CN103684034B - 机车牵引供电系统、四象限变流器的控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机车牵引供电系统、四象限变流器的控制方法及系统。其中，四象限变流器的控制方法，包括：获取四象限变流器输入端的第一采样电流和采样电压；获取所述第一采样电流的电流平均值对应的直流偏置电压；将所述直流偏置电压的负值叠加在所述采样电压上，获取第一调制电压；根据所述第一调制电压产生的第一调制控制信号，对所述四象限变流器的控制端进行控制。本发明可以消除四象限变流器电路中的直流偏置，避免牵引变压器发生直流偏磁现象，有利于保护牵引变压器及机车牵引供电网的稳定运行。

Description

机车牵引供电系统、四象限变流器的控制方法及系统

技术领域

本发明涉及机车牵引技术，尤其涉及一种机车牵引供电系统、四象限变流器的控制方法及系统。

背景技术

电力机车牵引供电系统用于将铁路供电网络的单相交流电源转换成适于机车运行的机车牵引动力和辅助动力，电力机车牵引供电系统一般包括：牵引变压器、四象限变流器、逆变器以及控制系统等，四象限变流器在其控制系统产生的控制信号控制下，能够实现能量在牵引电机和电网之间的双向流动。

图1为现有的四象限变流器的控制系统，如图1所示，该控制系统首先对四象限变流器主电路10的输出电压进行直流电压采样，然后将采样的直流电压与预设的输出电压（电压指令）进行比较，将其差值输入电压控制器11，从而实现电压负反馈控制以稳定输出电压；该控制系统还根据对输入电压采样信号的锁相处理，实现对电压控制器11的输出进行相位同步，生成电流指令，之后，电流指令与对四象限变流器主电路10的输入电流进行采样获取的采样信号进行比较，其差值作为电流控制器21的输入，电流控制器21可以完成对电流信号的电流负反馈控制，通过电压控制、电流控制以及锁相同步可以实现提高四象限变流器的功率因数。

在上述现有的四象限变流器的控制系统中，仅仅考虑了对变流器输出侧直流电压控制和输入侧功率因数控制。然而，在实际应用中，由于四象限变流器开关管的死区时间的存在，其控制系统输出的脉冲调制信号的正负半周是不完全对称的，从而在四象限变流器主电路中产生直流电压分量，在牵引变压器的副边绕组中引入了直流偏置电压，直流偏置电压会使得牵引变压器产生磁饱和而发生直流偏磁现象。牵引变压器工作在直流偏磁工况下，不仅加快了牵引变压器的永久性损坏，而且还对与牵引变压器连接的电网造成不利的影响。

发明内容

本发明提供一种机车牵引供电系统、四象限变流器的控制方法及系统，用以消除四象限变流器电路中的直流偏置，避免牵引变压器发生直流偏磁现象。

本发明的第一个方面是提供一种四象限变流器的控制方法，包括：

获取四象限变流器输入端的第一采样电流和采样电压；

获取所述第一采样电流的电流平均值对应的直流偏置电压；

将所述直流偏置电压的负值叠加在所述采样电压上，获取第一调制电压；

根据所述第一调制电压产生的第一调制控制信号，对所述四象限变流器的控制端进行控制。

本发明的另一个方面是提供一种四象限变流器的控制系统，包括：

采样模块，用于获取四象限变流器输入端的第一采样电流和采样电压；

处理模块，用于获取所述第一采样电流的电流平均值对应的直流偏置电压；以及将所述直流偏置电压的负值叠加在所述采样电压上，获取第一调制电压；

控制模块，用于根据所述第一调制电压产生的第一调制控制信号，对所述四象限变流器的控制端进行控制。

本发明的又一个方面是提供一种机车牵引供电系统，包括牵引变压器、与所述牵引变压器副边连接的四象限变流器以及对所述四象限变流器进行控制的如上述的四象限变流器的控制系统。

本发明提供的机车牵引供电系统、四象限变流器的控制方法及系统，通过将获取的第一采样电流的电流平均值对应的直流偏置电压的负值在输入端的采样电压上，获取产生控制信号的第一调制电压，从而本实施例的控制方法可以消除四象限变流器主电路中的直流偏压，避免牵引变压器产生磁饱和而引起直流偏磁，因此对牵引变压器能够起到有效地保护，提高牵引变压器的使用寿命，同时，还有利于牵引供电系统电网的稳定；进一步地，通过积分控制来消除稳态误差，可以使获取的直流偏置电压值更加准确稳定，从而有效实现消除电路中的直流偏置。

