CN109390947A - 单相pwm整流器网侧电压控制系统及方法、牵引控制系统 - Google Patents

单相pwm整流器网侧电压控制系统及方法、牵引控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种单相PWM整流器的网侧电压控制系统及控制方法，包括网络信息接口单元、角度逻辑判断单元、角度控制运算单元以及网侧电压锁相控制单元和PWM比较发生单元；网络信息单元接收列车车辆总线发送的各牵引动力单元的状态信息，通过角度逻辑判断单元给定载波移相角目标值，通过基于二阶广义积分器的PLL计算网侧电压相位瞬时值，通过角度控制单元实时计算得出PWM的载波周期值，PWM比较发生模块通过调整载波的周期值，保证载波与网侧电压信号之间固定的相位关系，最终实现全列各PWM整流器并联模块的载波相位均分角度π。本发明载波移相角度给定判断简单，能在动车组部分单元故障切除的情况下快速调整列车角度分配，实时动态调节，调节精度高。

Description

单相PWM整流器网侧电压控制系统及方法、牵引控制系统
技术领域
本发明属于电力控制系统技术领域，尤其涉及一种单相PWM整流器网侧电压控制系统及方法、牵引控制系统。
背景技术
PWM整流器是PWM控制技术的高功率因数整流器。由于电力电子装置和非线性负载的广泛应用，电力系统中的谐波成分大量增加，进而导致电流波形畸变、电路的功率因数降低，严重影响了电网的电能质量。PWM整流器通过对网侧电流进行控制，可以使输入的网侧电流正弦化并与输入的网侧电压同相位变化，使得整流电路运行在单位功率因数状态下，有效提高了电能质量。
以动车组牵引系统为例，动车组牵引系统包括单相PWM整流器、中间直流环节和牵引逆变器三个功能模块。单相PWM整流器实现将网侧单相交流电源整流为直流，通常采用双整流模块并联的形式。为了减小牵引网侧的谐波电流，改善网侧电压，避免发生供电系统与牵引系统的耦合震荡，单相PWM整流器的控制需要采用载波移相技术，利用移相叠加改善网侧波形质量。
载波移相角度的给定通常需要接收列车是否重联的主从车信号，实现方式复杂；载波调制需要在共同参考点调整载波。其中一种方式是在各牵引控制系统间增加辅助硬线，根据硬线上的电平跳转同时调整载波，此方法增加了动车组整车配线的复杂程度，另一种方式是商定在牵引网供电电压的过零点调整载波，此方法调节精度差，调节过程不够平滑。因而提出一种新的载波移相角控制方法，不需要动车组列车重联时的主从车信息，角度给定判断简单，能在动车组部分单元故障切除的情况下快速调整列车角度分配是十分必要的。
发明内容
本发明在上述不足的基础上提供了一种单相PWM整流器网侧电压控制系统，包括主处理器、DSP数字处理器和FPGA，主处理器包括网络信息接口单元、角度逻辑判断单元；DSP数字处理器包括角度控制运算单元；FPGA包括网侧电压锁相单元和PWM比较发生单元；
所述角度逻辑判断单元与网络信息接口单元连接，获取网络信息接口数据，并通过逻辑判断给定网侧电压控制系统的载波移相角目标值；
所述网侧电压锁相单元对网侧电压相位进行锁定，为角度控制运算单元提供网侧电压相位瞬时值；
所述角度控制运算单元与角度逻辑判断单元、网侧电压锁相单元连接，获取角度逻辑判断单元给定的载波移相角目标值指令和网侧电压锁相单元给定的网侧电压相位瞬时值信息，通过DSP数字处理器实时计算得出PWM载波周期值，调整载波移相角度；
所述PWM比较发生单元与角度控制运算单元连接，接收角度控制运算单元的载波周期值指令，使载波与网侧电压信号之间保持固定的相位关系，实现全列各PWM整流器并联模块的载波相位均分角度π，产生载波与脉冲调制信号。
优选的，所述角度控制运算单元包括网压相位目标值计算模块，所述网压相位目标值计算模块根据载波移相角目标值指令计算出选定的载波标志点处的网侧电压相位目标值。
优选的，所述角度控制运算单元还包括比例积分控制模块，所述比例积分控制模块根据载波标志点的网侧电压相位目标值和网侧电压相位瞬时值，进行PI控制，调整PWM载波周期值。
