CN101950968B - 一种基于半桥结构的铁路功率调节器的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于半桥结构的铁路功率调节器的控制方法。其中基于半桥结构的铁路功率调节器由两个半桥臂组成，中间由两个电容将两个半桥臂连接在一起，由于直流侧电压由两个串联电容供电，存在均压的问题。为了实现直流侧均压，采用一个均压PI调节器对两电容电压的偏差进行控制，均压调节器输出的偏移量直接影响两电容的充放电电流从而使偏差电压减小直至0。为了维持直流侧电压的稳定，直流侧电压外环采用了一个PI控制器，调节输出值分别乘以两供电臂的同步信号，之后与根据VV牵引系统负序和谐波补偿原理计算得到的谐波和负序补偿电流参考信号叠加，得到两半桥变换器的电流参考信号。为了实现内环电流的快速跟踪，对两变换器的输出电流采取滞环控制方法，以使两变换器输出端电流跟踪参考补偿信号，即可实现负序和谐波补偿。

Description

一种基于半桥结构的铁路功率调节器的控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于半桥结构的铁路功率调节器的控制方法，包括对基于半桥结构的铁路功率调节器的直流侧均压控制，直流侧电压控制，负序和谐波综合补偿控制方法。

背景技术

随着电气化铁路朝着高速、大功率和负荷发展，其电力牵引系统的电能质量问题变得越来越至关重要。高速铁路牵引供电系统由于采用单相供电方式，产生负序电流，给电力系统中的发电、输电和变电设备的运行带来严重危害，例如增加发电机的损耗，降低变压器出力等，严重影响电力系统的安全经济运行。另外，高速铁路电力机车产生的谐波也降低了其供电系统和上级电力系统的可靠性。因此，必须采取有效措施抑制高速铁路供电系统产生的负序和谐波电流。

针对电气化铁路的负序、谐波问题，国内外已出现一些补偿措施。采用SVC安装在牵引变压器的两供电臂进行电气化铁路的负序补偿，能有效补偿无功，提高系统的功率因数。但是由于铁路机车是随机性负载，具有很强的波动性和扰动性，SVC的一般只能固定补偿，其动态补偿性能不佳。采取单相有源滤波器能够实现对电气化铁路的谐波抑制，但不能有效补偿电气化铁路中的负序电流。针对铁路供电系统的单相供电特性，日本学者提出了铁路功率调节器，利用背靠背的两个单相H桥变换器进行有功、无功及谐波的控制，能实现对负序和谐波综合补偿，但两个单相变换器包含8个功率开关器件。为了减小逆变器输出的谐波和提高补偿的性能，有日本学者提出了一种三电平H桥的背靠背功率调节器，共需要12个功率开关器件，这样增加系统的成本和控制的复杂度。另外，清华大学有学者提出一种三相有源补偿系统-有源电能质量补偿器，其结构是将两单相电源变换为三相平衡电压，再将一个三相变换器通过三个输出电感与三相平衡电源连接，这将比RPC节省了两个功率开关器件，但需要结构较复杂的平衡变压器。

本申请人在2010年8月10日提交了申请号为201010250126.6的发明专利申请“一种基于半桥结构的铁路功率调节器”，其中包括两个单相降压变压器和半桥变换器，所述半桥变换器块包括一对开关臂和一对串联电容，一对开关臂经两个电容连接成背靠背结构；所述两个单相降压变压器原边与牵引变压器的两个二次侧供电臂连接，两单相降压变压器副边的非浮地线分别经电感与半桥变换器中的开关臂连接，两单相降压变压器浮地与半桥变换器中两电容的中点连接。该发明与RPC比较，节省了一对开关臂即4个功率开关器件。因此，这种补偿结构更为精简，降低了硬件的成本和复杂度，提高了补偿系统的可靠性，将大大利于该补偿系统的模块化大功率发展。但由于直流侧电压由两个串联电容供电，存在均压的问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明公开一种基于半桥结构的铁路功率调节器的控制方法，实现直流侧均压控制以及负序和谐波综合补偿控制方法，实现系统负序与谐波完全补偿。