附图说明

图1为现有的四象限变流器的控制系统；

图2为本发明四象限变流器的控制方法实施例的流程图；

图3为本发明四象限变流器的控制系统实施例的模块结构示意图；

图4为本发明四象限变流器控制系统的一种电路结构示意图；

图5为本发明四象限变流器控制系统的另一种电路结构示意图；

图6为本发明四象限变流器控制系统的又一种电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细的说明。

图2为本发明四象限变流器的控制方法实施例的流程图，如图2所示，本实施例的方法包括：

步骤101、获取四象限变流器输入端的第一采样电流和采样电压。

步骤102、获取所述第一采样电流的电流平均值对应的直流偏置电压。

上述两步骤中，控制系统通过采样四象限变流器的输入电流和输入电压，获取变流器输入端的第一采样电流和采样电压，并根据第一采样电流计算出电流平均值，从而获取四象限变流器的主电路中的直流偏置电压，即获取引起牵引变压器直流偏磁的偏置电压。

具体应用中，为使获取的直流偏置电压值更加准确稳定，可以对获取的直流偏置电压进行积分控制处理，以消除稳态误差，还可以将获取的电流平均值进行消除稳态误差后获取对应的直流偏置电压，从而获取的直流偏置电压也是没有稳态误差的电压信号。之后再根据消除稳态误差后的直流偏置电压进行相应的处理。

步骤103、将所述直流偏置电压的负值叠加在所述采样电压上，获取第一调制电压。

本步骤中，控制系统将上述步骤获取的直流偏置电压的负值叠加在获取的采样电压上，即将与四象限变流器的主电路中存在的直流偏置电流方向相反的方向叠加一个与直流偏置电压数值相等的电压值，从而可获取对四象限变流器进行控制的脉冲调制器的调制电压。

步骤104、根据所述第一调制电压产生的第一调制控制信号，对所述四象限变流器的控制端进行控制。

本步骤中，控制系统将上述步骤中获取调制电压送到脉冲调制器进行调制，获取调制控制信号，调制控制信号用于对四象限变流器的控制端进行控制，从而实现消除四象限变流器的主电路中的直流偏置电压，即消除向牵引变压器引入的直流偏置。

具体应用中，本实施例中对直流偏置电压进行消除的控制方法可应用于图1所示的现有的控制系统中，即在现有的控制方法中增加消除直流偏置的部分，因此，在本发明的另一实施例中，四象限变流器的控制方法还包括：对四象限变流器的输出电压进行采样，将采样获取的采样直流电压与预设的输出直流电压进行比较，获取对四象限变流器输出的直流电压进行控制的第一调整信号；以及根据所述第一调整信号、所述第一采样电流和采样电压，获取对所述四象限变流器输出的功率因数进行控制的第二调整信号，该第二调整信号相当于没有采取消除直流偏置措施的调整信号，将该第二调整信号的负值叠加所述第一调制电压上，获取的调制电压是采取了稳定输出直流电压、提高功率因数和消除直流偏置的调制信号，因此，将该调制信号输入脉宽调制器生成的调制控制信号是能够稳定输出直流电压、提高功率因数和消除直流偏置的控制信号。

实际应用中，为减少供电系统电路中的谐波含量，还可以在四象限变流器的控制系统中增加消除谐波的控制部分，即在上述的实施例中，对脉冲调制器调制过程采用载波互错调制技术，通过增加一路或多路调制控制，使各路脉冲调制器的载波相位相差一定的角度，以降低或消除电路中的谐波含量。具体实施中，可对四象限变流器输入电流再次采样，进行如上述的处理步骤获取第二调制电压，将第二调制电压输入另一脉宽调制器，也可以将上述获取的第一调制电压分成两路分别输入不同的脉宽调制器中进行脉宽调制，并使不同脉宽调制器的载波相位相互错开，即可实现消除电路中的谐波问题。通过采用稳压直流输出电压、提高功率因数、消除谐波及直流偏置，可有效提高机车牵引供电系统的综合性能。

本实施例通过将获取的第一采样电流的电流平均值对应的直流偏置电压的负值在输入端的采样电压上，获取产生控制信号的第一调制电压，从而本实施例的控制方法可以消除四象限变流器主电路中的直流偏压，避免牵引变压器产生磁饱和而引起直流偏磁，因此对牵引变压器能够起到有效地保护，提高牵引变压器的使用寿命，同时，还有利于牵引供电系统电网的稳定；进一步地，通过积分控制来消除稳态误差，可以使获取的直流偏置电压值更加准确稳定，从而有效实现消除电路中的直流偏置。