优选的，所述网侧电压锁相单元通过基于二阶广义积分器的单相数字锁相环计算网侧电压相位瞬时值。
一种牵引控制系统，包括单相PWM整流器、牵引控制单元，采用所述的单相PWM整流器网侧电压控制系统，所述网络信息接口单元与牵引网络系统连接，网络信息接口单元接收列车车辆总线发送的各单相PWM整流器的状态信息。
一种单相PWM整流器网侧电压控制方法，采用所述的牵引控制系统，包括以下步骤：
计算载波移相角目标值θANG_ref；
计算网侧电压相位瞬时值θ；
选定载波标志点，计算网侧电压相位目标值θAIM；
计算载波周期值TANG，调整实现载波移相角θANG跟踪载波移相角目标值θANG_ref，控制网侧电压相位瞬时值θ跟踪网侧电压相位目标值θAIM。
优选的，所述计算载波移相角目标值θANG_ref的方法为：
S1：判断各车牵引状态及自身位置：判断使能在线的单相PWM整流器总数和其相应牵引控制单元在牵引控制系统中的位置信息；
S2：根据S1中使能在线的单相PWM整流器总数和其相应牵引控制单元在牵引控制系统中的位置信息查表求出载波移相角θANG；
S3：判断求出的载波移相角θANG与系统上次保存载波移相角θLast_ANG是否变化，若变化，延时给定新的载波移相角度目标值，即θANG_ref＝θANG；若不变，保持原有的载波移相角，即θANG_ref＝θLast_ANG；
S4：判断网络通信及硬线状态，给定载波移相角目标值θANG_ref。
优选的，所述步骤S4判断网络通信及硬线状态，得出载波移相角目标值θANG_ref的方法为：判断网络的车辆通信状态是否正常，若正常，给定步骤S3中的载波移相角目标值；若网络通信异常，牵引控制系统根据自身硬件的高低电平信号状态判断重新给定载波移相角度目标值。
优选的，所述计算网侧电压相位瞬时值θ的方法为：通过基于二阶广义积分器的单相数字锁相环将网侧电压信号分解到静止正交坐标系，计算网侧电压相位瞬时值，其中静止坐标系α轴与β轴的传递函数公式为：
式中b0、b1、a1、a2、x、y为计算系数，即：
其中，ω0为二阶广义积分器的谐振角频率，Ts为离散采样时间。
优选的，计算网侧电压相位目标值θAIM的方法为：选定载波周期中断点为载波标志点，根据：
θAIM＝x×2π/k+(1-θANG_ref/π)×π/k
求解载波标志点处的网压相位目标值θAIM；
其中，x为该载波标志点在一个工频网压周期中的序号，k为一个工频网压周期中的载波个数，即k为开关频率与工频网压频率的比值，x∈(1～k)，θANG_ref为单相PWM整流器的载波移相角目标值。
优选的，计算载波周期值TANG，调整实现载波移相角θANG跟踪载波移相角目标值θANG_ref，控制网侧电压相位瞬时值θ跟踪网侧电压相位目标值θAIM的方法为：根据载波标志点的网侧电压相位目标值θAIM和网侧电压相位瞬时值θ，进行PI控制，逐步调整载波周期值，使载波与网侧电压信号之间保持固定的相位关系，进而调整载波的移相角度，实现全列各PWM整流器并联模块的载波相位均分角度π。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本发明的牵引控制系统能实时接收多功能车辆总线的数据，通过逻辑判断列车使能的单相PWM整流器总数及被控单相PWM整流器的自身序号，进而给定载波移相角度目标值；选取网侧电压信号为各牵引控制单元的公共参考目标，通过数字锁相环获得网侧电压相位信息，通过比例积分控制算法实时调整载波的周期值，通过调整载波周期值达到载波移相角度跟踪的目的，不需要增加车辆硬线，并且跟踪速度快，能做到实时调整。
(1)本发明的载波移相角度给定逻辑判断方法，给出了一种列车多功能车辆总线发送各单相PWM整流器状态信息的解决方案，不需要多功能车辆总线单独发送主从车信号，在列车重联、牵引动力单元单个或者多个故障以及网络通信功能失效等多种工况下能正确调整载波移相角度给定值，方便简单，通用性强。
(2)本发明选定网侧电压为公共参考，控制载波标志点的网压相位跟踪目标值，通过各PWM整流器模块跟踪不同的网压相位目标值实现各载波移相角度实时跟踪。
