CN109193795B - 动车组并联辅助变流器同步软启动组网控制策略 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动车组并联辅助变流器同步软启动组网控制策略，即首台辅助变流器投入母线时，非首台辅助变流器在首台幅值软启动过程中同步完成组网并网。具体方案为：快速组网逻辑、母线快速跟踪逻辑和PQ下垂控制策略，其中快速组网逻辑包括首台和非首台辅助变流器识别，母线快速跟踪逻辑包括相位、频率跟踪和幅值跟踪，PQ下垂控制策略包括引入修正系数K。一种动车组辅助变流器同步软启动组网控制策略,可实现在动车组紧急牵引模式下，辅助变流器的快速可靠自动组网；在动车组网络正常模式下，可明显缩短组网时间。因此，本发明可确保动车组在各种工况下，都可以在规定时间完成启动，为动车组的稳定、可靠运行提供有力保证。

Description

动车组并联辅助变流器同步软启动组网控制策略
技术领域
本发明涉及动车组变流器组网技术领域，尤其涉及一种动车组并联辅助变流器同步软启动组网控制策略。
背景技术
目前，中国批量应用的CRH1/CRH3型动车组、新研制的中国标准动车组都采用了辅助变流器输出并联冗余的策略，动车组辅助变流器输出并联的要求是：先完成并联组网，然后进行负载加载。
1)网络正常模式
组网策略为：网络引导、控制一台辅助变流器作为首台，闭合输出接触器，建立好母线三相电后，再由网络引导其他辅助变流器依次并入交流母线。即先建立首台，后依次并入组网。
2)紧急牵引模式
从动车可靠运行角度，新设计的动车组都提出了：网络故障时，动车组仍需低限速运行至邻近站点，即紧急牵引模式。紧急牵引模式下，网络故障，无法引导动车组辅助变流器完成有序组网，需辅助变流器自主完成无网络引导的自动组网过程。
正常模式时，动车组升弓后，经牵引变压器隔离降压，输入牵引变流器的四象限整流单元工作，向辅助变流器提供直流电压。如辅助变流器不能在规定的时间内完成组网，牵引变流器将会因冷却单元不工作(无三相交流电源)，散热片超温故障，受电弓降弓断主断(受电弓降落，主断路器断开)，动车组启动失败。因而，全列辅助变流器需在规定的有限时间内快速完成并联组网(一般升受电弓后15s)，给整车三相负载供电。
紧急牵引时，无网络引导，而整车会在预设的时间内完成负载投入。此时，辅助变流器的组网过程相当于盲启动，为了在有限时间内快速完成组网，会出现争首台情况，即多台同为首台一起投入母线情形发生，此时，因多台同为首台的辅助变流器投入母线的输出电压幅值、相差差异大，多台辅助变流器会处于被整流状态，导致支撑电容过压或输出过流，多台辅助变流器报故障退网，此时整车负载已经投入，留在母线上的辅助变流器会因数额少、容量有限(故障辅助变流器再次投入需要时间)，最终也会因负载过流停机，导致动车组启动失败。
综上，动车组的正常运行，要求辅助变流器必须具备：
1)正常模式下，能快速完成输出并联组网。
2)紧急牵引模式下，能快速、自动完成无网络引导的并联组网。
发明内容
本发明针对上述的动车组启动过程分析，提出一种动车组并联辅助变流器同步软启动组网控制策略，以缩短网络正常时的辅助变流器组网时间，可靠完成无网络引导时的自动组网，保证动车组辅助变流器在各种工况下，都可以在限定时间内快速可靠完成并联组网，为整车及时可靠提供三相交流电，保证动车组的可靠性启动和运行。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种动车组并联辅助变流器同步软启动组网控制策略，包括以下内容：
快速组网逻辑：软起动时，通过快速组网逻辑判断当前辅助变流器是否为首台接入辅助变流器，若是，则执行首台辅助变流器入网逻辑，若否，则执行非首台辅助变流器入网逻辑；
