CN108879630A - 机车交直交供电系统的变压器直流偏磁抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机车或动车含变压器供电的交直交供电系统,具体为机车交直交供电系统的变压器直流偏磁抑制方法。解决现有机车机车交直交供电系统在克服变压器直流偏磁方面所存在的问题。本发明通过四象限工作时,在电网电压的正负半周,对四象限输入电流进行多个电网周期的正向累加处理和负向累加处理;依据实际工况,在准确计算出输入电压的基波正负半周相位区间后,对四象限输入电压进行多个电网周期的正向累加处理和负向累加处理;通过四象限输入电压和电流判断直流偏磁是否发生;直流偏磁发生时,通过对电流正负半周的累加值进行PI调节并以此改变电流环的输出结果,用以调节PWM脉冲宽度,以实现对直流偏置的补偿和抑制作用。
Description
技术领域
本发明涉及机车或动车含变压器供电的交直交供电系统,具体为机车交直交供电系统的变压器直流偏磁抑制方法。
背景技术
如图1所示,机车或动车通过25kV 接触网取电,通过单相牵引变压器降压成符合要求的电压等级用于提供牵引动力,牵引变压器副边有多组抽头,每组抽头连接整流单元,整流单元为机车内牵引变流器(逆变单元)提供稳定的直流电。多组变流器同时满功率运行时,因四象限功率器件的开关特性不一致、主回路结构和参数差异以及控制参数匹配问题等一系列因素,满功率运行的牵引变压器容易产生直流偏磁现象,也就是牵引变压器的副边绕组(整流单元的输入)有直流电流成分流过(牵引变压器的原边有直流电流成分流过本申请不予考虑)。
直流偏磁会使得整流单元的输入电流在一个周期内平均值不在零值附近,输入电流的正偏和负偏会使得功率器件承受超过允许值的电流,轻则导致输入过流故障,严重时会对功率器件造成损坏。当发生直流偏磁时,直流和交流磁通相叠加,与直流偏磁方向一致的半个周波的磁通大大增加,另外半个周波的磁通减小,当牵引变压器工作在满载运行状态时,更容易加剧铁芯磁通密度的饱和程度,变压器的工作点一旦进入磁化曲线饱和区时,其铁芯的导磁率严重下降,漏磁通增大,漏磁通在变压器金属结构中产生涡流,导致局部发热,绝缘下降,引起变压器的各种损耗、噪声、过热和振动等问题,对变压器的运行造成风险,严重影响四象限整流器的运行可靠性。其次变压器的直流偏磁产生的高次谐波还会对列车的控制系统造成干扰,甚至引起控制系统的误动作,严重影响列车的运行安全。
机车交直交供电系统的四象限整流单元的控制主要分为外环和内环,外环为电压环,用于稳定直流电压,内环为电流环用于电流的跟踪控制;如图2所示,外环包括一个PI调节器(比例积分调节器),整流输出电压设定值U d * 和整流输出电压采集值u dc 作为PI调节器的输入;内环包括锁相环、PR调节器(比例谐振调节器),锁相环采集网侧电压(也是变压器的原边电压)的相位,外环输出的电流值I N * 与锁相环输出的相位合成为整流单元的输入电流设定值,整流单元的输入电流设定值和整流单元的输入电流采集值(也是变压器副边电流采集值)作为PR调节器的输入,PR调节器的输出值用于产生控制整流单元的PWM脉冲信号。为克服直流偏磁所带来的弊端,基于上述整流控制的现有机车交直交供电系统在整流单元中对采集到的用于控制的交流侧电流信号进行硬件滤波及软件滤波,滤除电流信号中含有的直流偏置量。但采用这种方式虽然解决了直流偏置给四象限整流控制带来的影响,但是交流侧电流的直流偏置量仍然实际存在,变压器中的直流偏置问题没有得到根本解决,且硬件电路的使用增加了成本,软件滤波存在信号延迟,影响四象限整流的动态响应性能。
发明内容
本发明解决现有机车交直交供电系统在克服变压器直流偏磁方面所存在的不能从根本上消除变压器的直流偏置以及在控制中使用软硬件滤波方式对四象限的动态响应带来影响的问题,提供一种机车交直交供电系统的变压器直流偏磁抑制方法。
本发明是采用如下技术方案实现的:机车交直交供电系统的变压器直流偏磁抑制方法,所述的机车交直交供电系统包括变压器、四象限整流单元,四象限整流单元的控制部分包括用于稳定整流单元直流电压的电压环和用于整流单元输入电流跟踪控制的电流环,该方法是由如下步骤实现的:
