CN104786873B - 一种基于锁相环的电压重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于锁相环的电压重构方法，采用由控制系统控制逆变器给中性段供电实现列车无断电柔性通过电分相，利用锁相环输出的角度和适时测量的参考电压幅值重构电压信号，形成新的参考电压信号，从而使逆变器输出的电压能够很快的进行相位转化，实现对相应参考电压信号的锁相。采用本发明能够提高逆变器输出电压相位调整的速度、减小相位调整过程中的频率波动，降低调相过程对系统的不利影响。

Description

一种基于锁相环的电压重构方法

技术领域

本发明涉及不断电过电分相，使用逆变器为中性段供电的应用场合。

背景技术

电力机车(动车组)过电分相的方法有多种，早期列车速度较慢，通常采用手动过电分相，在分相区设有分相标志指挥司机过电分相操作。到中性段前，司机先将牵引级位降到0，断开辅助系统，再将牵引变压器原边主断路器断开，使机车不带电通过中性段。机车进入下一相供电臂的供电区后，司机合上主断路、并启动辅助系统、逐步恢复牵引级位。手动过电分相司机劳动强度大，在过分相时必须由司机断电，如果没断电过电分相，会在进入中性段时牵引网与受电弓产生过电压拉弧，烧坏牵引网和受电弓，甚至两相短路等严重事故，随着列车运行速度的不断提高这一问题将更为突出。

目前，电力机车(动车组)通常采用自动过电分相方法，主要有二种方法：地面自动过分相和车上自动过分相。采用地面过电分相时，电力机车(动车组)不需要任何动作，主电路断电时间很短，适合坡度较大的和运量大的困难地段，日本将这种方法用于高速动车组。

附图1为传统地面自动过分相装置的工作原理图，其工作过程如下：当电力机车(动车组)运行到CG1时(列车运行方向如图所示；CG1～CG4为机车位置传感器，用于产生开关切换信号，列车运行到某一位置时，相应的开关动作)，开关K1闭合，中性段接触网由A相供电，待机车进入中性段，到达CG3时，K1断开，K2迅速合上，完成中性段供电的换相变换。由于此时中性段已由B相供电，电力机车(动车组)可以在不用任何附加操作，负荷基本不变的情况下通过分相段，待机车驶离CG4处时，K2断开，各个设备恢复原始状态。反向行驶时，由控制系统控制两个开关以相反顺序轮流断开与闭合。地面过电分相时，电力机车(动车组)在中性段进行电压转换，是带载断开分相开关，会生产截流过电压，对开关要求较高；同时是满载闭合另一个分相开关，机车上有牵引变压器，因为两相相位不一样，变压器的稳态磁通有相差，合闸时会因为动态磁通饱和导致合闸浪涌过电流。对于旋转电机并从牵引变压器取电的机车，合闸时还会导致辅助系统过流。

针对传统地面过电分相装置的缺点，有研究人员提出了改进措施，改进后的地面过电分相装置如附图2所示，其工作原理如下：当电力机车(动车组)运行到CG1时(列车运行方向如图所示；CG1～CG4为机车位置传感器，用于产生开关切换信号，列车运行到某一位置时，相应的开关动作)，控制器发出控制信号使晶闸管SCR1、SCR2导通。A相电压通过降压变压器TX1，晶闸管SCR1、SCR2，升压变压器TX3到达中性段。晶闸管SCR1、SCR2的触发采用电压过零触发。当机车行驶到CG3时，控制器发出控制信号使晶闸管SCR1、SCR2关断，同时控制器发出控制信号使SCR3、SCR4导通。这样中性段就由A相供电转变为B相供电。B相电压通过降压变压器TX2，晶闸管SCR3、SCR4，升压变压器TX3到达中性段。当机车行驶到CG4处时，控制器发出控制信号使晶闸管SCR1、SCR2、SCR3、SCR4关断。系统恢复到原始状态。可见，改进后的方案仍然不能完全解决传统地面过电分相装置的缺点，由于需要采用升降压变压器，增加了系统的复杂程度和成本。