(3)本发明载波标志点处的网侧电压相位目标值给定方法，利用比例积分控制逐步调整载波周期值，进而调整载波移相角度，计算频率与载波频率一致，能够实现实时调整，不需要其他触发条件。
(4)本发明所述网侧电压数字锁相环(PLL)单元采用基于二阶广义积分器的解耦算法实现，不需要增加外部硬件电路且相位跟踪快速准确。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为本发明的角度给定逻辑流程图；
图3为本发明的载波标志点选定示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的描述。
本发明以动车组牵引控制系统为例，基于动车组牵引控制系统，提供了一种单相PWM整流器的网侧电压控制系统及控制方法。动车组牵引控制系统包括牵引控制单元、单相PWM整流器、中间直流环节和牵引逆变器，牵引控制单元控制其他模块实现不同功能，单相PWM整流器实现将网侧单相交流电源整流为直流，通常采用双整流模块并联的形式。为了减小牵引网侧的谐波电流，改善网侧电压，避免发生供电系统与牵引系统的耦合震荡，单相PWM整流器的网侧电压控制需要采用载波移相技术，利用移相叠加改善网侧波形质量。
参考图1所示，为实现上述目的，本发明在动车组牵引控制系统的牵引控制单元进一步设计了一种单相PWM整流器网侧电压控制系统，用于控制单相PWM整流器的网侧电压，其包括主处理器、DSP数字处理器和FPGA，主处理器包括网络信息接口单元、角度逻辑判断单元；DSP数字处理器包括角度控制运算单元；FPGA包括网侧电压锁相单元和PWM比较发生单元。
网络信息接口单元与牵引网络系统连接，接收列车车辆总线发送的各单相PWM整流器的状态信息，判断使能在线的单相PWM整流器总数及相应的牵引控制单元的位置信息；
本实施例中网络接口单元接收的列车多功能车辆总线发送的各单相PWM整流器的状态信息包括两类，DRINC*_*和TCU*_*,例如动车组列车单列包括n个牵引控制单元，n个单相PWM整流器，最多m列车重联运行，则所需的状态信息为n*m个DRINC*_*和n*m个TCU*_*，DRINCn_m代表第m列的第n个单相PWM整流器使能在线，TCUn_m代表本牵引控制单元位置确认为第m列第n个。网络信息接口单元将以上信息传递到角度给定逻辑单元。
角度逻辑判断单元与网络信息接口单元连接，获取网络信息接口的各单相PWM整流器的状态信息的数据，并通过逻辑判断给定网侧电压控制系统的载波移相角目标值。
网侧电压锁相单元对网侧电压相位进行锁定，为角度控制运算单元提供网侧电压相位瞬时值。网侧电压锁相单元可以采用硬件电路设计或软件锁相，本实施例中网侧电压锁相单元通过基于二阶广义积分器的单相数字锁相环计算网侧电压相位瞬时值。
角度控制运算单元与角度逻辑判断单元、网侧电压锁相单元连接，获取角度逻辑判断单元给定的载波移相角目标值指令和网侧电压锁相单元给定的网侧电压相位瞬时值，通过DSP数字处理器实时计算得出PWM载波周期值，调整载波移相角度。角度控制运算单元包括网压相位目标值计算模块与比例积分控制模块，网压相位目标值计算模块根据载波移相角目标值信息计算出选定的载波标志点处的网侧电压相位目标值；比例积分控制模块根据载波标志点的网侧电压相位目标值和网侧电压相位瞬时值，进行PI控制，调整PWM载波周期值与载波移相角度。
PWM比较发生单元与角度控制运算单元连接，接收角度控制运算单元的载波周期值指令，PWM比较发生模块包括比较器与信号发生器，比较器使载波与网侧电压信号之间保持固定的相位关系，实现全列各PWM整流器并联模块的载波相位均分角度π，信号发生器生成单相PWM整流器载波和脉冲调制信号。
针对动车组牵引控制系统，本发明还提供了一种单相PWM整流器的网侧电压控制方法，包括以下步骤：
(1)计算载波移相角目标值θANG_ref；
参考图2所示，具体包括以下步骤：
S1：判断各车牵引状态及自身位置：初始化各功能模块变量，通过对状态信息DRINC*_*和TCU*_*，判断出使能在线单相PWM整流器总数和其牵引控制单元在动车组牵引控制系统中的位置信息；