1) 在牵引工况和制动工况时,在电网电压的0—3.14的相位区间,对整流单元的输入电流进行多次瞬时采样并将多次瞬时电流采样值相加,得到电流正向累加值Ia_P;在电网电压的3.14—6.28的相位区间,对整流单元的输入电流进行多次瞬时采样并将多次瞬时电流采样值相加,得到电流负向累加值Ia_N;
2)在牵引工况时,在电网电压的0.15—3.29的相位区间,对整流单元的输入电压进行多次瞬时采样并将多次瞬时电压采样值用一个截止频率为100 Hz的低通滤波器进行滤波后相加,得到电压正向累加值Duty_P;在电网电压的3.29—6.43(0.15)的相位区间,对整流单元的输入电压进行多次瞬时采样并将多次瞬时电压采样值用一个截止频率为100 Hz的低通滤波器进行低通滤波后相加,得到电压负向累加值Duty_N;在制动工况时,在电网电压的-0.15(6.13)—2.99的相位区间,对整流单元的输入电压进行多次瞬时采样并将多次瞬时电压采样值用一个截止频率为100 Hz的低通滤波器进行低通滤波后相加,得到电压正向累加值Duty_P;在电网电压的2.99—6.13的相位区间,对整流单元的输入电压进行多次瞬时采样并将多次瞬时电压采样值用一个截止频率为100 Hz的低通滤波器进行低通滤波后相加,得到电压负向累加值Duty_N;电压瞬时采样的相位区间选择是根据电网相位超前或者滞后一定角度Theta进行的。角度Theta由四象限最大输入电流i m 、漏感参数L m ,按照公式Theta≈arctan[(2πf*i m *L m )/( U s *T)]计算得出,其中f为电网频率,U s 为变压器原边电压,T为变压器变比。电流和电压的采样相位区间不是全部(0—3.14)和全部(3.14—6.28)是因为变压器漏感的存在,在四象限不工作时,变压器副边电压(四象限输入电压)相位与电网相位完全重合;四象限工作在牵引工况时,四象限输入电流与电网电压相位重合,变压器副边电压会滞后电网电压一定的相位角度,滞后角度的大小主要取决于变压器的漏感值以及四象限输入电流的大小;四象限工作在制动工况时,四象限输入电流与电网电压相位反180°,变压器副边电压会超前电网电压一定的相位角度,超前的角度大小与牵引工况时相同。电压滞后或者超前角度采用四象限最大输入电流i m 、漏感参数L m ,按照公式Theta≈ arctan[(2πf*i m *L m )/( U s *T)]计算得出,其中f为电网频率,U s 为变压器原边电压,T为变压器变比。
3)将多个电网电压周期的电流正向累加值Ia_P和电流负向累加值Ia_N相加;如果电流正向累加值Ia_P与电流负向累加值Ia_N之和大于等于10A或者小于等于-10A,则电流判断变压器发生直流偏置,定义为Flag_I = 1;如果电流正向累加值Ia_P与电流负向累加值Ia_N之和在-10A和10A之间,则电流判断变压器未发生直流偏置,定义为Flag_I = 0;
4)将多个电网电压周期的电压正向累加值Duty_P和电压负向累加值Duty_N相加;如果电压正向累加值Duty_P与电压负向累加值Duty_N之和大于等于50V或者小于等于-50V,则电压判断变压器发生直流偏磁,定义为Flag_U = 1;如果电压正向累加值Duty_P与电压负向累加值Duty_N之和在-50V和50V之间,则电压判断变压器未发生直流偏磁,定义为Flag_U= 0;
5)变压器直流偏磁的判断既使用电流判断又采用电压判断来确定直流偏置是否真实存在,只有电流判断和电压判断均认为发生直流偏置时,即Flag_I = 1且Flag_U = 1时,才认为存在直流偏置,其他情况下认为未发生直流偏置。采用这种方式可提高判断的准确性,降低仅使用电流判断方法因电流采样值不准对判断造成的影响,尤其是在采样频率不高的应用场合,因四象限开关频率较低,而交流侧电流中含有较高的谐波,容易采到干扰、谐波信号或者IGBT的开通、关断处的信号,造成采样值失真影响计算结果。
