CN109038576A - 一种四象限变流器控制器及网压中断判断的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于轨道交通技术领域，涉及一种四象限变流器控制器及网压中断判断的方法，方法根据网压中断时，四象限变流器控制器的d轴电流给定值Id‑ref和d轴电流反馈值为Id的特征进行判断。四象限变流器控制器包括电压环和电流环，四象限变流器控制器采用基于dq同步旋转坐标系的控制方法，将d轴定义为有功轴。网压中断时，四象限变流器控制器的d轴电流给定值Id‑ref增大，d轴电流反馈值Id几乎为零。根据这一特征，可以对网压中断进行快速检测。对网压中断的快速与准确检测，有助于四象限变流器采取相应措施，避免在受电弓与接触网接触不良的情况下，四象限变流器因网压中断，发生过电流，而对设备造成损坏；同时有利于动车组列车的安全可靠运行。

Description

一种四象限变流器控制器及网压中断判断的方法
技术领域
本发明属于轨道交通技术领域，涉及一种四象限变流器控制器及网压中断判断的方法，具体涉及一种四象限变流器控制器及基于解耦电流辅助判断的网压中断判断的方法。
背景技术
动车组列车采用接触网供电方式，通过受电弓与接触网接触获得电能，在列车运行过程中，网压中断时有发生。若控制系统未能及时检测到网压中断，四象限变流器控制器的电流环继续工作并很快工作在饱和状态，使得四象限变流器网侧交流电压的幅值和相位均严重偏离实际网压的幅值和相位。当网压恢复时，由于网压与四象限变流器网侧交流电压之间存在幅值和相位偏差，在四象限变流器交流侧产生电流Is，形成冲击，轻则导致系统频繁产生过流，设备运行的可靠性降低，严重时则会对设备造成损坏。本发明提出一种四象限变流器控制器及网压中断判断的方法，根据网压中断时四象限变流器控制器的电流指令值(d轴电流给定值Id-ref)和电流反馈值(d轴电流反馈值Id)的特征进行判断，能够快速检测网压中断。本发明提出的四象限变流器控制器及网压中断判断的方法能及时对网压中断做出判断，有助于四象限变流器采取相应措施，避免网压恢复时发生过流，而对设备造成损坏；同时，有利于动车组列车的安全可靠运行。
发明内容
本发明提供一种四象限变流器控制器及网压中断判断的方法，对列车短时间失去网压进行检测，例如由于受电弓与接触网接触不良，而导致的列车网压中断情况。具体技术方案如下：
一种四象限变流器控制器，包括：电压环和电流环；
所述电压环包括直流侧电压传感器、比较单元和电压环控制器；
所述比较单元与电压环控制器连接；
所述直流侧电压传感器检测出直流电压反馈值Udc；
四象限变流器直流侧输出电压目标值Udc-ref和所述直流电压反馈值Udc输入比较单元进行差值比较，将比较结果输入电压环控制器；
所述电压环控制器输出d轴电流给定值Id-ref；
所述四象限变流器控制器还包括电流传感器、αβ/dq坐标变换模块、交流电压传感器和SPLL(锁相环)模块；
所述电流传感器位于四象限变流器交流侧，且与αβ/dq坐标变换模块连接，用于检测出四象限变流器交流侧电流IS；
所述交流电压传感器与SPLL模块的一端连接，所述SPLL模块的另一端与αβ/dq坐标变换模块连接；
所述交流电压传感器检测出交流电压，并将交流电压传输至SPLL模块；
将所述四象限变流器交流侧电流IS和SPLL模块的输出结果共同输入至αβ/dq坐标变换模块进行坐标变换，输出d轴电流反馈值Id和q轴电流反馈值Iq；
所述电流环包括两个比较单元、电流环控制器一、电流环控制器二和dq/αβ反坐标变换模块；
电流环的第一个比较单元与电流环控制器一的一端连接，电流环控制器一的另一端与dq/αβ反坐标变换模块的输入端连接；
