CN103151782A - 一种铁路功率调节器的直流侧电压纹波控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁路功率调节器的直流侧电压纹波控制方法。根据铁路功率调节器的交直流侧的功率平衡原理，可推知铁路功率调节器的直流侧电压存在着二次纹波电压，电压纹波的大小与交流测功率的波动有关。如果将该二次纹波电压引入到直流侧电压控制环中，将会输出一个三次谐波的指令信号，会使铁路功率调节器输出三次谐波电流，将会引起装置的异常运行。本发明提出了一种直流侧电压纹波的控制方法，通过对铁路功率调节器的功率平衡模型的分析，可以推出直流侧二次电压纹波的大小，故此可以在电压控制环上叠加一个相反的二次电压纹波分量，消除其影响，实现装置的正常稳定运行。

Description

一种铁路功率调节器的直流侧电压纹波控制方法

技术领域

本发明涉及对铁路功率调节器的直流纹波控制、电压外环控制、电流内环控制方法,特别是一种铁路功率调节器的直流侧电压纹波控制方法。

背景技术

随着电气化铁路朝着高速、大功率和负荷发展，其电力牵引变压器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RPC，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。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。相比较而言，铁路功率调节器具有动态响应速度快、补偿范围宽、输出谐波小、系统稳定性强等诸多优点而成为铁路系统中电能质量补偿装置发展的方向。

然而，根据铁路功率调节器是由背靠背的两个单相逆变组成，两个单相逆变器通过公用的直流侧电容连接在一起。根据铁路功率调节器交直流侧的功率平衡分析，可推知铁路功率调节器的直流侧电压存在着二次电压纹波，电压纹波的大小与交流侧功率的波动有关。如果将该二次纹波电压引入到系统的直流侧电压控制环中，将会输出一个三次谐波的指令信号，会使铁路功率调节器输出三次谐波电流，将会引起装置的异常运行。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种铁路功率调节器的直流侧电压纹波控制方法，消除输出电流中的三次谐波分量，保证装置铁路功率调节器的正常稳定运行。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种铁路功率调节器的直流侧电压纹波控制方法，包括铁路功率调节器，所述铁路功率调节器包括两个单相降压变压器和两个H桥单相逆变模块，所述两个H桥单相逆变模块通过一个直流侧电容连接成背靠背结构；所述两个H桥单相逆变模块的交流侧分别通过一个滤波电感与所述两个单相降压变压器副边连接，所述两个单相降压变压器的原边分别与V/V牵引变压器两个单相牵引供电臂连接，该方法为：

1）检测得到直流侧电压u_dc，将直流侧电压u_dc与参考信号U_ref作差，得到误差信号Δu_dc；

2）根据交直流侧功率平衡的原理，计算得到直流侧二次电压纹波为

3）将误差信号Δu_dc减去直流侧电压二次纹波

得到直流侧电压的直流变换量ΔU_dc；

4）将直流变换量ΔU_dc送入PI控制器调节之后，输出一个电压调节信号ΔI_out；

5）将电压调节信号ΔI_out分别乘以两牵引供电臂的同步信号sin(wt-30°)和sin(wt-90°)，然后根据V/V牵引变压器负序补偿原理计算两相H桥单相逆变模块的负序电流补偿参考信号i_mα，i_mβ，并将负序电流补偿参考信号i_mα，i_mβ分别叠加ΔI_outsin(wt-30°)，ΔI_outsin(wt-90°)，得到电压外环输出的电流信号i_αr和i_βr;

6）将电压外环输出的电流信号i_αr和i_βr分别与铁路功率调节器α，β两相H桥单相逆变模块输出电流i_Cα和i_Cβ相减，得到电流内环的跟踪误差信号e_α和e_β；

7）将电流内环的跟踪误差信号e_α和e_β送入内环PI调节器，得到铁路功率调节器α，β两相H桥单相逆变模块的调制波信号u_α和u_β；

8）将调制波信号u_α和u_β送入PWM调制单元，进行SPWM调制，得到铁路功率调节器α，β两相H桥单相逆变模块的开关驱动信号，驱动功率开关管输出期望的电压电流信号。