6)判断变压器发生直流偏磁后,以任一电网电压周期的电流正向累加值Ia_P和电流负向累加值Ia_N作为电流偏差PI调节器的输入,四象限整流单元的控制部分的电流环的输出减去电流偏差PI调节器的输出I_offset后所得的值,用于产生控制整流单元的PWM脉冲信号。也就是用I_offset改变电流环的输出结果,即电流偏差PI调节器的输出I_offset为正时,进行负向调节,电流偏差PI调节器的输出I_offset为负时,进行正向调节,达到反向抑制变压器直流偏置的效果。
本发明通过四象限工作时,在电网电压的正负半周,对输入电流进行正向累加处理和负向累加处理;依据实际工况,在准确计算出四象限输入电压的基波正负半周相位区间后,对四象限输入电压进行正向累加处理和负向累加处理;通过四象限输入电压和电流判断直流偏磁是否发生;直流偏磁发生时,通过对电流正负半周的累加值进行PI调节并以此改变电流环的输出结果,用以调节PWM脉冲宽度,以实现对直流偏置的补偿和抑制作用。本发明所述方法相比现有技术不增加任何硬件,仅仅通过软件控制算法不但消除了变压器副边电流中的直流偏置,降低了偏置误报对四象限产生的影响,而且四象限整流具有更高的动态响应性能和稳态精度,使其稳定工作的可靠性大大提升。
附图说明
图1为机车交直交供电系统的结构示意图;
图2为本发明所述方法的示意图。
具体实施方式
机车交直交供电系统的变压器直流偏磁抑制方法,所述的机车交直交供电系统包括变压器、四象限整流单元,四象限整流单元的控制部分包括用于稳定整流单元直流电压的电压环和用于整流单元输入电流跟踪控制的电流环,该方法是由如下步骤实现的:
1) 在牵引工况和制动工况时,在电网电压的0—3.14的相位区间,对整流单元的输入电流进行多次瞬时采样并将多次瞬时电流采样值相加,得到电流正向累加值Ia_P;在电网电压的3.14—6.28的相位区间,对整流单元的输入电流进行多次瞬时采样并将多次瞬时电流采样值相加,得到电流负向累加值Ia_N;
2)在牵引工况时,在电网电压的0.15—3.29的相位区间,对整流单元的输入电压进行多次瞬时采样并将多次瞬时电压采样值用一个截止频率为100 Hz的低通滤波器进行滤波后相加,得到电压正向累加值Duty_P;在电网电压的3.29—6.43(0.15)的相位区间,对整流单元的输入电压进行多次瞬时采样并将多次瞬时电压采样值用一个截止频率为100 Hz的低通滤波器进行低通滤波后相加,得到电压负向累加值Duty_N;在制动工况时,在电网电压的-0.15(6.13)—2.99的相位区间,对整流单元的输入电压进行多次瞬时采样并将多次瞬时电压采样值用一个截止频率为100 Hz的低通滤波器进行低通滤波后相加,得到电压正向累加值Duty_P;在电网电压的2.99—6.13的相位区间,对整流单元的输入电压进行多次瞬时采样并将多次瞬时电压采样值用一个截止频率为100 Hz的低通滤波器进行低通滤波后相加,得到电压负向累加值Duty_N;
3)将多个电网电压周期的电流正向累加值Ia_P和电流负向累加值Ia_N相加;如果电流正向累加值Ia_P与电流负向累加值Ia_N之和大于等于10A或者小于等于-10A,则电流判断变压器发生直流偏置,定义为Flag_I = 1;如果电流正向累加值Ia_P与电流负向累加值Ia_N之和在-10A和10A之间,则电流判断变压器未发生直流偏置,定义为Flag_I = 0;
4)将多个电网电压周期的电压正向累加值Duty_P和电压负向累加值Duty_N相加;如果电压正向累加值Duty_P与电压负向累加值Duty_N之和大于等于50V或者小于等于-50V,则电压判断变压器发生直流偏磁,定义为Flag_U = 1;如果电压正向累加值Duty_P与电压负向累加值Duty_N之和在-50V和50V之间,则电压判断变压器未发生直流偏磁,定义为Flag_U= 0;
5)变压器直流偏磁的判断既使用电流判断又采用电压判断来确定直流偏置是否真实存在,只有电流判断和电压判断均认为发生直流偏置时,即Flag_I = 1且Flag_U = 1时,才认为存在直流偏置,其他情况下认为未发生直流偏置;