母线快速跟踪策略：根据快速组网逻辑识别首台与非首台辅助变流器，若为首台辅助变流器，则闭合输出接触器，电压闭环幅值软启动，采用第一套PI参数调节首台辅助变流器入网电压；判断入网后输出电压是否在设置的规定范围内，若是则切换PID控制策略，采用第三套PI调节参数调节辅助变流器入网后的电压；
若为非首台辅助变流器，不执行幅值软启动，采用第二套PI参数调节非首台辅助变流器输出电压以快速追踪母线电压幅值，判断母线电压幅值是否满足入网要求，若是则闭合输出接触器，快速完成组网；而后判断输出电压幅值是否在设置的规定范围内，若是则切换PID控制策略，采用第三套PI调节参数调节辅助变流器入网后的电压。
优选的，所述快速组网逻辑具体步骤包括：
ss1：检测辅助变流器闭合支路输出接触器前母线电压是否超过设定的首台辅助变流器电压阈值，若否，则识别为首台辅助变流器，执行首台辅助变流器入网逻辑，即执行步骤ss2；若是，则识别为非首台辅助变流器，执行非首台辅助变流器入网逻辑，即执行步骤ss3；
ss2：发出闭合输出接触器命令，直至检测到输出接触器闭合反馈；判断接收到输出接触器闭合反馈前是否检测到母线电压大于阈值电压，若是，则切换为非首台辅助变流器启动，转入步骤ss3；若否，则首台辅助变流器入网启动完成；
ss3：非首台辅助变流器跟踪母线电压，判断输出接触器前自身输出电压与母线电压在幅值、频率、相位上的偏差是否在设置的偏差范围，若是，则发出输出接触器闭合命令，闭合输出接触器，完成非首台辅助变流器入网启动；否则重新执行步骤ss3。
优选的，首台辅助变流器阈值电压Ud的设定方法为：
根据：
Ualpha＝2/3*(Ua-Ub/2-Uc/2)
Figure GDA0002655620550000031
Figure GDA0002655620550000032
将以上公式联立，求解首台辅助变流器阈值电压Ud，其中Ud由采样获取的辅助变流器输出的三相电压值Ua、Ub、Uc，经过等幅值3/2变换，产生Ualpha、Ubeta，再计算获得，Ud可在单个开关周期内计算。
优选的，AC380V母线首台辅助变流器电压阈值Ud取50V。
优选的，所述母线快速跟踪策略进一步包括相位、频率跟踪，采用软件锁相算法，快速跟踪母线电压的相位、频率。
优选的，所述的动车组并联辅助变流器同步软启动组网控制策略进一步包括PQ下垂组网控制策略：入网后，通过PQ下垂控制策略，快速实现辅助变流器在软启动过程中的并联均流。
优选的，所述PQ下垂组网控制策略的方法为：
在下垂系数中引进修正系数K，运用下列公式运算，即：
K＝(V/V*)2
Figure GDA0002655620550000041
其中，V为当前幅值闭环控制的给定目标值，f为系统目标频率，V*为当前辅助变流器的实时输出检测电压值，f0、V0为系统输入控制变量，P、Q为输出有功、无功功率分量，kp、kQ为下垂控制系数，其取值与具体数学模型相关。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
(1)根据快速组网逻辑中的首台阈值设定、首台辅助变流器切换非首台辅助变流器，可快速识别首台与非首台辅助变流器，实现快速组网，并可在应对在多台同为首台极端工况下实现首台切换非首台辅助变流器，以最大程度减小并联入网冲击，保证可靠组网。
(2)幅值跟踪策略，可实现非首台辅助变流器入网前的母线电压幅值快速跟踪，有力保证非首台辅助变流器的快速入网。
(3)PQ下垂控制策略，有效解决了传统PQ下垂控制在启动过程中均流作用弱的问题，引入了修正系数K，大大增强了PQ下垂作用，快速实现软启动过程中的并联均流控制，拓宽了并联下垂的均流控制范围，可靠保证了软起中快速组网的完成。
(4)在动车组正常模式(网络正常)下，可以保证辅助变流器在幅值软启动过程中即可实现并联，快速完成组网，相对于一般组网逻辑，可至少缩短组网时间50％。