步骤2）中直流侧二次电压纹波

的计算步骤如下：

1）根据铁路功率调节器的负序电流补偿参考信号、牵引供电臂的电压以及滤波电感的电感值L，计算出铁路功率调节器的交流侧二次脉动总功率P_z：

P_z=-UI_Pcos2(wt+θ_α)/2+UI_Pcos2(wt+θ_β)/2-UI_Qαcos(2wt+2θ_α+90)/2

$-{\mathrm{UI}}_{\mathrm{Q\β}}\cos (2\mathrm{wt}+2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\β}}-90)/2+\mathrm{wL}[I_P{I}_{\mathrm{Q\α}}\cos (2\mathrm{wt}+2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\α}})-\frac{(I_P^2-I_{\mathrm{Q\α}}^2)}{2}\cos (2\mathrm{wt}+2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\α}}+90)]$

$-\mathrm{wL}[I_P{I}_{\mathrm{Q\β}}\cos (2\mathrm{wt}+{2\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\β}})-\frac{I_P^2}{2}\cos (2\mathrm{wt}+2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\β}}+90)-\frac{I_{\mathrm{Q\β}}^2}{2}\cos (2\mathrm{wt}+2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\β}}-90)]$

其中，U表示牵引供电臂的电网电压的幅值，w表示电网基波角频率，θ_α和θ_β分别表示α，β两相牵引供电臂电压的相角，I_P表示铁路功率调节器转移有功电流的幅值，I_Qα和I_Qβ分别表示铁路功率调节器α，β是两相H桥单相逆变模块补偿的无功电流的幅值；

2）直流侧二次电压纹波的幅值δ和相角

的表达式如下:

其中，F_z和θ_z分别为铁路功率调节器的交流侧二次脉动总功率P_z的幅值和相角，C为直流侧电容值，U_d为直流侧电压的直流分量。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明根据铁路功率调节器的交直流侧功率平衡原理，计算出了直流侧电压的二次电压纹波的大小，然后提出了一种电压外环的二次电压纹波的预补偿方法，能够有效消除二次波动量，从而消除铁路功率调节器输出的三次谐波电流，为铁路功率调节器的安全稳定运行提供了重要保障。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。

附图说明

图1为本发明一实施例高速铁路供电系统拓扑结构图；

图2为本发明一实施例V/V牵引变压器的负序补偿原理图；

图3为采用传统双环控制时的直流侧电压纹波图；

图4为本发明一实施例控制框图。

具体实施方式

如图1所示，基于全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。所述基于全桥结构的铁路功率调节器4包括两个单相降压变压器2和背靠背H桥单相逆变模块3。背靠背H桥单相逆变模块通过直流侧电容连接在一起，交流侧通过滤波电感连接到两单相降压变压器副边。两个单相降压变压器的原边分别与V/V牵引变压器两单相牵引供电臂连接。

定义图中三相V/V牵引变压器副边ac端连接的供电臂为α相，另一臂为β相。

参见图2，图2为本发明中的V/V牵引结构下铁路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牵引变压器的原边三相电压，U_α、U_β为牵引变压器副边两供电臂电压，其相角相差π/3。在RPC补偿前，两供电臂分别有有功机车负载电流I_αL，I_βL。首先通过RPC将两牵引臂有功电流差值的一半(即为

从轻载侧转移到重载侧，此时两桥臂电流的幅值分别为

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=-(I_A+I_B)，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牵引变压器，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就到达了负序与无功电流完全补偿的目的。故通过采用瞬时电流检测法，可以计算两桥臂的负序和无功的补偿参考信号为：

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

其中：

表示两牵引供电臂负载基波有功电流幅值的平均值。i_αL(t)，i_βL(t)分别表示两牵引供电臂的负载电流瞬时值。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电流，就可以实现系统负序与无功完全补偿。