电流环的第二个比较单元与电流环控制器二的一端连接，电流环控制器二的另一端与dq/αβ反坐标变换模块的输入端连接；
所述d轴电流给定值Id-ref和d轴电流反馈值Id输入电流环的第一个比较单元进行差值比较，将比较结果输入电流环控制器一；
所述q轴电流给定值Iq-ref和q轴电流反馈值Iq输入电流环的第二个比较单元进行差值比较，将比较结果输入电流环控制器二；
电流环控制器一输出d轴输出Ud，电流环控制器二输出q轴输出Uq；
所述d轴输出Ud和q轴输出Uq输入dq/αβ反坐标变换模块，进行反坐标变换，输出调制电压US；
所述四象限变流器控制器还包括PWM脉宽调制模块，所述dq/αβ反坐标变换模块的输出端与PWM脉宽调制模块的输入端连接；
所述调制电压US输入PWM脉宽调制模块，PWM脉宽调制模块输出驱动脉冲，用于控制四象限变流器。
在上述技术方案的基础上，所述电压环控制器、电流环控制器一和电流环控制器二均为PI控制器(比例积分控制器)。
在上述技术方案的基础上，所述αβ/dq坐标变换模块采用dq同步旋转坐标系，先建立一个虚拟正交坐标系，然后将交流量通过坐标变换的方式转换到同步旋转的dq坐标系，将交流量转换成d轴和q轴上的直流量。
在上述技术方案的基础上，所述四象限变流器控制器采用DSP控制器的形式。
在上述技术方案的基础上，所述q轴电流给定值Iq-ref为0。
在上述技术方案的基础上，动车组列车牵引变流系统包括：受电弓、主断路器、牵引变压器、四象限变流器、逆变器(INV)和牵引电机；
所述受电弓从接触网取电，并通过回流线回流，且通过主断路器与牵引变压器连接；
所述牵引变压器将交流电压降压后，供给四象限变流器；
所述四象限变流器将交流电整流为直流电，供给逆变器；
所述逆变器将直流电转化为三相交流电，以驱动牵引电机；
在所述牵引变压器一次侧设置交流电压传感器，用于实时检测牵引变压器一次侧的交流电压；
在所述四象限变流器交流侧设置电流传感器，用于实时检测四象限变流器交流侧的交流电流；
在所述四象限变流器直流侧设置直流侧电压传感器，用于实时检测四象限变流器输出的直流电压，即直流电压反馈值Udc。
一种应用四象限变流器控制器进行网压中断判断的方法，包括以下步骤：
A、检测四象限变流器的工作状态；
B、当检测到四象限变流器正常工作，对d轴电流给定值Id-ref进行检测采样；
所述检测到四象限变流器正常工作为：采用直流侧电压传感器检测到四象限变流器输出的直流电压保持为给定的恒定工作电压；
所述直流侧电压传感器设置于动车组列车牵引变流系统；
假设上一检测采样周期d轴电流给定值为id-ref(k-1)，本检测采样周期d轴电流给定值为id-ref(k)；
当id-ref(k)*id-ref(k-1)≥0时，进行步骤C；
C、假设d轴电流反馈值为Id，当同时满足式(1)和式(2)时，则判断此时列车的网压中断，
|Id-ref|＞k1 (1)
|Id|＜k2 (2)
其中，k1为d轴电流给定值Id-ref的保护阈值，k2为d轴电流反馈值Id的保护阈值；所述k1的值与tj有关，所述tj表示从动车组列车发生网压中断的开始时刻到动车组列车牵引变流系统检测到动车组列车发生网压中断时止的一段时间，tj越小，k1越小；tj越大，k1越大。所述k1的取值范围和k2的值由实验确定，具体过程如下：
列车从启动状态进入正常工作状态；当网压中断发生后，四象限变流器控制器中的电流环控制器一将迅速处于饱和状态，αβ/dq坐标变换模块输出的d轴电流反馈值Id的数值最大，为Id-max；
所述k1值的取值范围为0～Id-max；
所述k1的具体值根据现有动车组列车牵引变流系统和四象限变流器控制器的具体参数和整体性能确定，且尽可能小，以缩短网压中断的检测时间，保证尽可能早地发现动车组列车的网压出现了中断，相应地延长四象限变流器采取相应措施处理网压中断带来不利影响的时间；