S2：根据步骤S1中使能在线的单相PWM整流器状态信息查表求出载波移相角θANG；
全列载波移相角度给定的原则是：所有工作使能的单相PWM整流器的模块均分π，假设工作使能的整流模块数为n,则载波移相角的间隔角度为π/n。同一个PWM整流器的两个并联模块载波移相角度固定差值为π/2，所以全列单相PWM整流器的给定角度均分π/2，可以实现全列所有单相PWM整流器的整流模块均分载波移相角π的目的。
S3：判断求出的载波移相角θANG与系统上次保存载波移相角θLast_ANG是否相同，若不同，延时给定新的载波移相角度目标值，即θANG_ref＝θANG；若相同，保持原有的载波移相角，即θANG_ref＝θLast_ANG；
S4：判断网络的车辆通信状态是否正常，若通信正常，给定步骤S3中的载波移相角目标值；若网络通信异常，牵引控制系统根据自身硬线的高低电平跳转重新给定载波移相角度目标值。
(2)计算网侧电压相位瞬时值θ；
通过PLL对网侧电压信号相位进行锁定，可以采用软件算法或硬件电路锁相，本实施例中采用基于二阶广义积分器的单相数字锁相环计算网侧电压，通过二阶广义积分器将网侧电压信号分解到静止正交坐标系，其α轴与β轴的Z域的传递函数为
式中b0、b1、a1、a2、x、y为计算系数，即：
其中，ω0为二阶广义积分器的谐振角频率，Ts为离散采样时间。
(3)选定载波标志点，计算网侧电压相位目标值θAIM；
参考图3所示，定义载波计数的递增过程为载波的0-π，载波2的相位固定超前载波1相位π/2，选取载波1的周期中断为载波标志点，假设一个工频周期中包括k个载波，即k为开关频率与工频周期的比值，开关频率与载波频率相同，则第x个载波标志点的网侧电压相位目标值公式为：
θAIM＝x×2π/k+(1-θANG_ref/π)×π/k
求解该载波标志点处的网侧电压相位目标值θAIM；其中，x∈(1～k)，θANG_ref为单相PWM整流器的载波移相角目标值。
(4)计算载波周期值TANG，调整载波移相角度θANG，控制网侧电压相位瞬时值θ跟踪网侧电压相位目标值θAIM的方法为：根据载波标志点的网侧电压相位目标值θAIM和网侧电压相位瞬时值θ，进行PI控制，逐步调整载波周期值，使载波与网侧电压信号之间保持固定的相位关系，进而调整载波的移相角度θANG，实现全列各PWM整流器并联模块的载波相位均分角度π。动车组牵引系统总共包含n个单相PWM整流器模块，这n个单相PWM整流器并联模块需均分角度π。
本发明提供的载波移相角给定方法可以满足单列运行与重联以及部分动力单元故障等不同工况的载波移相要求，载波移相角度的实现不需要增加车辆硬线，跟踪速度快，能实时调整载波移相角度。
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 (11)

1.一种单相PWM整流器网侧电压控制系统，其特征在于，包括主处理器、DSP数字处理器和FPGA，主处理器包括网络信息接口单元、角度逻辑判断单元；DSP数字处理器包括角度控制运算单元；FPGA包括网侧电压锁相单元和PWM比较发生单元；
所述角度逻辑判断单元与网络信息接口单元连接，获取网络信息接口数据，并通过逻辑判断给定网侧电压控制系统的载波移相角目标值；
所述网侧电压锁相单元对网侧电压相位进行锁定，为角度控制运算单元提供网侧电压相位瞬时值；
所述角度控制运算单元与角度逻辑判断单元、网侧电压锁相单元连接，获取角度逻辑判断单元给定的载波移相角目标值指令和网侧电压锁相单元给定的网侧电压相位瞬时值信息，通过DSP数字处理器实时计算得出PWM载波周期值，调整载波移相角度；
所述PWM比较发生单元与角度控制运算单元连接，接收角度控制运算单元的载波周期值指令，使载波与网侧电压信号之间保持固定的相位关系，实现全列各PWM整流器并联模块的载波相位均分角度π，产生载波与脉冲调制信号。