图3为采用传统双环控制时的直流侧电压纹波图。

图3中Udc为直流侧电压，Iinvb为铁路功率调节器β相逆变器输出电流。从图中可以看到，采用常规的电压电流双环控制时，直流侧电压存在二次纹波波动，将会导致铁路功率调节器输出电流中含有三次谐波电流，这将影响装置的安全稳定运行。下面我们将对此进行理论的分析：

假设铁路功率调节器的两个背靠背单相逆变器进行有功功率的转移，并分别补偿相应的无功电流。假设α，β两相牵引供电臂的电压分别为u_α=U_αsin(wt+θ_α)，u_β=U_βsin(wt+θ_β)，有U_β=U_α=U且单相逆变器交流测电感值为L₁=L₂=L。同时假设直流侧电压为

其中U_d为直流侧电压的直流分量，

为其二次电压纹波量。

1.两相供电臂电源的有功功率计算

假设铁路功率调节器α相输出有功电流为i_pα=I_pαsin(wt+θ_α)，β相输出有功电流为i_pβ=-I_pβsin(wt+θ_β)，同时考虑两边有功平衡有I_pα=I_pβ=I_P。

则有α，β相供电臂电源由有功电流产生的有功功率为：

P_pα=u_α*i_pα=U_αsin(wt+θ_α)*I_pαsin(wt+θ_α)=UI_P[1-cos2(wt+θ_α)]/2        (3)

P_pβ=u_β*i_pβ=-U_βsin(wt+θ_β)*I_pβsin(wt+θ_β)=-UI_P[1-cos2(wt+θ_β)]/2        (4)

2.两相供电臂电源的无功功率计算

如果RPC在进行有功转移的同时，交流侧两相逆变器分别补偿一定量的无功电流。根据V/V牵引变压器下的负序电流补偿原理，α相应补偿超前无功电流，β相应补偿滞后无功电流，则有：

i_qα=I_Qαsin(wt+θ_α+90)    (5)

i_qβ=I_Qβsin(wt+θ_β-90)    (6)

其中I_Qα，I_Qβ分别为RPC两相逆变器输出的无功电流的幅值。则有α，β两相供电臂电源由于无功电流产生的无功功率为：

P_qα=u_α*i_qα=U_αsin(wt+θ_α)*I_Qαsin(wt+θ_α+90)=UI_Qα[-cos(2wt+2θ_α+90)]/2    (7)

P_qβ=u_β*i_qβ=U_βsin(wt+θ_β)*I_Qβsin(wt+θ_β-90)=UI_Qβ[-cos(2wt+2θ_β-90)]/2    (8)

可以得到交流两相供电臂电源产生的总功率为：

P_S=P_pα+P_pβ+P_qα+P_qβ=-UI_Pcos2(wt+θ_α)/2+UI_Pcos2(wt+θ_β)/2-UI_Qαcos(2wt+2θ_α+90)/2

-UI_Qβcos(2wt+2θ_β-90)/2    (9)

3.输出滤波电感的功率计算

α，β两相输出滤波电感由于RPC输出的有功和无功电流产生的电压为：

u_Lα=jwL*i_α=jwL*(i_pα+i_qα)

=wLI_Pαsin(wt+θ_α+90)+wLI_Qαsin(wt+θ_α+180)

=wLI_Psin(wt+θ_α+90)-wLI_Qαsin(wt+θ_α)    (10)

u_Lβ=jwL*i_β=jwL*(i_pβ+i_qβ)

=-wLI_Pβsin(wt+θ_β+90)+wLI_Qβsin(wt+θ_β)

=-wLI_Psin(wt+θ_β+90)+wLI_Qβsin(wt+θ_β)    (11)

则有α，β两相滤波电感产生的总功率为：

P_Lα=u_Lα*i_α=wL[I_Psin(wt+θ_α)+I_Qαsin(wt+θ_α+90)][I_Psin(wt+θ_α+90)-I_Qαsin(wt+θ_α)]

$=\mathrm{wL}[-I_P{I}_{\mathrm{Q\α}}{\sin }^2(\mathrm{wt}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\α}})+I_P{I}_{\mathrm{Q\α}}\mathrm{si}{n}^2(\mathrm{wt}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\α}}+90)+(I_P^2-I_{\mathrm{Q\α}}^2)\sin (\mathrm{wt}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\α}})\sin (\mathrm{wt}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\α}}+90)]$