当列车空载启动时，四象限变流器建立直流电压，四象限变流器交流侧电流IS接近于零，通过四象限变流器控制器中的αβ/dq坐标变换模块输出的d轴电流反馈值Id确定为k2的值。
本发明具有以下有益技术效果：
本申请所述四象限变流器控制器及网压中断判断的方法，能够快速检测网压中断，及时对网压中断做出判断，有助于四象限变流器采取相应措施，避免网压恢复时发生过电流，而对设备造成损坏；同时有利于动车组列车的安全可靠运行。
附图说明
本发明有如下附图：
图1为本发明动车组列车牵引变流系统构成示意图；
图2为本发明四象限变流器控制器示意图；
图3为本发明四象限变流器控制器电压环示意图；
图4为本发明四象限变流器控制器电流环原理示意图；
图5为本发明网压中断检测方法流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行进一步的说明。
根据网压中断时，Id-ref增大，Id近似为零的特征，以|Id-ref|＞k1且|Id|＜k2为网压中断的检测条件，其中k1为d轴电流给定值Id-ref的保护阈值，k2为d轴电流反馈值Id的保护阈值，所述k1的值与tj有关，所述tj表示从动车组列车发生网压中断的开始时刻到动车组列车牵引变流系统检测到动车组列车发生网压中断时止的一段时间，tj越小，k1越小；tj越大，k1越大。所述k1的取值范围和k2的值由实验确定，简述如下：
列车从启动状态进入正常工作状态；当网压中断发生后，四象限变流器控制器中的电流环控制器一将迅速处于饱和状态，αβ/dq坐标变换模块输出的d轴电流反馈值Id的数值最大，为Id-max；
所述k1值的取值范围为0～Id-max；
所述k1的具体值根据现有动车组列车牵引变流系统和四象限变流器控制器的具体参数和整体性能确定，且尽可能小，以缩短网压中断的检测时间，保证尽可能早地发现动车组列车的网压出现了中断，相应地延长四象限变流器采取相应措施处理网压中断带来不利影响的时间；
在具体实施中，所述tj的值取50ms。
当列车空载启动时，四象限变流器建立直流电压，四象限变流器交流侧电流IS接近于零，通过四象限变流器控制器中的αβ/dq坐标变换模块输出的d轴电流反馈值Id确定为k2的值。
列车空载启动的过程中，四象限变流器建立直流电压，四象限变流器交流侧电流IS接近于零，导致Id-ref和Id满足|Id-ref|＞k1且|Id|＜k2的检测条件。为了避免列车启动过程中，对网压中断的检测发生误动作，增加网压中断检测的启动条件，启动条件为检测到4QC(四象限变流器)正常工作，即采用直流侧电压传感器检测到四象限变流器输出的直流电压保持为给定的恒定工作电压。
四象限变流器在工况转变时(由整流工况变为逆变工况或由逆变工况变为整流工况)，由于Id在正负变化的过程中经过零值，可能满足|Id-ref|＞k1且|Id|＜k2的检测条件。为了避免在四象限变流器在工况转变时，对网压中断的检测发生误动作，增加网压中断检测的启动条件，即id-ref(k)*id-ref(k-1)≥0，id-ref(k-1)为上一采样周期d轴电流给定值，id-ref(k)为本采样周期d轴电流给定值。
所以，本发明所述网压中断检测方法的启动条件为：(1)检测到4QC正常工作，即采用直流侧电压传感器检测到四象限变流器输出的直流电压保持为给定的恒定工作电压；(2)id-ref(k)*id-ref(k-1)≥0。网压中断的判断条件：|Id-ref|＞k1且|Id|＜k2。