2.根据权利要求1所述的单相PWM整流器网侧电压控制系统，其特征在于，所述角度控制运算单元包括网压相位目标值计算模块，所述网压相位目标值计算模块根据载波移相角目标值指令计算出选定的载波标志点处的网侧电压相位目标值。
3.根据权利要求2所述的单相PWM整流器网侧电压控制系统，其特征在于，所述角度控制运算单元还包括比例积分控制模块，所述比例积分控制模块根据载波标志点的网侧电压相位目标值和网侧电压相位瞬时值，进行PI控制，调整PWM载波周期值。
4.根据权利要求1所述的单相PWM整流器网侧电压控制系统，其特征在于，所述网侧电压锁相单元通过基于二阶广义积分器的单相数字锁相环计算网侧电压相位瞬时值。
5.一种牵引控制系统，包括单相PWM整流器、牵引控制单元，其特征在于，采用权利要求1-4所述的单相PWM整流器网侧电压控制系统，所述网络信息接口单元与牵引网络系统连接，网络信息接口单元接收列车车辆总线发送的各单相PWM整流器的状态信息。
6.一种单相PWM整流器网侧电压控制方法，采用权利要求5所述的牵引控制系统，其特征在于，包括以下步骤：
计算载波移相角目标值θANG_ref；
计算网侧电压相位瞬时值θ；
选定载波标志点，计算网侧电压相位目标值θAIM；
计算载波周期值TANG，调整实现载波移相角θANG跟踪载波移相角目标值θANG_ref，控制网侧电压相位瞬时值θ跟踪网侧电压相位目标值θAIM。
7.根据权利要求6所述的单相PWM整流器网侧电压控制方法，其特征在于：所述计算载波移相角目标值θANG_ref的方法为：
S1：判断各车牵引状态及自身位置：判断使能在线的单相PWM整流器总数和其相应牵引控制单元在牵引控制系统中的位置信息；
S2：根据S1中使能在线的单相PWM整流器总数和其相应牵引控制单元在牵引控制系统中的位置信息查表求出载波移相角θANG；
S3：判断求出的载波移相角θANG与系统上次保存载波移相角θLast_ANG是否变化，若变化，延时给定新的载波移相角度目标值，即θANG_ref＝θANG；若不变，保持原有的载波移相角，即θANG_ref＝θLast_ANG；
S4：判断网络通信及硬线状态，给定载波移相角目标值θANG_ref。
8.根据权利要求7所述的单相PWM整流器网侧电压控制方法，其特征在于，所述步骤S4判断网络通信及硬线状态，得出载波移相角目标值的方法为：判断网络的车辆通信状态是否正常，若正常，给定步骤S3中的载波移相角目标值；若网络通信异常，牵引控制系统根据自身硬件的高低电平信号状态判断重新给定载波移相角度目标值。
9.根据权利要求6所述的单相PWM整流器网侧电压控制方法，其特征在于，所述计算网侧电压相位瞬时值θ的方法为：通过基于二阶广义积分器的单相数字锁相环将网侧电压信号分解到静止正交坐标系，计算网侧电压相位瞬时值，其中静止坐标系α轴与β轴的传递函数公式为：
式中b0、b1、a1、a2、x、y为计算系数，即：
其中，ω0为二阶广义积分器的谐振角频率，Ts为离散采样时间。
10.根据权利要求6所述的单相PWM整流器网侧电压控制方法，其特征在于，计算网侧电压相位目标值θAIM的方法为：选定载波周期中断点为载波标志点，根据：
θAIM＝x×2π/k+(1-θANG_ref/π)×π/k
求解载波标志点处的网压相位目标值θAIM；
其中，x为该载波标志点在一个工频网压周期中的序号，k为一个工频网压周期中的载波个数，即k为开关频率与工频网压频率的比值，x∈(1～k)，θANG_ref为单相PWM整流器的载波移相角目标值。
11.根据权利要求6所述的单相PWM整流器网侧电压控制方法，其特征在于，计算载波周期值TANG，调整实现载波移相角θANG跟踪载波移相角目标值θANG_ref，控制网侧电压相位瞬时值θ跟踪网侧电压相位目标值θAIM的方法为：根据载波标志点的网侧电压相位目标值θAIM和网侧电压相位瞬时值θ，进行PI控制，逐步调整载波周期值，使载波与网侧电压信号之间保持固定的相位关系，进而调整载波的移相角度，实现全列各PWM整流器并联模块的载波相位均分角度π。
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