(5)在动车组紧急牵引模式(网络故障)下，可以保证辅助变流器可靠完成无网络引导的自动组网。
(6)在动车组紧急牵引模式(网络故障)下，可以保证辅助变流器快速组网，实现首台幅值软启动过程中完成并联组网，可明显缩短组网时间。
(7)可保证动车组在各种工况下，都可以在规定时间完成启动加载，为动车组的稳定、可靠运行提供有力保证。
附图说明
图1为本发明动车组并联辅助变流器拓扑图；
图2为本发明的快速组网逻辑框图；
图3为本发明母线快速跟踪策略逻辑框图；
图4为传统PQ下垂控制策略输出波形图；
图5为本发明新型PQ下垂控制输出波形图；
图6为一般组网策略的输出波形图；
图7为本发明新型组网策略网络正常模式下输出波形图；
图8为实施例2输出波形图；
图9实施例3输出波形图；
图10实施例3极端工况输出波形图。
具体实施方式
下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
在本发明的描述中，需要说明的是，此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
参见附图1、2、3，本发明提供了一种动车组并联辅助变流器同步软启动组网控制策略，即在辅助变流器并联系统中，首台辅助变流器投入母线时，其他非首台辅助变流器不需要等待母线建立好母线电压，在首台辅助变流器软起过程中完成组网并网。含有以下步骤：
(1)快速组网逻辑：软起动时，通过快速组网逻辑判断当前辅助变流器是否为首台接入辅助变流器，若是，则执行首台辅助变流器入网逻辑，若否，则执行非首台辅助变流器入网逻辑；
具体包括以下步骤：
ss1：检测辅助变流器闭合支路输出接触器前母线电压是否超过设定的首台辅助变流器电压阈值，若否，则识别为首台辅助变流器，执行首台辅助变流器入网逻辑，即执行步骤ss2；若是，则识别为非首台辅助变流器，执行非首台辅助变流器入网逻辑，即执行步骤ss3；
ss2：发出闭合输出接触器命令，直至检测到输出接触器闭合反馈；判断接收到输出接触器闭合反馈前是否检测到母线电压大于阈值电压，若是，则切换为非首台辅助变流器启动，转入步骤ss3；若否，则首台辅助变流器入网启动完成；
ss3：非首台辅助变流器跟踪母线电压，判断输出接触器前自身输出电压与母线电压在幅值、频率、相位上的偏差是否在设置的偏差范围，若是，则发出输出接触器闭合命令，闭合输出接触器，完成非首台辅助变流器入网启动；否则重新执行步骤ss3。
本实施例中首台辅助变流器阈值电压Ud的设定方法为：
根据：
Ualpha＝2/3*(Ua-Ub/2-Uc/2)
Figure GDA0002655620550000061
Figure GDA0002655620550000062
将以上公式联立，求解首台辅助变流器阈值电压Ud，其中Ud由采样获取的辅助变流器输出的三相电压值Ua、Ub、Uc，经过等幅值3/2变换，产生Ualpha、Ubeta，再计算获得，Ud可在单个开关周期内计算。
首台辅助变流器阈值需要设置合理，阈值设置过低，母线有干扰时，辅助变流器都会错误识别自己为非首台辅助变流器，导致母线不会出现首台辅助变流器，组网失败；阈值设置过高时，多台辅助变流器都会识别自己为首台情况，即出现多台均为首台投入母线工况，容易引发组网过程辅助变流器故障退网。首台电压阈值设置需要结合实际运行工况调整确定，一般AC380V母线，阈值Ud设置为50V。
(2)母线快速跟踪策略:通过母线快速跟踪策略，非首台辅助变流器快速跟踪母线电压幅值、相位、频率，快速完成组网；具体包括以下步骤：
s1:根据快速组网逻辑识别首台与非首台辅助变流器，若为首台辅助变流器执行步骤s2，否则执行步骤s3；
