CN110138245B - 四象限整流器的多重化控制装置 - Google Patents

四象限整流器的多重化控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及四象限整流器的控制，具体为四象限整流器的多重化控制装置。解决四象限整流器现有多重化控制存在的移相角度不准、控制精度低等问题。四象限整流器的多重化控制装置，多重化个数为M，包括M/2个DSP芯片和M/4个FPGA芯片，其中2片DSP芯片和一片FPGA芯片组成一个硬件架构单元，每个硬件架构单元中的每个DSP芯片用以控制两个四象限整流器即第一四象限整流器和第二四象限整流器，每个硬件架构单元完成四个或两个四象限整流器的控制，一片FPGA完成四象限整流器控制所需的数据采样。本发明不增加额外的硬件电路，增加了多重化控制精度。本发明尤其适用于电力机车四象限整流器，也适用于其它四象限整流器。

Description

四象限整流器的多重化控制装置
技术领域
本发明涉及四象限整流器的控制，具体为四象限整流器的多重化控制装置。
背景技术
四象限整流器具有高功率因数且能够实现能量的双向流动而在电力机车中广泛使用。因四象限整流器开关频率低，其交流侧电流具有较差的谐波特性，给供电网带来了谐波污染，从而影响供电网的电能质量及其他机车运行时的电网环境。
现有技术中四象限整流器采用多种方式来综合降低电流谐波带来的污染，而多重化控制在降低电流谐波方面应用较多。
多重化控制的技术方案之一：基于控制硬件的滤波电路对电网进行过零点鉴别，依据过零点为基准来确定多重化的实现角度。
网压过零点获取完全依靠硬件滤波电路，其精度容易受电路设计或者器件零飘影响，对于网压频率变化范围较宽的场合，硬件电路应具有较宽的带宽，宽带宽又影响过零点的获取精度，给四象限整流的多重化控制造成移相角度不准，从而造成交流侧电流谐波特性较差。
多重化控制的技术方案之二：角度闭环实现的多重化软件实现方法。
四象限整流控制器开关频率低，用于多重化时的角度计算时的延时误差较大，在多重化角度闭环时，造成多重化控制精度低，交流侧电流谐波特性较差；在一个或者多个四象限出现故障后，角度重新分配，需要全部停机后重启，新多重化角度才能完成更新，这种更新常发生在过分相阶段，如果不在过分相时，新角度无法更新，造成电网谐波增加；如果直接切换，停机造成了故障扩大，降低了机车的使用效率和系统的可靠性。
发明内容
本发明解决四象限整流器现有多重化控制存在的上述问题，提供一种四象限整流器的多重化控制装置。该装置省去了硬件控制电路的设计环节，多重化控制精度高。
本发明是采用如下技术方案实现的：四象限整流器的多重化控制装置，多重化个数为M，包括M/2个DSP芯片和M/4个FPGA芯片，其中2片DSP芯片和一片FPGA芯片组成一个硬件架构单元，每个硬件架构单元中的每个DSP芯片用以控制两个四象限整流器即第一四象限整流器和第二四象限整流器，每个硬件架构单元完成四个或两个四象限整流器的控制，一片FPGA完成四象限整流器控制所需的数据采样。因四象限整流器开关频率通常较低，如果仅采用DSP芯片进行采样并完成控制，将会导致其采样数据与真实值之间存在较大延迟而影响控制算法的计算精度。
上述的四象限整流器的多重化控制装置，其每个DSP芯片的控制软件是由如下步骤实现的：
1)设定载波角度给定值，M个四象限整流器的载波角度给定值从零开始且相邻四象限整流器的载波角度给定值相差π/M，即M个四象限整流器的载波角度给定值分别为0、π/M、2π/M、……(M-1)π/M；
2)设置中断Int1进行第一四象限整流器控制算法，设置中断Int2进行第二四象限整流器控制算法，中断Int1和中断Int2中断间隔为1/(2·N·fs)，N＝fc/fs为四象限整流器的载波比，fc为开关频率(四象限整流器中的开关元件的开关频率)，fs为电网频率；
3)在中断Int1和中断Int2之间设置中断Int3，用于锁相环算法计算，Int1和Int2优先级高于Int3，其中中断Int3的中断周期为中断Int1、Int2的1/32，即在中断Int1和中断Int2之间对电网电压进行了30次采样，将30次的电网电压采样值，按照先后顺序进行角度计算并对计算结果进行更新，最终得到Int1和Int2中断发生前电网角度T，其中T为0-2π变化值，更新后的角度值T更加接近实际角度值，其精度提高了32倍，极大的减小了延迟误差造成的角度误差，提高了网压角度的计算精度；