$=\mathrm{wL}\left[\frac{{-I}_P{I}_{\mathrm{Q\α}}}{2}\right[1-\cos (2\mathrm{wt}+{2\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\α}})]+\frac{I_P{I}_{\mathrm{Q\α}}}{2}[1+\cos (2\mathrm{wt}+2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\α}})]+\frac{(I_P^2-I_{\mathrm{Q\α}}^2)}{2}[-\cos (2\mathrm{wt}+2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\α}}+90)]]$

$=\mathrm{wL}\[I_P{I}_{\mathrm{Q\α}}\cos (2\mathrm{wt}+2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\α}})-\frac{(I_P^2-I_{\mathrm{Q\α}}^2)}{2}\cos (2\mathrm{wt}+2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\α}}+90)\]---\left(12\right)$

P_Lβ=u_Lβ*i_β=wL[-I_Psin(wt+θ_β)+I_Qβsin(wt+θ_β-90)][-I_Psin(wt+θ_β+90)+I_Qβsin(wt+θ_β)]

=wL[-I_PI_Qβsin²(wt+θ_β)-I_PI_Qβsin(wt+θ_β+90)sin(wt+θ_β-90)

$+I_P^2\sin (\mathrm{wt}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\β}})\sin (\mathrm{wt}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\β}}+90)+I_{\mathrm{Q\β}}^2\sin (\mathrm{wt}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\β}})\sin (\mathrm{wt}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\β}}-90)]$

$=-\mathrm{wL}\left[\frac{-I_P{I}_{\mathrm{Q\β}}}{2}\right[1-\cos (2\mathrm{wt}+{2\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\β}})]+\frac{I_P{I}_{\mathrm{Q\β}}}{2}[1+\cos (2\mathrm{wt}+2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\β}})]-\frac{I_P^2}{2}\cos (2\mathrm{wt}+{2\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\β}}+90)-\frac{I_{\mathrm{Q\β}}^2}{2}\cos (2\mathrm{wt}+2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\β}}-90)]$

$=-\mathrm{wL}[I_P{I}_{\mathrm{Q\β}}\cos (2\mathrm{wt}+{2\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\β}})-\frac{I_P^2}{2}\cos (2\mathrm{wt}+2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\β}}+90)-\frac{I_{\mathrm{Q\β}}^2}{2}\cos (2\mathrm{wt}+{2\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\β}}-90)]---\left(13\right)$

由此，我们可以计算出RPC交流侧的总功率，有：

P_z=P_S+P_L=P_S+P_Lα+P_Lβ

=-UI_Pcos2(wt+θ_α)/2+UI_Pcos2(wt+θ_β)/2-U_IQαcos(2wt+2θ_α+90)/2

${\mathrm{UI}}_{\mathrm{Q\β}}\cos (2\mathrm{wt}+2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\β}}-90)/2+\mathrm{wL}\[I_P{I}_{\mathrm{Q\α}}\cos (2\mathrm{wt}+2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\α}})-\frac{(I_P^2-I_{\mathrm{Q\α}}^2)}{2}\cos (2\mathrm{wt}+2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\α}}+90)\]$

$-\mathrm{wL}[I_P{I}_{\mathrm{Q\β}}\cos (2\mathrm{wt}+{2\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\β}})-\frac{I_P^2}{2}\cos (2\mathrm{wt}+2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\β}}+90)-\frac{I_{\mathrm{Q\β}}^2}{2}\cos (2\mathrm{wt}+2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\β}}-90)]---\left(14\right)$

4.直流侧电容的功率计算

直流侧电容的功率为:

5.直流侧电压的二次电压纹波量计算

忽略直流侧的4次功率脉动，令：

根据RPC的交直流侧功率平衡的原理，有

由上面的P_z公式可知，交流侧的功率波动量均为二次分量，同时假设P_z的幅值和相角分别为F_z和θ_z，则可以推的直流侧电压的二次电压纹波量的幅值和相角有如下表达：