s2:闭合输出接触器，电压闭环幅值软启动，采用第一套PI参数调节首台辅助变流器入网电压；判断入网后输出电压是否在设置的规定范围内，若是则切换PID控制策略，采用第三套PI调节参数调节辅助变流器入网后的电压；
s3:若为非首台辅助变流器，不执行幅值软启动，采用第二套PI参数调节非首台辅助变流器输出电压以快速追踪母线电压幅值，判断母线电压幅值是否满足入网要求，若是则闭合输出接触器，快速完成组网；而后判断输出电压幅值是否在设置的规定范围内，若是则切换PID控制策略，采用第三套PI调节参数调节辅助变流器入网后的电压。
本实施例采用三套PI控制策略，第一套PI控制参数调节用于首台辅助变流器启动入网时的电压控制，此时辅助变流器电压变化明显，辅助变流器入网后电压变化幅度减小，因此需要切换PID控制，采用第三套PI参数平滑调节输出电压；第二套PI参数用于调节非首台辅助变流器启动入网时的电压控制。
本实施例中同时采用软件锁相算法，快速跟踪母线电压的相位、频率。
辅助变流器入网后，需要进一步优化控制，本发明在传统PQ下垂控制策略的基础上进行改进，提出了一种改进的PQ下垂组网控制策略。
(3)PQ下垂组网控制策略：辅助变流器入网后，通过PQ下垂控制策略，快速实现辅助变流器在软启动过程中的并联均流。具体方法为：
在传统PQ下垂控制策略的下垂系数中引进修正系数K，传统下垂控制策略：
Figure GDA0002655620550000071
如附图4所示，CH1代表第一台辅助变流器的一路输出线电压，CH2代表第二台辅助变流器的同路输出线电压，CH3代表第二台辅助变流器的输出电流。按上述传统下垂控制策略，此时的U*I值，即PQ下垂量作用很弱，难以实现并联均流控制目的，易导致均流控制不好，其中第一台辅助变流器处于被整流状态，而导致其输出过流或中间母线电压过高，最终致使并联失败,因而，传统PQ下垂控制策略，一般不应用于软启动并联过程。
引入修正系数K：
K＝(V/V*)2
Figure GDA0002655620550000081
上述公式联立，求解系统目标频率f与目标电压V。其中，V为当前幅值闭环控制的给定目标值，f为系统目标频率，V*为当前辅助变流器的实时输出检测电压值，f0、V0为系统输入控制变量，P、Q为输出有功、无功功率分量，kp、kQ为下垂控制系数，其取值与具体数学模型相关。
如附图5所示，CH1代表第一台辅助变流器的一路输出线电压，CH2代表第二台辅助变流器的同路输出线电压，CH3代表第二台辅助变流器的输出电流。按PQ下垂控制策略，在传统PQ下垂控制策略的下垂系数中引入修正系数K(K>1)，K为时变系数，与当前辅助变流器的实时输出检测电压值V*相关，V*越小，K值越大；当应用于幅值软启动过程中并联时，因引入的修正系数K，大大增强了此时的PQ下垂作用，可快速实现并联均流控制，保证了幅值软启动过程的并联组网正常完成。随着辅助变流器的实时输出检测电压值V*的增加，修正系数同步减弱，考虑V*偏差，当辅助变流器的实时输出检测电压值V*达到母线电压要求范围时进入PID后，修正系数作用取消，令K取1，恢复传统PQ下垂控制策略。
本实施例中，在紧急牵引模式时，多台辅助变流器同时识别为首台辅助变流器，辅助变流器发出闭合输出接触器命令时，在还没有完成闭合动作前，检测到母线出现电压，则首台辅助变流器立即切换到非首台。
实施例1
网络正常模式：
1、一般并联组网策略：首台辅助变流器输出建立好母线电压，然后非首台辅助变流器依次锁相并入母线电网。
如附图6所示，为一般组网策略启动过程测试波形。其中，CH1为首台辅助变流器输出的一路线电压，CH2为非首台辅助变流器的同路线电压，CH3为非首台辅助变流器的并联输出电流。可以看出：
1)辅助变流器的启动，为子弹头式的幅值软启动过程，启动时间为2s。
