况下波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明的发明构思为：该方法基于轨道交通再生能量电阻吸收装置平台，N 个功率模块中只有1个模块工作在PWM调制模式，其余N-1功率模块工作在直通模式。工作在PWM模式下的功率模块采用循环模式进行工作；直通模式下功率模块的投入顺序按照上一时段统计时长确定投入顺序。功率模块投入直通模式时，投入直通功率模块逐步增大调制比至1；同时工作在PWM模式下的功率模块逐步减小调制比至合适值。功率模块退出直通模式时，逐步减小调制比至0；同时工作在PWM模式下的功率模块逐步增大调制比至合适值。通过以上控制方法可以使得功率器件的开关次数大幅度减小，功率器件的温度波动更平缓，从而提高装置使用寿命。
本发明实施例的一种模块化轨道交通电阻制动能量吸收装置循环控制方法，包括以下过程：
第一步：所述轨道交通再生能量电阻吸收装置采用模块化设计，由N个功率模块组成。每个功率模块连接一个制动电阻，构成一个支路，每个电阻的额定功率相同。N个电阻总功率与列车制动的功率相匹配。
假设列车制动额定值功率为P1，其制动功率从0～P1变化。制动电阻的总功率为P2(P2>P1，制动电阻功率留有一定裕度)，则每个电阻功率为
第二步：在N个功率模块中选择1个功率模块工作在PWM调制模式，其余N-1个功率模块工作在直通模式。
功率模块工作在PWM调制模式下也可将此功率模块简称为PWM模式功率模块，所述的PWM调制模式(或简称PWM模式)含义是：PWM为脉宽调制技术，其调制比从0至1连续可调。当调制比为0时，即输出为0电平，功率模块关断，无电压施加在制动电阻上；当调制比为1时，持续输出高电平1，功率模块开通，电压施加在制动电阻上。当调制比为0.5时，在开关周期Ts内0 和1电平的时间比值为1:1，即在这一段时间内有一半的时间有电压施加在电阻上，有一半时间电阻上无电压。通过改变调制比，可调整电压施加在制动电阻上的时间，从而调整制动电阻的功率，即使电阻功率从0至
功率模块工作在直通模式下也可将此功率模块简称为直通模式功率模块，所述的直通模式含义是：功率模块工作在直通模式下，调制比为0或者1，无中间值，即电阻功率为0或
第三步，装置根据当前列车制动所需要的制动功率选择对应的功率模块投入或退出工作。
当列车制动功率上升时，最先投入PWM模式的功率模块，然后从第1个直通模式的功率模块投入工作，直至所有直通模式的功率模块投入工作，当列车制动功率下降时，装置从第N-1个直通模式的功率模块开始退出，直至所有直通模式下的功率模块退出，最后退出PWM模式的功率模块。在某稳定制动功率下各个功率模块的PWM波形如图4所示。
具体工作过程为：
当车辆制动功率逐步增大时，在制动功率从0上升至之间时，在PWM 模式下的功率模块逐步增大调制比即可与列车制动功率匹配；当调制比接近1 时，列车制动功率接近
当车辆制动功率从P1逐步减小时，工作在PWM模式下的功率模块逐步减小调制比，当调制比接近0时，即列车制动功率接近
上面所述直通模式功率模块投入或退出时，强调的从0逐步增大调制比到1 或从1逐步减小调制比到0，并不是如PWM模式一样缓慢过程。直通模式中描述的逐步从0至1、从1至0调整是一个过渡过程，是短时间的过程。如图5和图6中右上图，从0至1，从1至0的时间持续0.05s，时间极短，相对于功率模块处于0或者1的时间而言，此时间可以忽略不记。直通模式中逐步增大或者减小调制比是为了使从0至1，1至0的过渡过程更平稳，减小直通模式功率模块直接投入、退出时的功率冲击。
第四步，PWM模式下的功率模块采用循环模式进行工作。
若某个功率模块长期工作在PWM模式下，其内部功率器件温度波动较大，功率器件会加速老化，使用寿命减少。因此在PWM模式下的功率模块采用循环模式进行工作，装置每天选取上一天工作在直通模式的一个功率模块代替上一天工作在PWM模式下的功率模块，每N天循环一次。根据地铁列车运行时间，每天早上6时列车发车，晚上24时列车收车。统计时间间隔可按照列车的工作时间进行统计，一般取1天。装置对上一天内N-1个直通模式功率模块的工作时间进行累积统计；在下一天，选取在上一天直通模式下工作时间最短的功率模块，使其工作在PWM模式。
第五步，对于直通模式下功率模块的投入顺序按照如下方法进行：对上一个统计时间段内N-1个功率模块直通模式的工作时间进行累积统计，统计时间按照由短到长进行排序；在下一个统计时间段的功率模块投入直通模式的顺序按照上一个统计时间段内统计的时间由短到长顺序投入直通模式，并进行循环统计。为尽可能保证直通模式下的功率单元在每天平均发热均匀的。直通模式的统计时间间隔为地铁每天运行时间除以N-1，时间间隔取整数。
以四支路装置为例，直通模式的功率单元为3个，地铁运行时间为18小时，即每6小时轮换一次；第一个投入直通的功率模块每天可循环一次。尽最大可能保证直通模式下的功率单元在每天发热均匀的。
为了便于统计，从PWM模式切换至直通模式下的功率模块，其直通模式下的初次统计时长为0。
实施例：