6)判断变压器发生直流偏磁后,以任一电网电压周期的电流正向累加值Ia_P和电流负向累加值Ia_N作为电流偏差PI调节器的输入,四象限整流单元的控制部分的电流环的输出减去电流偏差PI调节器的输出I_offset后所得的值,用于产生控制整流单元的PWM脉冲信号。也就是用I_offset改变电流环的输出结果,即电流偏差PI调节器的输出I_offset为正时,进行负向调节,电流偏差PI调节器的输出I_offset为负时,进行正向调节,达到反向抑制变压器直流偏置的效果。
具体实施时,电流偏差PI调节器的输出I_offset经过限幅处理。
Claims (2)
1.一种机车交直交供电系统的变压器直流偏磁抑制方法,所述的机车交直交供电系统包括变压器、四象限整流单元,四象限整流单元的控制部分包括用于稳定整流单元直流电压的电压环和用于整流单元输入电流跟踪控制的电流环,其特征在于该方法是由如下步骤实现的:
1) 在牵引工况和制动工况时,在电网电压的0—3.14的相位区间,对整流单元的输入电流进行多次瞬时采样并将多次瞬时电流采样值相加,得到电流正向累加值(Ia_P);在电网电压的3.14—6.28的相位区间,对整流单元的输入电流进行多次瞬时采样并将多次瞬时电流采样值相加,得到电流负向累加值(Ia_N);
2)在牵引工况时,在电网电压的0.15—3.29的相位区间,对整流单元的输入电压进行多次瞬时采样并将多次瞬时电压采样值用一个截止频率为100 Hz的低通滤波器进行滤波后相加,得到电压正向累加值(Duty_P);在电网电压的3.29—6.43的相位区间,对整流单元的输入电压进行多次瞬时采样并将多次瞬时电压采样值用一个截止频率为100 Hz的低通滤波器进行低通滤波后相加,得到电压负向累加值(Duty_N);在制动工况时,在电网电压的-0.15—2.99的相位区间,对整流单元的输入电压进行多次瞬时采样并将多次瞬时电压采样值用一个截止频率为100 Hz的低通滤波器进行低通滤波后相加,得到电压正向累加值(Duty_P);在电网电压的2.99—6.13的相位区间,对整流单元的输入电压进行多次瞬时采样并将多次瞬时电压采样值用一个截止频率为100 Hz的低通滤波器进行低通滤波后相加,得到电压负向累加值(Duty_N);
3)将多个电网电压周期的电流正向累加值(Ia_P)和电流负向累加值(Ia_N)相加;如果电流正向累加值(Ia_P)与电流负向累加值(Ia_N)之和大于等于10A或者小于等于-10A,则电流判断变压器发生直流偏置,定义为Flag_I = 1;如果电流正向累加值(Ia_P)与电流负向累加值(Ia_N)之和在-10A和10A之间,则电流判断变压器未发生直流偏置,定义为Flag_I= 0;
4)将多个电网电压周期的电压正向累加值(Duty_P)和电压负向累加值(Duty_N)相加;如果电压正向累加值(Duty_P)与电压负向累加值(Duty_N)之和大于等于50V或者小于等于-50V,则电压判断变压器发生直流偏磁,定义为Flag_U = 1;如果电压正向累加值(Duty_P)与电压负向累加值(Duty_N)之和在-50V和50V之间,则电压判断变压器未发生直流偏磁,定义为Flag_U = 0;
5)变压器直流偏磁的判断既使用电流判断又采用电压判断来确定直流偏置是否真实存在,只有电流判断和电压判断均认为发生直流偏置时,即Flag_I = 1且Flag_U = 1时,才认为存在直流偏置,其他情况下认为未发生直流偏置;
6)判断变压器发生直流偏磁后,以任一电网电压周期的电流正向累加值(Ia_P)和电流负向累加值(Ia_N)作为电流偏差PI调节器的输入,四象限整流单元的控制部分的电流环的输出减去电流偏差PI调节器的输出(I_offset)后所得的值,用于产生控制整流单元的PWM脉冲信号。
2.根据权利要求1所述的机车交直交供电系统的变压器直流偏磁抑制方法,其特征在于电流偏差PI调节器的输出(I_offset)经过限幅处理。
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