4)在当前中断Int1时，当前中断Int1之前的中断Int3计算得到的电网角度T与载波角度给定值进行比较，构成PI闭环控制(该方式是一种稳态无误差控制，解决了控制方式的不同对误差的影响)；在当前中断Int2时，当前中断Int2之前的中断Int3计算得到的电网角度T与载波角度给定值进行比较，构成PI闭环控制；
5)PI闭环控制的输出作为载波周期的变换量Prd’，再与电网电压频率为50HZ时的载波周期值作为前馈相加(降低系统响应对PI参数的敏感，增强系统鲁棒性)，得到当前载波周期值Prd，与调制波比较后进而得到PWM脉冲。这样，在闭环控制稳定后，每个四象限整流器的载波角度的实际值即为给定值，各给定值之间的差值即为多重化所需角度的移相值，从而实现频率变化下的多重化控制。
进一步地，在某一时刻n个四象限整流器出现故障隔离后，多重化个数变为了M-n，四象限整流器全部停机后，重新进行载波角度给定值的设定：M-n个四象限整流器的载波角度给定值从零开始且相邻四象限整流器的载波角度给定值相差π/M-n，即M-n个四象限整流器的载波角度给定值分别为0、π/M-n、2π/M-n、……(M-n-1)π/M-n；或者各DSP芯片通过与上位机通讯感知到故障四象限整流器的个数n，并计算得到各自的故障后载波角度给定值，采用固定步长加减的方式将故障前载波角度给定值调整到故障后载波角度给定值，从而实现四象限整流器故障前载波角度给定值与故障后载波角度给定值的不停机切换，极大的提高了系统的可靠性，降低变压器原边电流谐波含量。
本发明单独使用软件控制算法实现多重化控制，多重化实现可在多个控制单元(DSP)中，多个控制单元之间不需要同一个时钟信号对载波进行同步，解决了多个控制单元之间实现多重化困难和精度不足的缺点。可在较低开关频率下，完成高开关频率下所达到多重化的控制精度。Int1、Int2和Int3的中断周期可变且能够跟随网压频率的变化，实现网压频率变化下四象限的载波比N不变，在高谐波网压时，四象限整流及多重化控制不受干扰和影响。四象限多重化可根据四象限各子单元的故障情况，实现多重化角度的自动计算和分配。
本发明具有如下益效果：1)不增加额外的硬件电路，增加了多重化控制精度。2)提高了变压器原边电流的谐波特性，减少了对电网的污染和干扰。3)通过控制软件实现的多重化，避免了电磁干扰的影响。4)具有较宽的频率适用性，多重化的实现对电网频率变化不敏感。系统稳定后，载波周期的调整可准确跟随网压频率的变化，即无论网压频率增大或减小，均可保证调制时载波比N为定值。
本发明在HXD2C四象限整流器上得到应用，试验结果表明，使用该方法下的多重化具有较高的稳态精度，交流侧电流具有较好的谐波特性，达到预期目的。本发明尤其适用于电力机车四象限整流器，也适用于其它四象限整流器。
附图说明
图1为本发明DSP芯片的四象限整流器控制算法框图；
图2为本发明中断设置原理图；
图3为多重化控制的四象限整流器电路原理图；
图4为本发明DSP芯片的控制软件步骤程序原理图。
具体实施方式
四象限整流器的多重化控制装置，多重化个数为M，包括M/2个DSP芯片和M/4个FPGA芯片，其中2片DSP芯片和一片FPGA芯片组成一个硬件架构单元，每个硬件架构单元中的每个DSP芯片用以控制两个四象限整流器即第一四象限整流器和第二四象限整流器，每个硬件架构单元完成四个或两个四象限整流器的控制，一片FPGA完成四象限整流器控制所需的数据采样。FPGA芯片还负责与上位机通讯，脉冲取反及死区设置等。FPGA芯片中还设置了正负过流、正负过压等硬件保护与DSP中的软件保护构成双重保护，大大提高了故障发生时保护的响应速度和可靠性。
上述的四象限整流器的多重化控制装置，其每个DSP芯片的控制软件是由如下步骤实现的：