如图1所示，动车组列车牵引变流系统主要包括：受电弓、牵引变压器、网侧变流器和逆变器，其中网侧变流器采用四象限变流器，四象限变流器受到四象限变流器控制器的控制。列车网压中断时，四象限变流器交流侧电流IS接近于零。
如图2和图3所示，四象限变流器控制器包括电压环和电流环。其中电压环用于控制四象限变流器直流侧输出电压稳定，所述电压环的输入为四象限变流器直流侧输出电压目标值Udc-ref和直流电压反馈值Udc，所述电压环的输出为Id-ref。IS为四象限变流器交流侧电流传感器检测到的交流电流。电流环用于确保四象限变流器交流侧电流IS具有良好的正弦度，且功率因数接近于1。
所述四象限变流器控制器采用基于dq同步旋转坐标系的控制方法，该方法建立一个虚拟正交坐标系，然后将交流量通过坐标变换的方式转换到同步旋转的dq坐标系，将交流量转换成d轴和q轴上的直流量。将d轴定义为有功轴。四象限变流器控制器电压环的输入为四象限变流器直流侧输出电压目标值Udc-ref和直流电压反馈值Udc，d轴电流给定值Id-ref为电压环的输出，作为电流环的输入。
所述电流环的d轴输入为d轴电流给定值Id-ref和网侧电流(四象限变流器交流侧电流)IS经过坐标变换得到的d轴分量Id(又称为d轴电流反馈值)，所述电流环的q轴输入为q轴电流给定值Iq-ref和网侧电流IS经过坐标变换得到的q轴分量Iq(又称为q轴电流反馈值)。所述电流环的d轴输出Ud和q轴输出Uq经反坐标变换得到调制电压US，US经过脉宽调制得到驱动脉冲。为了保证四象限变流器交流侧的电压和电流同相位，给定q轴电流给定值Iq-ref为0。
如图4所示为四象限变流器控制器电流环原理示意图。所述电流环包括两个PI控制器、两个ωL解耦模块、sinωt解耦模块、cosωt解耦模块和五个比较单元；
所述d轴电流给定值Id-ref和d轴电流反馈值Id输入第一个比较单元进行差值比较，将比较结果输入第一个PI控制器(电流环控制器一)的输入端；
所述q轴电流给定值Iq-ref和q轴电流反馈值Iq输入第二个比较单元进行差值比较，将比较结果输入第二个PI控制器(电流环控制器二)的输入端；
所述交流电压传感器检测出交流电压，并将交流电压输入至αβ/dq坐标变换模块进行坐标变换，输出d轴电压反馈值ed和q轴电压反馈值eq；
d轴电流反馈值Id输入第一个ωL解耦模块的输入端；
q轴电流反馈值Iq输入第二个ωL解耦模块的输入端。
d轴电压反馈值ed、第二个ωL解耦模块的输出端结果和第一个PI控制器的输出端结果输入第三个比较单元的输入端；
所述第三个比较单元先对d轴电压反馈值ed和第二个ωL解耦模块的输出端结果求和值，再将和值与第一个PI控制器的输出端结果求差值，最后从第三个比较单元输出d轴输出Ud；
q轴电压反馈值eq、第一个ωL解耦模块的输出端结果和第二个PI控制器的输出端结果输入第四个比较单元的输入端；
所述第四比较单元先对q轴电压反馈值eq和第一个ωL解耦模块的输出端结果求差值，再将差值与第二个PI控制器的输出端结果求差值，最后从第四个比较单元输出q轴输出Uq；
所述d轴输出Ud输入sinωt解耦模块的输入端；
所述q轴输出Uq输入cosωt解耦模块的输入端；
所述sinωt解耦模块的输出端结果和cosωt解耦模块的输出端结果输入第五个比较单元进行求和运算，输出调制电压US。
网压中断时，为了维持四象限变流器直流侧输出电压稳定，四象限变流器控制器控制电压环的输出增大，即d轴电流给定值Id-ref增大。同时，四象限变流器交流侧电流IS接近于零，以d轴为有功轴，IS经过坐标变换得到的d轴电流反馈值Id近似为零。依据网压中断时，Id-ref增大和Id近似为零的特征，得到网压中断的检测条件：|Id-ref|＞k1且|Id|＜k2。