下面以V/V牵引变压器为例，假定只有一个β相供电臂有负载，负载有功功率为P，供电臂电压有幅值为U，则负载有功电流的幅值I_m=2P/U。原边A相电网电压为u_A=U_Asinwt，则有θ_α=-30，θ_β=-90。如果利用RPC进行功率的完全补偿，RPC的α相供电臂的补偿电流为：

$\frac{I_m}{2}\sin (\mathrm{wt}-30)+\frac{\sqrt{3}{I}_m}{6}\sin (\mathrm{wt}+60)---\left(19\right)$

RPC的β相供电臂（吸收有功）的补偿电流为：

$-\frac{I_m}{2}\sin (\mathrm{wt}-90)+\frac{\sqrt{3}{I}_m}{6}\sin (\mathrm{wt}-180)=-\frac{I_m}{2}\sin (\mathrm{wt}-90)-\frac{\sqrt{3}{I}_m}{6}\sin \left(\mathrm{wt}\right)---\left(20\right)$

RPC的交流测总功率为：

$P_z={\mathrm{UI}}_p[-\cos 2(\mathrm{wt}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\α}})]/2-{\mathrm{UI}}_p[-\cos 2(\mathrm{wt}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\β}})]/2+{\mathrm{UI}}_{\mathrm{Q\α}}[-\cos (2\mathrm{wt}+{2\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\α}}+90)]/2+$

${\mathrm{UI}}_{\mathrm{Q\β}}[-\cos (2\mathrm{wt}+{2\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\β}}-90)]/2+\mathrm{wL}[I_P{I}_{\mathrm{Q\α}}\cos (2\mathrm{wt}+{2\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\α}})-\frac{(I_P^2-I_{\mathrm{Q\α}}^2)}{2}\cos (2\mathrm{wt}+{2\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\α}}+90)]+$

$-\mathrm{wL}[I_P{I}_{\mathrm{Q\β}}\cos (2\mathrm{wt}+{2\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\β}})-\frac{I_P^2}{2}\cos (2\mathrm{wt}+2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\β}}+90)-\frac{I_{\mathrm{Q\β}}^2}{2}\cos (2\mathrm{wt}+2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\β}}-90)]$

$=\frac{-{\mathrm{UI}}_m\cos (2\mathrm{wt}-60)}{4}\frac{-{\mathrm{UI}}_m\cos \left(2\mathrm{wt}\right)}{4}\frac{-\sqrt{3}{\mathrm{UI}}_m\cos (2\mathrm{wt}+30)}{6*2}\frac{-\sqrt{3}{\mathrm{UI}}_m\cos (2\mathrm{wt}-270)}{6*2}+$

$\mathrm{wL}[\frac{\sqrt{3}{I}_m^2}{12}\cos (2\mathrm{wt}-60)-\frac{I_m^2}{12}\cos (2\mathrm{wt}+30)]+\mathrm{wL}[\frac{\sqrt{3}{I}_m^2}{12}\cos \left(2\mathrm{wt}\right)+\frac{I_m^2}{8}\cos (2\mathrm{wt}-90)+\frac{I_m^2}{24}\cos (2\mathrm{wt}-270)]$

$=-\frac{{\mathrm{UI}}_m}{2}\cos \left(2\mathrm{wt}\right)+\frac{\mathrm{wL}*I_m^2}{3}\cos (2\mathrm{wt}-30)---\left(21\right)$

同时假设L=1.6mH,wL=0.5，则有：

$P_z=-\frac{{\mathrm{UI}}_m}{4}\cos \left(2\mathrm{wt}\right)+\frac{I_m^2}{6}\cos (2\mathrm{wt}-30)---\left(22\right)$

可以求得直流侧电压的二次纹波量为

6.输出三次谐波电流量计算

由于电力电子逆变器的控制一般采用电压电流的双环控制，电压外环对直流侧电压进行控制，稳定直流侧电压，电流内环进行交流侧电流控制，跟踪指令参考电流。假设直流侧存在二次谐波电压波动为