本发明控制方法基于轨道交通再生能量电阻吸收装置平台，轨道交通再生能量电阻吸收装置采用模块化设计，以装置含有4个支路为例进行详细介绍，如图1所示。
第一步：每个功率模块连接一个制动电阻，构成一个支路，每个电阻的额定功率相同。4个电阻总功率与列车制动的功率相匹配。假设列车制动额定值功率为2000kW，其制动制动功率从0～2000kW变化。制动电阻的总功率为2400kW (制动电阻功率留有一定裕度)，则每个电阻功率为600kW。
第二步：在4个功率模块中选择1个功率模块工作在PWM调制模式，其余 3个功率模块工作在直通模式。
PWM为脉宽调制技术，PWM的电平为0或者1。电平从0-1-0每变化一次，即为一个开关周期，开关周期以3.3ms为例，在此期间，功率器件就开通、关断一次。当电平为1时，功率器件开通；电平为0，功率器件关断。功率器件开通时，直流电压施加在制动电阻上，产生功率消耗。
功率模块工作在PWM模式下，其调制比从0至1连续可调。当调制比为0 时，即输出为0电平，无电压施加在制动电阻上；当调制比为1时，持续输出高电平1，电压施加在制动电阻上。通过改变调制比，可调整电压施加在制动电阻上的时间，从而调整制动电阻上的功率，即使电阻功率从0至600kW连续平滑可调。而在直通模式下，调制比为0或者1，无中间值，即电阻功率为0或 600kW。
装置根据当前列车制动所需要的制动功率选择对应的调制比。在制动功率从0上升至600kW之间时，PWM模式下的功率模块工作即可与列车制动功率匹配；当列车制动功率从600kW上升至1200kW时，需要投入第1个直通模式的功率模块，以匹配列车制动功率；依次类推，直至列车制动达到2000kW，第3个功率模块投入运行。当列车制动功率下降时，装置从第3个功率模块开始退出，直至所有直通模式下的功率模块退出，最后退出工作在PWM模式的功率模块。
第三步，当车辆制动功率逐步增大时，工作在PWM模式下的功率模块逐步增大调制比，当调制比接近1时，列车制动功率接近600kW，此时需要投入第 1个直通模式的功率模块，如此时直接投入直通模式功率模块，则投入功率接近 1200kW，大于此时列车制动功率600kW，会造成牵引直流母线剧烈降低，影响列车运行。故功率模块投入直通模式时，逐步增大调制比至1，进入直通模式；同时工作在PWM模式下的功率模块逐步减小调制比至0；随着列车功率的增大，工作在PWM模式下的功率模块调制比继续增大，以匹配列车的制动功率。第3 个直通模式功率模块初始投入时，列车制动功率达到1800kW，随着列车制动功率继续增大达到2000kW，工作PWM模式下的功率模块的功率达到200kW。
当车辆制动功率从2000kW逐步减小时，工作在PWM模式下的功率模块逐步减小调制比，当调制比接近0时，即列车制动功率接近1800kW，需要第3个直通的功率模块退出运行，如此时功率模块直接退出直通，则电阻投入的功率为1200kW，小于列车制动功率1800kW，会造成列车牵引直流母线剧烈升高，影响列车运行。故在功率模块退出直通模式时，逐步减小调制比至0，直至退出运行；同时工作在PWM模式下的功率模块逐步增大调制比至1。随着列车功率的减小，工作在PWM模式下的功率模块调制比从1继续减小，以匹配列车的制动功率。当第1个直通模式功率模块最后退出运行时，列车制动功率达到600kW；随着列车制动功率继续减小，工作在PWM模式下的功率模块的调制比从1减小至0，最后列车停止，装置停止输出。本专利提出的列车制动功率是指最大制动功率，而在实际列车运行过程中，由于列车运行工况的不同，考虑到不同的载客量、车辆间的吸收等因素，列车制动功率往往不会达到最大值，第3个直通模式的功率模块可能不会投入运行。
第四步，若某个功率模块长期工作在PWM模式下，其内部功率器件温度波动较大，功率器件会加速老化，使用寿命减少。因此在PWM模式下的功率模块采用循环模式进行工作。根据地铁列车运行时间，每天早上6时列车发车，晚上24时列车收车。统计时间间隔可按照列车的工作时间进行统计，一般取1天。装置对上一天内3个直通模式功率模块的工作时间进行累积统计；在下一天，工作在PWM模式下功率模块选取在上一天在直通模式下工作时间最短的功率模块，每4天循环一次。
第五步，对于直通模式下功率模块的投入顺序按照如下方法进行：对上一个统计时间段内3个功率模块直通模式的工作时间进行累积统计，统计时间按照由短到长进行排序；在下一个统计时间段的功率模块投入直通模式的顺序按照上一个统计时间段内统计的时间由短到长顺序投入直通模式，并进行循环统计。为尽可能保证直通模式下的功率单元在每天平均发热均匀的，直通模式的统计时间间隔为地铁每天运行时间18小时除以3，时间间隔取6小时。
第六步，为了便于统计，从PWM模式切换至直通模式下的功率模块，其直通模式下的初次统计时长为0。
通过本发明方法可以使得功率器件的开关次数大幅度减小，功率器件的温度波动更平缓，从而提高装置的寿命。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
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