如图5所示，本发明提供的网压中断检测方法按流程图过程进行检测。列车空载启动的过程中，四象限变流器建立直流电压，电压环的输出满足|Id-ref|＞k1的条件，由于四象限变流器空载运行，因此交流侧电流IS接近于零，满足|Id|＜k2的条件。在列车空载启动的过程中，网压中断检测可能发生误动作，因此网压中断检测增加了对列车状态进行判断的启动条件。
四象限变流器在工况转变时(由整流工况变为逆变工况或由逆变工况变为整流工况)，Id的值在正负变化的过程中经过零值，满足|Id|＜k2的条件，四象限变流器工况转变时，网压中断检测可能发生误动作，因此网压中断检测增加了对Id-ref正负是否发生变化进行判断的启动条件。
如图5中所示，判断系统状态为运行：如果是运行状态，即前述检测到四象限变流器正常工作，则进行以下步骤；否则，继续判断系统状态。并采用变化的计数器t1进行计数，设定常数count1，当t1>count1时，即对系统状态判断count1+1次，系统状态仍为运行，则判断系统状态确实为运行。如果在其中的某次判断中，发现系统状态不是运行，则计数器t1清零，重新对系统状态进行判断。
同理，对id-ref(k)*id-ref(k-1)≥0的条件进行判断，并采用变化的计数器t2进行计数，设定常数count2，当t2>count2时，即对id-ref(k)*id-ref(k-1)≥0的条件判断count2+1次，仍符合id-ref(k)*id-ref(k-1)≥0的条件，则判断确实满足id-ref(k)*id-ref(k-1)≥0的条件。如果在其中的某次判断中，发现不满足id-ref(k)*id-ref(k-1)≥0的条件，则计数器t2清零，重新对id-ref(k)*id-ref(k-1)≥0的条件进行判断。
当对系统状态判断count1+1次，系统状态仍为运行，且对id-ref(k)*id-ref(k-1)≥0的条件判断count2+1次，仍符合id-ref(k)*id-ref(k-1)≥0的条件，则对|Id-ref|＞k1且Id|＜k2的条件进行判断，如果符合，则判断网压中断，进入保护；否则重新判断系统状态是否为运行和是否满足id-ref(k)*id-ref(k-1)≥0的条件。
所述count1和count2的值由动车组列车牵引变流系统的具体参数决定，由实验得到。
显然，本发明的上述实施例的原理阐述仅仅是为清楚地说明本发明所做的举例，而并非是对本发明实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里没有对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
本说明书中未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种四象限变流器控制器，其特征在于，包括：电压环和电流环；
所述电压环包括直流侧电压传感器、比较单元和电压环控制器；
所述比较单元与电压环控制器连接；
所述直流侧电压传感器设置于四象限变流器直流侧，用于实时检测四象限变流器输出的直流电压反馈值Udc；
四象限变流器直流侧输出电压目标值Udc-ref和所述直流电压反馈值Udc输入比较单元进行差值比较，将比较结果输入电压环控制器；
所述电压环控制器输出d轴电流给定值Id-ref；
所述四象限变流器控制器还包括电流传感器、αβ/dq坐标变换模块、交流电压传感器和SPLL模块；
所述电流传感器位于四象限变流器交流侧，且与αβ/dq坐标变换模块连接，用于实时检测四象限变流器交流侧电流IS；
所述交流电压传感器与SPLL模块的一端连接，所述SPLL模块的另一端与αβ/dq坐标变换模块连接；
所述交流电压传感器检测出交流电压，并将交流电压传输至SPLL模块；