另外有学者进一步提出不断电过分相方案，如采用电力电子变换装置实现列车带电自动过分相方法(中国专利CN102343835A)、电力机车无断电过分相-电能质量综合补偿装置及其方法(中国专利CN102035212A)、一种基于级联多电平的地面过电分相装置(中国专利，申请号201410036222.9)等，其基本原理都是利用逆变器给中性段供电，利用逆变器可调压调频的特点，实现列车柔性通过电分相。附图3是电力机车无断电过分相-电能质量综合补偿装置及其方法的原理图。图中两个通过共用直流侧电容实现背靠背的单相变流器VSC_A和VSC_B，以及分别与VSC_A和VSC_B交流侧相连的单相变压器T_A和T_B组成。变压器T_A原边两个接线端子分别接于中性段和钢轨，T_B原边两个接线端子分别接于B相供电臂和钢轨。装置正常工作时，若没有机车通过中性段，那么变流器VSC_B工作于空载并网状态，维持直流侧电压为给定的参考值，而VSC_A则脉冲封锁，中性段无电压。当CG1检测到有机车从A相进入中性段时，VSC_A由脉冲封锁状态进入空载并网状态，变流器输出电压为A相供电臂电压U_A，然后以机车负载功率为控制目标，使机车负载功率完全由B相供电臂经背靠背变流器提供，而A相供电臂负载为零。待机车完全进入中性段后，中性段电压采用如图4所示的调频调相方法，经过一段时间后，中性段电压由U_A变为U_B。待机车行驶出中性段时，即到达CG3的位置时，逐步减小背靠背变流器的输出功率，使机车功率逐步由B相供电臂直接提供。最终，VSC_A重新进入封锁状态，装置恢复至初始状态。

综上所述，不断电过电分相方案具有比较优势，其核心技术之一就是相邻桥臂间的调相、调幅(如果两供电臂的电压幅值不相等)，即在电力机车或动车组运行于中性段时，通过参考电压的调整实现逆变器输出电压相位、幅值调整，从而使中性段可以与相应的供电臂实现并联，达到列车柔性通过电分相的目的。现有的相位调整技术是通过变频移相实现的，该方法需要采用两个锁相环而且还存在频率跳变、调频调相时间长等问题，对中性段逆变器供电系统和车载牵引传统有较大冲击。

发明内容

鉴于现有技术的以上缺点，本发明的目的就是针对传统的调频调相存在的缺点，提出了利用锁相环重构电压信号，实现逆变器参考电压相位快速调整，具有调相速度快、频率波动范围小的特点。

本发明的目的是通过如下的手段实现的。

一种基于锁相环的电压重构方法，采用由控制系统控制逆变器给中性段供电实现列车无断电柔性通过电分相，逆变器系统由两个通过共用直流侧电容实现背靠背的单相变流器VSC_A和VSC_B、以及分别与VSC_A和VSC_B交流侧相连的单相变压器T_A和T_B组成，或者是直接采用级联多电平模块串联组成；相应的传感器采集分相两侧接触网的电压信号u_A、u_B，及列车的位置信号，其特征在于，控制系统通过控制切换锁相环的输入电压信号参考电压切换，利用锁相环输出的角度和适时测量的参考电压幅值重构电压信号形成新的参考电压信号，实现对相应参考电压信号的锁相锁相环重构，电压幅值为u’_m，则利用锁相环重构后的电压u’为：

u’＝u’_m×sin(θ’)

式中，u’_m∈[min(u_mA,u_mB)，max(u_mA,u_mB)]，两个电源电压信号分别为u_A、u_B，锁相环的输出频率为f’、输出角度为θ’，电源电压幅值为u_mA、u_mB；电压参考从u_A向u_B切换切换过程为：

1)A相锁相阶段：锁相环对A相电源进行锁相，此时A相电源的瞬时值为u_A，则有

u’＝u’_m×sin(θ’)＝u_mA×sin(θ’)＝u_A

2)切换过渡阶段：控制器发出指令，将锁相环的输入由A相电压信号切换至B相电压信号，则有

u’＝u’_m×sin(θ’)；

3)B相锁相阶段：过渡过程完成，将锁相环对B相电压信号锁相，则有

u’＝u’_m×sin(θ’)＝u_mB×sin(θ’)＝u_B；

以此利用锁相环的实现电压重构，克服频率跳变、缩短调频调相时间，减小相位调整过程对中性段逆变器供电系统和车载牵引传统的不利影响。

在上述2)步骤切换过渡阶段：如果u_mA＝u_mB，则u’_m＝u_mA＝u_mB；如果u_mA≠u_mB，或者当u_mA与u_mB差值较大时，则可设置一条过渡曲线，使u’_m按照要求的斜率上升或下降从u_mA调整至u_mB，以达到平滑过渡的效果。

采用发明方法可以能够提高逆变器输出电压相位调整的速度、减小相位调整过程中的频率波动，降低调相过程对系统的不利影响。

附图说明

图1是传统地面过电分相装置的工作原理图

图2是一种改进的地面过电分相装置工作原理图

图3是不断电过电分相装置工作原理图

图4是调频调相原理图

图5是调频调相控制结构图，该方法需要两个锁相环，分别获得相位θ、频率f和点压幅值u_m，并按照调频调相的原理，处理后获得所需参考电压的相位θ’、参考电压u’和电压幅值u’_m