本发明采取的技术方案是，一种基于半桥结构的铁路功率调节器的控制方法，采用了双闭环控制方法对所述基于半桥结构的铁路功率调节器进行了负序、无功与谐波补偿，具体包括以下步骤：

a.检测的直流侧电压u_dc通过滤波之后，得到的直流分量U_DC与参考信号U_ref作差，然后通过PI控制器调节之后输出一个电压调节信号ΔI_out(k)；

b.电压调节信号ΔI_out(k)分别乘以两供电臂的同步信号sin(wt-30°)和sin(wt-90°)，然后与根据VV牵引系统负序和谐波补偿原理计算得到的负序和谐波补偿电流参考信号i_mα和i_mβ叠加，可得到外环输出的谐波和负序电流参考信号i_αr和i_βr；

c.两个直流电容电压差值ΔV通过均压PI调节器之后，其输出值ΔV_out与外环输出的谐波和负序电流参考信号i_αr和i_βr叠加，得到两变换器总的电流参考信号

和

d.对两变换器的输出电流i_Cα和i_Cβ采取滞环控制方法，实现内环电流的快速跟踪，使两变换器输出端电流i_Cα和i_Cβ快速跟踪参考补偿信号，实现有功功率从一供电臂转移至另一供电臂，实现负序、无功与谐波补偿。

由于直流侧由两个直流电容构成，存在均压和平衡问题，所述步骤c中所述均压PI调节器对直流侧串联电容进行均压控制，所述均压PI调节器的输出值为ΔV_out，则电流内环中两变换器总的电流参考信号为：

x∈{α，β}；令两个直流电容电压差值ΔV＝V_C2-V_C1，其中，V_C1和V_C2分别为直流侧电容C₁和C₂的电压；

均压调节过程为：当ΔV＞0时，即V_C2＞V_C1，则均压调节器输出一个正偏移量ΔV_out，其中ΔV_out＞0，即在电源电压的正半周，电容C₂放电电流增加，电容C₁充电电流增加；在电源电压负半周，电容C₁放电电流减小，电容C₂充电电流减小；结果是输出电容电压V_C2减小，直流侧电容C₁的电压V_C1增加，使两个直流电容电压差值ΔV减小到0或者0；当ΔV＜0时，即V_C2＜V_C1时，同理可以实现均压，将ΔV调至0。

本发明的技术效果在于：

1.直流侧串联电容采用一个均压PI调节器对两电容电压的偏差进行控制，均压调节器输出的偏移量直接影响两电容的充放电电流从而使偏差电压减小直至0。

2.直流侧电压外环采用了一个PI调节器，直流侧电压跟踪误差ΔU_DC(ΔU_DC＝U_ref-U_DC)被PI控制器处理后分别乘以两供电臂的同步信号，之后与检测环节求得的谐波和负序补偿电流参考指令i_mα和i_mβ叠加，得到两变换器的电流参考指令信号i_αr和i_βr。直流侧电压通过由两变换器共同控制维持，保证了两变换器两侧功率平衡，功率模块损耗由两供电臂分担。对两变换器的输出电流采取滞环控制方法，以使两变换器输出端电流i_Cα和i_Cβ快速跟踪参考补偿参考信号，实现系统的负序和谐波补偿。

综上所述，本发明所述基于半桥结构的铁路功率调节器的控制方法，能够实现系统负序与谐波完全补偿和抑制。采用本发明所提出的控制方法后，系统的负序和谐波都得到极大的改善，经进一步完善，完全可以应用于实践。