图3为本发明四象限变流器的控制系统实施例的模块结构示意图，如图3所示，本实施例的控制系统包括：采样模块100、处理模块200和控制模块300，其中，采样模块100，用于获取四象限变流器输入端的第一采样电流和采样电压；处理模块200，用于获取所述第一采样电流的电流平均值对应的直流偏置电压；以及将所述直流偏置电压的负值叠加在所述采样电压上，获取第一调制电压；控制模块300，用于根据所述第一调制电压产生的第一调制控制信号，对所述四象限变流器的控制端进行控制。

本实施例中，采样模块100可用于采集四象限变流器的主电路的电流电压信号以供思想相变流器控制系统的处理模块200计算处理中使用，处理模块200根据采样模块100采集的电流电压信号进行计算，并将获取的直流偏置电压的负值叠加的输入电压的采样电压上，生成调制电压，即第一调制电压，从而控制模块300根据调制电压产生对四象限变流器进行控制的控制信号，最终实现消除四象限变流器主电路中的直流偏置电压，即避免了向牵引变压器中引入直流偏置电压。在具体实施中，处理模块200还可以对计算中的电流平均值进行消除稳态误差，也可以对直流偏置电压进行消除稳态误差，从而使叠加在采样电压上的电压信号是经过积分控制消除稳态误差的直流偏置电压信号，使得获取的第一调制电压更加准确稳定。同样，采样模块100还可以根据四象限变流器输出直流电压控制、输入功率因数控制以及电路的谐波控制的要求进行相应的信号采样，处理模块200也可以根据这些控制要求进行相应的运算处理，以产生相应的调制信号，控制模块300配合相应的控制操作产生对应的控制信号，从而实现对四象限变流器主电路中电流电压的控制，有利于提高机车牵引供电系统的综合性能。

本实施例可用于执行上述图1所示的实施例的控制方法，其工作原理及达到的技术效果类似，具体细节不再赘述。

图4为本发明四象限变流器控制系统的一种电路结构示意图，如图4所示，该控制系统的电路中，首先对四象限变流器主电路的输出电压进行直流电压采样及对输入电流进行第一电流采样，并将直流电压采样值与预设的输出直流电压（电压指令）进行比较后送到电压控制器11进行电压控制运算，实现电压的比例积分（PI）控制；而对四象限变流器的输入电压进行输入电压采样后获取的采样电压送到锁相环路PLL13中进行锁相处理，锁相处理后的采样电压与电压控制器11的输出信号进行同步作为后面电流控制环路的电流指令，电流指令与第一采样电流比较后输入电流控制器21以进行电流比例积分控制，之后将完成电压电流控制的输出信号叠加在采样电压上；同时，由于四象限变流器主电路的输入端与牵引变压器（未示出）的副边连接，因此该第一电流采样实际上也是牵引变压器副边的电流瞬时值。为消除四象限变流器主电路10中的直流偏置，通过平均值计算器23对第一采样电流进行平均值计算，在电路中没有直流偏置的情况下，第一采样电流的平均值应为零，由于存在直流偏置，该第一采样电流的平均值一般情况下都不为零，将该电流平均值的负值叠加在变流器主电路的采样电压上，即将经过电压控制器11和电流控制器21进行控制处理过的输出信号的负值与电流平均值的负值叠加在四象限变流器主电路输入端的采样电压上，获取调制电压，并将该调制电压输入到脉宽调制器22以使其产生控制四象限变流器的控制信号，从而实现对四象限变流器的输出侧的直流电压控制、输入侧功率因数控制以及直流偏压控制。

图5为本发明四象限变流器控制系统的另一种电路结构示意图，本电路与图4所示的电路不同之处在于，在平均值计算器23生成的平均值后通过积分控制器24对平均值进行了积分控制以消除系统中的稳态误差，从而使获取的直流偏置电压更加准确稳定，因此，叠加在采样电压上的是消除了稳态误差的直流偏置电压信号。

图6为本发明四象限变流器控制系统的又一种电路结构示意图，本电路与图5所示的电路不同之处在于，电路中增加了降低或消除谐波的部分，即在控制系统中采用了第一脉冲控制信号生成电路12和第二脉冲控制信号生成电路15，对同一电压控制器产生输出信号同步后，生成电流指令，将电流指令分成两路，分别与两路采样的输入电流进行比较以及后续处理，并使这两电路中脉宽调制器22中采用的载波的相位相互错开180度。实际应用中，也可以直接将生成的调制电压分成两路分别输入相应的脉宽调制器中，使相应的脉宽调制器相互错开一定的角度，也可实现降低或消除电路中的谐波。