图6是基于锁相环的电压重构原理图

图7是基于锁相环电压重构的软硬件实现示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

1.基本原理

利用锁相环的电压重构方法，设两个电源电压信号分别为u_A、u_B，K为输入信号切换开关，锁相环的输出频率为f’、输出角度为θ’，电源电压幅值为u_mA、u_mB，锁相环重构电压幅值为u’_m，则利用锁相环重构后的电压u’为：

u’＝u’_m×sin(θ’)

式中，u’_m∈[min(u_mA,u_mB)，max(u_mA,u_mB)]。

下面以电压参考从u_A向u_B切换为例说明切换过程：

1)A相锁相阶段，锁相环对A相电源进行锁相，并设A相电源的瞬时值为u_A，则有

u’＝u’_m×sin(θ’)＝u_mA×sin(θ’)＝u_A

2)切换过渡阶段，控制系统发出指令，将锁相环的输入由A相电压信号切换至B相电压信号，则有

u’＝u’_m×sin(θ’)

式中，如果u_mA＝u_mB，则u’_m＝u_mA＝u_mB；如果u_mA≠u_mB，则可设置一条过渡曲线，是u’_m按照要求的斜率上升或下降从u_mA调整至u_mB。

3)B相锁相阶段。过渡过程完成，将锁相环对B相电压信号锁相，则有

u’＝u’_m×sin(θ’)＝u_mB×sin(θ’)＝u_B

对于三相系统，只需根据相同的原理构建出其他两相即可。

2.实现过程

下面以不断电过电分相方案为例说明本方法的硬件实现。在不断电过电分相方案中，本发明的方法是位于核心控制器并结合相应的传感器实现的，电压传感器负责采集分相两侧接触网的电压信号u_A、u_B，并输入至控制器模拟数字转换口，将模拟信号转换为数字信号；显然基于锁相环的电压重构可采用软件控制，电压传感器信号为锁相环的输入信号，并在控制程序的控制下，按照需要进行切换(即实现开关附图中开关K的功能)；在核心控制内编写锁相环的代码(可采用常规的锁相环、基于SOGI的锁相环等等)，并实现本发明所述的电压重构原理；将电压重构信号作为控制所需的参考网压信号，实现相应的控制。

在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员在不偏离本发明的范围和精神的情况下，对其进行的关于形式和细节的种种显而易见的修改或变化均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于锁相环的电压重构方法，采用由控制系统控制逆变器给中性段供电实现列车无断电柔性通过电分相，逆变器系统由两个通过共用直流侧电容实现背靠背的单相变流器VSC_A和VSC_B、以及分别与VSC_A和VSC_B交流侧相连的单相变压器T_A和T_B组成，或者是直接采用级联多电平模块串联组成；相应的传感器采集分相两侧接触网的电压信号u_A、u_B，及列车的位置信号，其特征在于，控制系统通过控制切换锁相环的输入电压信号参考电压切换，利用锁相环输出的角度和适时测量的参考电压幅值重构电压信号形成新的参考电压信号，实现对相应参考电压信号的锁相环重构，电压幅值为u’_m，则利用锁相环重构后的电压u’为：

u’＝u’_m×sin(θ’)

式中，u’_m∈[min(u_mA,u_mB)，max(u_mA,u_mB)]，两个电源电压信号分别为u_A、u_B，锁相环的输出频率为f’、输出角度为θ’，电源电压幅值为u_mA、u_mB；

电压参考从u_A向u_B切换过程为：

1)A相锁相阶段：锁相环对A相电源进行锁相，此时A相电源的瞬时值为u_A，则有

u’＝u’_m×sin(θ’)＝u_mA×sin(θ’)＝u_A

2)切换过渡阶段：控制器发出指令，将锁相环的输入由A相电压信号切换至B相电压信号，则有

u’＝u’_m×sin(θ’)；

3)B相锁相阶段：过渡过程完成，将锁相环对B相电压信号锁相，则有

u’＝u’_m×sin(θ’)＝u_mB×sin(θ’)＝u_B；

以此利用锁相环的实现电压重构，克服频率跳变、缩短调频调相时间，减小相位调整过程对中性段逆变器供电系统和车载牵引传统的不利影响。

2.根据权利要求1所述之基于锁相环的电压重构方法，其特征在于，设置一条过渡曲线，在所述2)切换过渡阶段，当u_mA≠u_mB，u’_m按照过渡曲线的斜率上升或下降从u_mA调整至u_mB。

3.根据权利要求1所述之基于锁相环的电压重构方法，其特征在于，对于三相系统，只需根据相同的原理构建出三相即可。