同时设电压外环的增益为K，则在系统的电流控制指令中会存在三次谐波分量，计算如下：

电压外环输出的二次波动量为

则与电压同步参考信号sin(wt+θ_α)相乘有：

则电流内环指令信号中的三次谐波分量的幅值为K*δ/2，可以看到二次电压纹波幅值越大，输出的三次谐波电流就会越大。故需要对电压外环的电压误差信号进行提前预补偿，消除其中的二次波动量。

图4为本发明的铁路功率调节器的直流侧纹波电压控制框图。

本发明提出了一种铁路功率调节器的直流侧电压纹波控制方法，包括以下步骤：

a.检测的直流侧电压u_dc与参考信号U_ref作差，得到误差信号Δu_dc；

b.根据铁路功率调节器的负序电流参考补偿信号、牵引臂的电压以及输出滤波器电感值L，计算出铁路功率调节器交流侧的二次脉动总功率为：

$P_z=-{\mathrm{UI}}_P\cos 2(\mathrm{wt}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\α}})/2+{\mathrm{UI}}_P\cos 2(\mathrm{wt}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\β}})/2-{\mathrm{UI}}_{\mathrm{Q\α}}\cos (2\mathrm{wt}+2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\α}}+90)/2$

$-{\mathrm{UI}}_{\mathrm{Q\β}}\cos (2\mathrm{wt}+{2\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\β}}-90)/2+\mathrm{wL}[I_P{I}_{\mathrm{Q\α}}\cos (2\mathrm{wt}+2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\α}})-\frac{(I_P^2-I_{\mathrm{Q\α}}^2)}{2}\cos (2\mathrm{wt}+2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\α}}+90)]$

$-\mathrm{wL}[I_P{I}_{\mathrm{Q\β}}\cos (2\mathrm{wt}+{2\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\β}})-\frac{I_P^2}{2}\cos (2\mathrm{wt}+2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\β}}+90)-\frac{I_{\mathrm{Q\β}}^2}{2}\cos (2\mathrm{wt}+{2\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\β}}-90)]$

上式中，U表示牵引臂的电网电压的幅值，w表示基波角频率，θ_α和θ_β分别表示α，β两相牵引臂电压的相角，I_P表示铁路功率调节器转移有功电流的幅值，I_Qα和I_Qβ分别表示铁路功率调节器的α，β两相H桥单相逆变模块补偿的无功电流的幅值；根据交直流侧功率平衡的原理，可计算得直流侧电压二次纹波

的大小，其幅值和相角的表达式如下:

式中，F_z和θ_z分别为二次脉动总功率P_z的幅值和相角，C为直流侧电容值，U_d为直流侧电压的直流分量;

c.将误差信号Δu_dc减去直流侧电压二次纹波

得到直流侧电压的直流变换量ΔU_dc;

d.将ΔU_dc送入PI控制器调节之后，输出一个电压调节信号ΔI_out;

e.电压调节信号ΔI_out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牵引变压器负序补偿原理计算得到的负序和无功补偿电流参考信号i_mα和i_mβ叠加，可得到电压外环输出的信号i_αr和i_βr;

f.将i_αr和i_βr与铁路功率调节器的α，β两相H桥单相逆变模块输出电流i_Cα和i_Cβ分别相减，可以得到电流内环的跟踪误差信号e_α和e_β；

g.然后将电流内环的跟踪误差信号e_α和e_β送入内环PI调节器，可以得到铁路功率调节器的α，β两相H桥单相逆变模块的调制波信号u_α和u_β；

h.将调制波信号u_α和u_β送入PWM调制单元，进行SPWM调制，可以得到铁路功率调节器的α，β两相H桥单相逆变模块的开关驱动信号，驱动功率开关管输出期望的电压电流信号。

Claims (2)