2)非首台辅助变流器并入，需满足并网条件：电压幅值、频率和相位与母线电压偏差在设定的偏差范围。一般非首台并入幅值软启动过程，会同步执行锁相过程，从而非首台辅助变流器最少入网时间为幅值软启动时间。
3)极端考虑，一般组网策略需要的时间至少为首台辅助变流器建网时间与其余非首台辅助变流器一起入网时间，即至少为2+2＝4s，实际执行，因有网络引导依次并入组网，所需组网时间将会更长。
2、本发明同步软启动组网控制策略：首台辅助变流器投入母线时，非首台辅助变流器在首台辅助变流器幅值软启动过程中完成组网。
(1)软启动时，变流器通过快速组网逻辑识别首台辅助变流器与非首台辅助变流器启动；
(2)通过母线快速跟踪策略，非首台辅助变流器跟踪母线电压幅值、相位、频率；
(3)入网后，通过PQ下垂控制策略，实现辅助变流器软启动过程中的并联均流。
如附图7所示，为本发明同步启动组网控制策略启动过程测试波形。其中，CH1为首台辅助变流器输出的一路线电压，CH2为非首台辅助变流器的同路线电压，CH3为非首台辅助变流器的并联输出电流。可以看出：
1)CH3显示在305ms有并联充电电流，即非首台在首台启动约305ms时完成并联入网，并联组网过程在幅值软启动过程中完成。
2)因而，极端考虑，本发明组网策略需要时间至少为首台建立母线电压时间，即2s，相对一般组网策略节省时间50％。
实施例2
工况1:紧急牵引模式下，软起中首台辅助变流器和非首台辅助变流器并联。
1)软起动中，非首台通过快速组网逻辑执行母线电压跟踪；
2)通过母线快速跟踪策略完成对首台母线电压幅值、相位、频率的快速跟踪；
3)入网后，通过PQ下垂控制策略，快速实现软启动过程中的并联均流。
如附图8所示，CH1为首台输出的一路线电压，CH2为非首台的同路线电压，CH3为非首台的并联输出电流。在工况1下，通过本发明的组网策略，可保证组网在软启动中完成，工况1的组网时间为首台的软启动时间，不需额外组网时间。
实施例3
工况2：紧急牵引模式下，多台辅助变流器同为首台辅助变流器。
1)相对滞后的一台辅助变流器，在首台闭合至母线时，通过快速组网逻辑，迅速切换至非首台辅助变流器；
2)通过母线快速跟踪策略，在接触器机械延时到达前，最大程度逼近母线电压幅值、频率和相位；
3)入网后，通过PQ下垂控制策略，快速实现软启动过程中的并联均流。
如附图9所示，CH1代表第一台辅助变流器的一路输出线电压，CH2代表第二台辅助变流器的同路输出线电压，CH3代表第二台辅助变流器的输出电流。两台辅助变流器都识别为首台时，因输出接触器动作有40ms左右的机械动作延时，当辅助变流器发出闭合输出接触器命令后，但还没有完成闭合动作前，检测到母线出现电压，则立即切换至非首台辅助变流器，但不中断此时的输出接触器动作过程，利用剩余机械延时，快速进行电压幅值、相位、频率的调整，以最大程度去追踪母线，减小并网时刻与母线电压在幅值、相位、频率上的差值，减小入网的电流冲击，保证并网的可靠完成。
极端工况，如附图10所示，CH1代表第一台辅助变流器的一路输出线电压，CH2代表第二台辅助变流器的同路输出线电压，CH3代表第二台辅助变流器的输出电流。首台辅助变流器之前的时间差接近0s，这时，因为首台阈值的合理设定，加上输出接触器动作有40ms左右机械延时，入网时辅助变流器的电压幅值不会过高，最终通过PQ下垂控制策略作用，能够快速抑制大的电压幅值、相差导致的环流，实现均流控制，保证组网完成。工况2下，通过本发明的组网策略，组网时间仅为首台的软启动时间，不需额外组网时间。
实施例4
工况3：紧急牵引模式下，首台辅助变流器建立好母线，非首台辅助变流器并入。
上述工况的发生，可能是由首台牵引变流器的中间电压产生过早导致，此时本发明的组网控制策略与一般组网控制策略的组网时间相同，同实施例1所示。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种动车组并联辅助变流器同步软启动组网控制策略，其特征在于，包括：