所述交流电压传感器设置于牵引变压器一次侧，用于实时检测四象限变流器输出的直流电压；
将所述四象限变流器交流侧电流IS和SPLL模块的输出结果共同输入至αβ/dq坐标变换模块进行坐标变换，输出d轴电流反馈值Id和q轴电流反馈值Iq；
所述电流环包括两个比较单元、电流环控制器一、电流环控制器二和dq/αβ反坐标变换模块；
电流环的第一个比较单元与电流环控制器一的一端连接，电流环控制器一的另一端与dq/αβ反坐标变换模块的输入端连接；
电流环的第二个比较单元与电流环控制器二的一端连接，电流环控制器二的另一端与dq/αβ反坐标变换模块的输入端连接；
所述d轴电流给定值Id-ref和d轴电流反馈值Id输入电流环的第一个比较单元进行差值比较，将比较结果输入电流环控制器一；
所述q轴电流给定值Iq-ref和q轴电流反馈值Iq输入电流环的第二个比较单元进行差值比较，将比较结果输入电流环控制器二；
电流环控制器一输出d轴输出Ud，电流环控制器二输出q轴输出Uq；
所述d轴输出Ud和q轴输出Uq输入dq/αβ反坐标变换模块，进行反坐标变换，输出调制电压US；
所述四象限变流器控制器还包括PWM脉宽调制模块，所述dq/αβ反坐标变换模块的输出端与PWM脉宽调制模块的输入端连接；
所述调制电压US输入PWM脉宽调制模块，PWM脉宽调制模块输出驱动脉冲，用于控制四象限变流器。
2.如权利要求1所述的四象限变流器控制器，其特征在于：所述电压环控制器、电流环控制器一和电流环控制器二均为PI控制器。
3.如权利要求1所述的四象限变流器控制器，其特征在于：所述αβ/dq坐标变换模块采用dq同步旋转坐标系，先建立一个虚拟正交坐标系，然后将交流量通过坐标变换的方式转换到同步旋转的dq坐标系，将交流量转换成d轴和q轴上的直流量。
4.如权利要求1所述的四象限变流器控制器，其特征在于：所述四象限变流器控制器采用DSP控制器的形式。
5.如权利要求1所述的四象限变流器控制器，其特征在于：所述q轴电流给定值Iq-ref为0。
6.一种应用权利要求1-5任一权利要求所述的四象限变流器控制器进行网压中断判断的方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、检测四象限变流器的工作状态；
B、当检测到四象限变流器正常工作，对d轴电流给定值Id-ref进行检测采样；
所述检测到四象限变流器正常工作为：采用直流侧电压传感器检测到四象限变流器输出的直流电压保持为给定的恒定工作电压；
所述直流侧电压传感器设置于动车组列车牵引变流系统；
假设上一检测采样周期d轴电流给定值为id-ref(k-1)，本检测采样周期d轴电流给定值为id-ref(k)；
当id-ref(k)*id-ref(k-1)≥0时，进行步骤C；
C、假设d轴电流反馈值为Id，当同时满足式(1)和式(2)时，则判断此时列车的网压中断，
|Id-ref|＞k1 (1)
|Id|＜k2 (2)
其中，k1为d轴电流给定值Id-ref的保护阈值，k2为d轴电流反馈值Id的保护阈值；所述k1的取值范围和k2的值由实验确定，具体过程如下：
列车从启动状态进入正常工作状态；当网压中断发生后，四象限变流器控制器中的电流环控制器一将迅速处于饱和状态，αβ/dq坐标变换模块输出的d轴电流反馈值Id的数值最大，为Id-max；
所述k1值的取值范围为0～Id-max；
当列车空载启动时，四象限变流器建立直流电压，四象限变流器交流侧电流IS接近于零，通过四象限变流器控制器中的αβ/dq坐标变换模块输出的d轴电流反馈值Id确定为k2的值。
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