附图说明

图1为本发明的拓扑结构图。

图2为V/V牵引系统的负序补偿原理图。

图3为半桥变换电路的PWM整流工作模式图。

图4为本发明的综合控制框图。

在上述附图中，

1-VV牵引变压器；      2-降压变压器；

3-背靠背半桥逆变模块；4-基于半桥结构的铁路功率调节器

具体实施方式

如图1所示，为本发明所述控制方法的应用结构图。其中基于半桥结构的铁路功率调节器4的补偿对象是采用三相V/V牵引变压器1的高速铁路供电系统。所述基于半桥结构的铁路功率调节器4由两个单相降压变压器2和背靠背半桥逆变模块3组成。两个单相降压变压器的原边分别与两单相牵引供电臂连接，并将两单相降压变压器副边与功率变换模块相连接。其中两单相降压变压器副边非浮地线通过输出电抗器分别与功率变换模块的开关臂中点连接，降压变压器浮地与功率变换模块两串联电容的中点连接在一起。

定义图中与三相V/V变压器副边ac端连接的供电臂为α相，另一臂为β相。

本发明与RPC比较，节省了一对开关臂即4个功率开关器件。因此，这种补偿结构更为精简，降低了硬件的成本和复杂度，提高了补偿系统的可靠性，将大大利于该补偿系统的模块化大功率发展。

参见图2，图2为本发明中的V/V牵引结构下的功率调节器的负序补偿原理图。

由于高速铁路机车一般为交直交电力机车，采取四象限PWM脉冲整流控制方式，功率因数接近1。假设α相供电臂有机车负载电流为I_αL，而β相供电臂机车负载电流为I_βL。U_A、U_B、U_C为V/V牵引系统的原边三相电压，U_α、U_β为牵引变压器副边两桥臂电压，其相角相差π/3。在RPC补偿前，两桥臂分别有有功机车负载电流I_αL，I_βL。首先通过综合补偿装置将两牵引臂有功电流差值的一半(即为||I_αL|-|I_βL||/2)，从轻载侧转移到重载侧，此时两桥臂电流的幅值分别为|I′_α|和|I′_β|，其幅值相等，相角相差π/3。在此基础上，在α桥臂补偿一定的容性无功电流I′_Cα使电流超前该桥臂电压π/6，而在β桥臂补偿一定的感性无功电流I′_Cβ使电流滞后该桥臂电压π/6，此时有：

$\left|I_{\mathrm{C\α}}^{\′}\right|=\left|I_{\mathrm{C\β}}^{\′}\right|=\frac{\tan \mathrm{\π}/6}{2}\left|\right|I_{\mathrm{\αL}}|+|I_{\mathrm{\βL}}\left|\right|---\left(1\right)$

这样补偿之后得到的两桥臂电流I_α、I_β分别与I_A、I_B重合，相角相差2π/3，并可以求得原边C相电流为I_C，此时原边三相电流完全对称，负序电流为0，并且可推知原边三相功率因数都为1，此时就到达了综合补偿的目的。对于其他任何负载情况下的V/V牵引系统，RPC都遵循上述的负序补偿原理。通过上面的分析，只要RPC综合补偿装置能把α、β两桥臂的负载电流分量i_αL(t)、i_βL(t)补偿为I_α、I_β就到达了负序与谐波完全补偿的目的。故通过采用瞬时电流检测法，可以计算两桥臂的负序和谐波的补偿参考信号为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{m\α}}\left(t\right)=I_{\mathrm{mp}}\sin (\mathrm{wt}-\frac{\mathrm{\π}}{6})+I_{\mathrm{mp}}\tan \frac{\mathrm{\π}}{6}\cos (\mathrm{wt}-\frac{\mathrm{\π}}{6})-i_{\mathrm{\αL}}\left(t\right)\\ i_{\mathrm{m\β}}\left(t\right)=I_{\mathrm{mp}}\sin (\mathrm{wt}-\frac{\mathrm{\π}}{2})-I_{\mathrm{mp}}\tan \frac{\mathrm{\π}}{6}\cos (\mathrm{wt}-\frac{\mathrm{\π}}{2})-i_{\mathrm{\βL}}\left(t\right)\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中：