快速组网逻辑：软起动时，通过快速组网逻辑判断当前辅助变流器是否为首台接入辅助变流器，若是，则执行首台辅助变流器入网逻辑，若否，则执行非首台辅助变流器入网逻辑；
母线快速跟踪策略：根据快速组网逻辑识别首台与非首台辅助变流器，若为首台辅助变流器，则闭合输出接触器，电压闭环幅值软启动，采用第一套PI参数调节首台辅助变流器入网电压；判断入网后输出电压是否在设置的规定范围内，若是则切换PID控制策略，采用第三套PI调节参数调节辅助变流器入网后的电压；
若为非首台辅助变流器，不执行幅值软启动，采用第二套PI参数调节非首台辅助变流器输出电压以快速追踪母线电压幅值，判断母线电压幅值是否满足入网要求，若是则闭合输出接触器，快速完成组网；而后判断输出电压幅值是否在设置的规定范围内，若是则切换PID控制策略，采用第三套PI调节参数调节辅助变流器入网后的电压。
2.根据权利要求1所述的动车组并联辅助变流器同步软启动组网控制策略，其特征在于，所述快速组网逻辑具体步骤包括：
ss1：检测辅助变流器闭合支路输出接触器前母线电压是否超过设定的首台辅助变流器电压阈值，若否，则识别为首台辅助变流器，执行首台辅助变流器入网逻辑，即执行步骤ss2；若是，则识别为非首台辅助变流器，执行非首台辅助变流器入网逻辑，即执行步骤ss3；
ss2：发出闭合输出接触器命令，直至检测到输出接触器闭合反馈；判断接收到输出接触器闭合反馈前是否检测到母线电压大于阈值电压，若是，则切换为非首台辅助变流器启动，转入步骤ss3；若否，则首台辅助变流器入网启动完成；
ss3：非首台辅助变流器跟踪母线电压，判断输出接触器前自身输出电压与母线电压在幅值、频率、相位上的偏差是否在设置的偏差范围，若是，则发出输出接触器闭合命令，闭合输出接触器，完成非首台辅助变流器入网启动；否则重新执行步骤ss3。
3.根据权利要求2所述的动车组并联辅助变流器同步软启动组网控制策略，其特征在于,首台辅助变流器阈值电压Ud的设定方法为：
根据：
Ualpha＝2/3*(Ua-Ub/2-Uc/2)
Figure FDA0002655620540000021
Figure FDA0002655620540000022
将以上公式联立，求解首台辅助变流器阈值电压Ud，其中Ud由采样获取的辅助变流器输出的三相电压值Ua、Ub、Uc，经过等幅值3/2变换，产生Ualpha、Ubeta，再计算获得，Ud可在单个开关周期内计算。
4.根据权利要求3所述的动车组并联辅助变流器同步软启动组网控制策略，其特征在于,AC380V母线首台辅助变流器电压阈值Ud取50V。
5.根据权利要求1所述的动车组并联辅助变流器同步软启动组网控制策略，其特征在于，所述母线快速跟踪策略进一步包括相位、频率跟踪，采用软件锁相算法，快速跟踪母线电压的相位、频率。
6.根据权利要求1所述的动车组并联辅助变流器同步软启动组网控制策略，其特征在于，进一步包括PQ下垂组网控制策略：入网后，通过PQ下垂控制策略，快速实现辅助变流器在软启动过程中的并联均流。
7.根据权利要求6所述的动车组并联辅助变流器同步软启动组网控制策略，其特征在于，所述PQ下垂组网控制策略的方法为：
在下垂系数中引进修正系数K，运用下列公式运算，即：
K＝(V/V*)2
Figure FDA0002655620540000023
其中，V为当前幅值闭环控制的给定目标值，f为系统目标频率，V*为当前辅助变流器的实时输出检测电压值，f0、V0为系统输入控制变量，P、Q为输出有功、无功功率分量，kp、kQ为下垂控制系数，其取值与具体数学模型相关。
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