1.一种铁路功率调节器的直流侧电压纹波控制方法，包括铁路功率调节器，所述铁路功率调节器包括两个单相降压变压器和两个H桥单相逆变模块，所述两个H桥单相逆变模块通过一个直流侧电容连接成背靠背结构；所述两个H桥单相逆变模块的交流侧分别通过一个滤波电感与所述两个单相降压变压器副边连接，所述两个单相降压变压器的原边分别与V/V牵引变压器两个单相牵引供电臂连接，其特征在于，该方法为：

1）检测得到直流侧电压u_dc，将直流侧电压u_dc与参考信号U_ref作差，得到误差信号Δu_dc；

2）根据交直流侧功率平衡的原理，计算得到直流侧二次电压纹波为

3）将误差信号Δu_dc减去直流侧电压二次纹波

得到直流侧电压的直流变换量ΔU_dc；

4）将直流变换量ΔU_dc送入PI控制器调节之后，输出一个电压调节信号ΔI_out；5）将电压调节信号ΔI_out分别乘以两牵引供电臂的同步信号sin(wt-30°)和sin(wt-90°)，然后根据V/V牵引变压器负序补偿原理计算两相H桥单相逆变模块的负序电流补偿参考信号i_mα、i_mβ，并将负序电流补偿参考信号i_mα，i_mβ分别与ΔI_outsin(wt-30°)，ΔI_outsin(wt-90°)叠加，得到电压外环输出的电流信号i_αr和i_βr;

6）将电压外环输出的电流信号i_αr和i_βr分别与铁路功率调节器α，β两相H桥单相逆变模块输出电流i_Cα和i_Cβ相减，得到电流内环的跟踪误差信号e_α和e_β；

7）将电流内环的跟踪误差信号e_α和e_β送入内环PI调节器，得到铁路功率调节器α，β两相H桥单相逆变模块的调制波信号u_α和u_β；

8）将调制波信号u_α和u_β送入PWM调制单元，进行SPWM调制，得到铁路功率调节器α，β两相H桥单相逆变模块的开关驱动信号，驱动功率开关管输出期望的电压电流信号。

2.根据权利要求1所述的铁路功率调节器的直流侧电压纹波控制方法，其特征在于，所述步骤2）中，直流侧二次电压纹波

的计算步骤如下：1）根据铁路功率调节器的负序电流补偿参考信号、牵引供电臂的电压以及滤波电感的电感值L，计算出铁路功率调节器的交流侧二次脉动总功率Pz：

$P_z=-{\mathrm{UI}}_P\cos 2(\mathrm{wt}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\α}})/2+{\mathrm{UI}}_P\cos 2(\mathrm{wt}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\β}})/2-{\mathrm{UI}}_{\mathrm{Q\α}}\cos (2\mathrm{wt}+{2\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\α}}+90)/2$

$-U{I}_{\mathrm{Q\β}}\cos (2\mathrm{wt}+{2\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\β}}-90)/2+\mathrm{wL}[I_P{I}_{\mathrm{Q\α}}\cos (2\mathrm{wt}+2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\α}})-\frac{(I_P^2-I_{\mathrm{Q\α}}^2)}{2}\cos (2\mathrm{wt}+2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\α}}+90)]$

$-\mathrm{wL}[I_P{I}_{\mathrm{Q\β}}\cos (2\mathrm{wt}+{2\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\β}})-\frac{I_P^2}{2}\cos (2\mathrm{wt}+{2\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\β}}+90)-\frac{I_{\mathrm{Q\β}}^2}{2}\cos (2\mathrm{wt}+2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\β}}-90)]$

其中，U表示牵引供电臂的电网电压的幅值，w表示电网基波角频率，θ_α和θ_β分别表示α，β两相牵引供电臂电压的相角，I_P表示铁路功率调节器转移有功电流的幅值，I_Qα和I_Qβ分别表示铁路功率调节器α，β是两相H桥单相逆变模块补偿的无功电流的幅值；

2）直流侧二次电压纹波

的幅值δ和相角

的表达式如下:

其中，F_z和θ_z分别为铁路功率调节器的交流侧二次脉动总功率P_z的幅值和相角，C为直流侧电容值，U_d为直流侧电压的直流分量。

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