表示两牵引供电臂负载基波有功电流幅值的平均值。

通过合适的控制策略来控制背靠背的两逆变桥，使逆变器输出电流完全跟踪给定的基波与谐波电流，就可以实现系统负序与谐波完全补偿和抑制。

图3为单相半桥变换电路的两种工作模式：该电路有2种工作模式：(1)开关管T₁或二极管D₁参与导通，即为直流侧电容充电模式；(2)开关管T₂或二极管D₂参与导通，即为直流侧电容放电模式。

为了分析，引入一个变量M，M＝1时，开关管T₁或二极管D₁导通；M＝0时，开关管T₂或二极管D₂导通。根据电路原理图，可得到该半桥变换电路的电压电流微分方程式：

$\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}=[e-{\mathrm{MV}}_{C1}-(1-M)V_{C2}]/L---\left(3\right)$

其中e为电源电压；i为电源电流；L为电网电感值；V_C1和V_C2分别为电容C₁和C₂的电压。假定电容通过二极管的充电已完成，在一个极小的Δt时间内，电源电流i由i₀变到i₁，则变化量Δi＝i₀-i₁，由方程(3)可得：

Δi＝Δt[e-MV_C1-(1-M)V_C2]/L                                    (4)

当M＝1时，式(4)变成Δi＝Δt(e-V_C1)/L，则不管电源电压e≥0或者e＜0，都有：e-V_C1＜0且Δi＜0，其中电源电压e的幅值小于两直流侧电容电压值V_C1和V_C2。

所以在上述情况下都有电源电流变化量Δi＜0，即开关管T₁或二极管D₁导通时，i向减小的方向发展，如图3(a)所示。同理可以推出开关管T₂或二极管D₂导通时，i向增大的方向发展。

当M＝0时，式(4)变为Δi＝Δt(e+V_C2)/L，则不管e≥0或者e＜0，都有：e+V_C2＞0且Δi＞0。

所以在上述情况下都有Δi＞0，开关管T₂或二极管D₂导通时，i向增大的方向发展，如图3(b)所示。

为了实现电流内环的快速跟踪，本发明采用滞环控制方式，依据上述的开闭控制原理(V_C2或V_C1在数值上要大于电源电压e的幅值)，具体的控制实施如下：

当输入电压e处于正半周时，二极管D₁正偏，电容C₁通过二极管D₁充电，随着电容C₁两端电压的升高，电源电流i下降，但当i≤i_r-h，其中h为滞环宽度，i_r为电流参考信号，此时开通T₂，由于(e+V_C2)的共同作用，电容C₂放电，电流i增加。但当i≥i_r+h时，T₂关断，由于电感L的作用，当电流有减小趋势时，电感电势反向，使电源电压e与电感电势的和大于V_C1(e+Ldi/dt＞V_C1)强迫二极管D₁导通，进行续流，C₁又被充电。如此反复就形成了锯齿状的正半周的电源电流波形。同理，可推知负半周的开关原理和电源电流波形。

图4为本发明的综合控制框图。

本发明提出了一种基于半桥结构的铁路功率调节器的控制方法，包括以下步骤：

a.检测的直流侧电压u_dc通过滤波之后，得到的直流分量U_DC与参考信号U_ref作差，然后通过PI控制器调节之后输出一个电压调节信号ΔI_out(k)。

b.电压调节信号ΔI_out(k)分别乘以两供电臂的同步信号sin(wt-30°)和sin(wt-90°)，然后与根据VV牵引系统负序和谐波补偿原理计算得到的负序和谐波补偿电流参考信号i_mα和i_mβ叠加，可得到外环输出的信号i_αr和i_βr。

c.两个直流电容电压差值ΔV通过均压PI调节器之后，其输出值ΔV_out与外环的谐波和负序电流参考信号i_αr和i_βr叠加，得到两变换器总的电流参考信号

和

d.对两变换器的输出电流采取滞环控制方法(见上述滞环控制说明)，实现内环电流的快速跟踪，使两变换器输出端电流i_Cα和i_Cβ快速跟踪补偿参考信号，实现有功功率从一供电臂转移至另一供电臂，同时达到负序、无功与谐波补偿的目的。