本发明实施例还提供一种机车牵引供电系统，包括牵引变压器、与所述牵引变压器副边连接的四象限变流器及四象限变流器的控制系统，其中，对所述四象限变流器进行控制的控制系统如上述图3~图6中任一实施例所示的控制系统模块或电路结构。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种四象限变流器的控制方法，其特征在于，包括：

获取四象限变流器输入端的第一采样电流和采样电压；

获取所述第一采样电流的电流平均值对应的直流偏置电压；

将所述直流偏置电压的负值叠加在所述采样电压上，获取第一调制电压；

获取所述四象限变流器输出端的采样直流电压；

根据预设的输出直流电压和所述采样直流电压，获取对所述四象限变流器输出的直流电压进行控制的第一调整信号；

根据所述第一调整信号、所述第一采样电流和采样电压，获取对所述四象限变流器输出的功率因数进行控制的第二调整信号；

将所述第二调整信号的负值叠加所述第一调制电压上；

根据叠加有所述第二调整信号负值的第一调制电压，产生第一调制控制信号；

根据所述第一调制控制信号对所述四象限变流器的控制端进行控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取所述第一采样电流的电流平均值对应的直流偏置电压之后，还包括：

将所述直流偏置电压进行消除稳态误差的积分控制处理；

相应地，将所述直流偏置电压的负值叠加在所述采样电压上，具体为：

将积分控制处理后的直流偏置电压的负值叠加在所述采样电压上。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取所述第一采样电流的电流平均值对应的直流偏置电压，包括：

计算所述第一采样电流的电流平均值；

将所述电流平均值进行消除稳态误差的积分控制处理；

获取积分控制处理后的电流平均值对应的直流偏置电压；

相应地，将所述直流偏置电压的负值叠加在所述采样电压上，具体为：

将积分控制处理后的电流平均值对应的直流偏置电压的负值叠加在所述采样电压上。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括:

获取所述四象限变流器输入端的第二采样电流；

根据预设的输出直流电压、所述采样直流电压、所述第二采样电流和所述采样电压获取第二调制电压；

将所述第一调制电压的载波相位和第二调制电压的载波相位进行相互错开；

根据所述第一调制电压产生的第一调制控制信号和所述第二调制电压产生的第二调制控制信号，对所述四象限变流器的控制端进行控制。

5.一种四象限变流器的控制系统，其特征在于，包括：

采样模块，用于获取四象限变流器输入端的第一采样电流和采样电压；

处理模块，用于获取所述第一采样电流的电流平均值对应的直流偏置电压；以及将所述直流偏置电压的负值叠加在所述采样电压上，获取第一调制电压；

所述采样模块，还用于获取所述四象限变流器输出端的采样直流电压；

所述处理模块，还用于根据预设的输出直流电压和所述采样直流电压，获取对所述四象限变流器输出的直流电压进行控制的第一调整信号；根据所述第一调整信号、所述第一采样电流和采样电压，获取对所述四象限变流器输出的功率因数进行控制的第二调整信号；以及将所述第二调整信号的负值叠加所述第一调制电压上；

控制模块，具体用于根据叠加有所述第二调整信号负值的第一调制电压，产生第一调制控制信号；以及根据所述第一调制控制信号对所述四象限变流器的控制端进行控制。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，

所述处理模块，具体用于获取所述第一采样电流的电流平均值对应的直流偏置电压；将所述直流偏置电压进行消除稳态误差的积分控制处理；以及将积分控制处理后的直流偏置电压的负值叠加在所述采样电压上；或者，具体用于计算所述第一采样电流的电流平均值；将所述电流平均值进行消除稳态误差的积分控制处理；以及将积分控制处理后的电流平均值对应的直流偏置电压的负值叠加在所述采样电压上。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，

所述采样模块，还用于获取所述四象限变流器输入端的第二采样电流；

所述处理模块，还用于根据预设的输出直流电压、所述采样直流电压、所述第二采样电流和所述采样电压获取第二调制电压；

所述控制模块，具体用于将所述第一调制电压的载波相位和第二调制电压的载波相位进行相互错开；以及根据所述第一调制电压产生的第一调制控制信号和所述第二调制电压产生的第二调制控制信号，对所述四象限变流器的控制端进行控制。

8.一种机车牵引供电系统，包括牵引变压器和与所述牵引变压器副边连接的四象限变流器，其特征在于，还包括：对所述四象限变流器进行控制的如权利要求5-7中任一项所述的四象限变流器的控制系统。