本发明中加入了一种直流的均压控制信号ΔV_out，通过有意加强某个开关管的导通来提高相应电容的电压，从而减小电压不平衡、直流纹波和变换器输出电流畸变等问题。为了实现直流侧均压，采用一个均压PI调节器，其调节出为ΔV_out，则电流内环的参考指令信号：

令ΔV＝V_C2-V_C1，均压调节过程为：

当ΔV＞0时，即V_C2＞V_C1，则均压调节器输出一个微小的正偏移量(ΔV_out＞0)，即在电源电压的正半周，电容C₂放电电流增加，电容C₁充电电流增加。在电源电压负半周，电容C₁放电电流减小，电容C₂充电电流减小。结果是输出电容电压V_C2减小，V_C1增加，使ΔV减小到0；

当ΔV＜0时，即V_C2＜V_C1时，同理可以实现均压，将ΔV调至0。

Claims (1)

1.一种基于半桥结构的铁路功率调节器的控制方法，所述基于半桥结构的铁路功率调节器包括两个单相降压变压器和半桥变换器，所述半桥变换器包括一对开关臂和一对串联电容，一对开关臂经两个电容连接成背靠背结构；所述两个单相降压变压器原边分别与牵引变压器的两个二次侧供电臂连接，两单相降压变压器副边的非浮地线分别经电感与半桥变换器中的开关臂连接，两单相降压变压器浮地线与半桥变换器中两电容的中点连接；其特征是，采用了双闭环控制方法对所述基于半桥结构的铁路功率调节器进行了负序、无功与谐波补偿，具体包括以下步骤：

a.检测的直流侧电压u_dc通过滤波之后，得到的直流分量U_DC与参考信号U_ref作差，然后通过PI控制器调节之后输出一个电压调节信号ΔI_out(k)；

b.电压调节信号ΔI_out(k)分别乘以两供电臂的同步信号sin(wt-30°)和sin(wt-90°)，然后分别与根据VV牵引系统负序和谐波补偿原理计算得到的负序和谐波补偿电流参考信号i_mα和i_mβ叠加，可得到外环输出的谐波和负序电流参考信号i_αr和i_βr；

c.两个直流电容电压差值ΔV通过均压PI调节器之后，其输出值ΔV_out与外环输出的谐波和负序电流参考信号i_αr和i_βr分别叠加，得到两半桥变换器总的电流参考信号和；所述均压PI调节器对直流侧串联电容进行均压控制，所述均压PI调节器的输出值为ΔV_out，则电流内环中两半桥变换器总的电流参考信号为：；令两个直流电容电压差值ΔV=V_C2-V_C1，其中，V_C1和V_C2分别为直流侧电容C₁和C₂的电压；

均压调节过程为：

当ΔV＞0时，即V_C2＞V_C1，则均压PI调节器输出一个正偏移量ΔV_out ，其中ΔV_out＞0，即在电源电压的正半周，电容C₂放电电流增加，电容C₁充电电流增加；在电源电压负半周，电容C₁放电电流减小，电容C₂充电电流减小；结果是直流侧电容C₂的电压V_C2减小，直流侧电容C₁的电压V_C1增加，使两个直流电容电压差值ΔV减小到0；

当ΔV＜0时，即V_C2＜V_C1时，同理可以实现均压，将ΔV调至0；

d.对两半桥变换器的输出电流i_Cα和i_Cβ采取滞环控制方法，实现内环电流的快速跟踪，使两半桥变换器输出电流i_Cα和i_Cβ快速跟踪电流参考信号

和

，实现有功功率从一供电臂转移至另一供电臂，实现负序、无功与谐波补偿。

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