1)设定载波角度给定值，M个四象限整流器的载波角度给定值从零开始且相邻四象限整流器的载波角度给定值相差π/M，即M个四象限整流器的载波角度给定值分别为0、π/M、2π/M、……(M-1)π/M；作为角度分配的优化处理，M＝2K时，k＝1,2……，每个DSP芯片所控制的两个四象限整流器(即第一四象限整流器和第二四象限整流器)的载波角度给定值相差90°，这样，当DSP芯片所控制的载波角度给定值相差90°的两个四象限整流器都故障时，其余四象限整流器不需要任何动作，以减少计算资源消耗。以四重化为例(满足M＝22)，每一个四象限载波移相应该分配角度相差45°，四象限1载波角度设置为0，四象限2载波角度设置为45°，四象限3载波角度设置为90°，四象限4载波角度应设置为135°；这时，四象限1和四象限3(两者载波角度给定值相差90°)由一个DSP芯片控制，四象限2和四象限4(两者载波角度给定值相差90°)由另一个DSP芯片控制。
2)设置中断Int1进行第一四象限整流器控制算法，设置中断Int2进行第二四象限整流器控制算法，中断Int1和中断Int2中断间隔为1/(2·N·fs)，N＝fc/fs为四象限整流器的载波比，fc为开关频率(四象限整流器中的开关元件的开关频率)，fs为电网频率；作为一种实例：Int1和Int2中断间隔为(1/1400)s；
3)在中断Int1和中断Int2之间设置中断Int3，用于软件锁相环算法计算，Int1和Int2优先级高于Int3，其中中断Int3的中断周期为中断Int1、Int2的1/32，即在中断Int1和中断Int2之间对电网电压进行了30次采样，将30次的电网电压采样值，按照先后顺序进行角度计算并对计算结果进行更新，最终得到Int1和Int2中断发生前电网角度T，其中T为0-2π变化值，此时电网角度值T更加接近实际角度值，其精度提高了32倍，极大的减小了延迟误差造成的角度误差，提高了网压角度的计算精度，如图2所示；
4)在当前中断Int1时，当前中断Int1之前的中断Int3计算得到的电网角度T与载波角度给定值进行比较，构成PI闭环控制(该方式是一种稳态无误差控制，解决了控制方式的不同对误差的影响)；在当前中断Int2时，当前中断Int2之前的中断Int3计算得到的电网角度T与载波角度给定值进行比较，构成PI闭环控制；
5)PI闭环控制的输出作为载波周期的变换量Prd’，再与电网电压频率为50HZ时的载波周期值作为前馈相加(降低系统响应对PI参数的敏感，增强系统鲁棒性)，得到当前载波周期值Prd，与调制波比较后进而得到PWM脉冲。
进一步地，在某一时刻n个四象限整流器出现故障隔离后，多重化个数变为了M-n，四象限整流器全部停机后，重新进行载波角度给定值的设定：M-n个四象限整流器的载波角度给定值从零开始且相邻四象限整流器的载波角度给定值相差π/M-n，即M-n个四象限整流器的载波角度给定值分别为0、π/M-n、2π/M-n、……(M-n-1)π/M-n；或者各DSP芯片通过与上位机通讯感知到故障四象限整流器的个数n，计算得到各自的故障后载波角度给定值(具体实施时，该计算可在图4中的载波角度给定分配模块中完成)，采用固定步长加减的方式将故障前载波角度给定值调整到故障后载波角度给定值，从而实现四象限整流器故障前载波角度给定值与故障后载波角度给定值的不停机切换，极大的提高了系统的可靠性，尽可能多的降低变压器原边电流谐波含量。
具体实施时，步骤2)中，四象限整流器控制算法由电压外环、电流内环、锁相环(PLL)和脉冲调制模块构成；第一四象限整流器、第二四象限整流器使用各自独立的锁相环和电流内环，共用电压外环和脉冲调制模块。其中锁相环采用优化后的基于二阶广义积分器的锁相环(SOGI)，总体控制框图如图1所示。为避免电网频率变化引起的计算误差，步骤5)中，PI闭环控制的输出并不是每次中断都进行调节，而是设置一个人为设定的多重化调节判断模块，并通过多重化调节判断模块确定PI闭环控制的输出是否进行调节，如图4所示。作为一种方案多重化调节判断模块被设定为一个正弦周期一次调节，即一个电网周期内进行一次Prd调节。为避免Prd过调节带来的系统不稳定，对PI闭环控制的输出进行限幅，其限幅值设置为±1.5°对应的载波计数范围内。步骤3)中，30次的电网电压采样值存储于片外Flash。

Claims (9)

1.一种四象限整流器的多重化控制装置，多重化个数为M，包括M/2个DSP芯片和M/4个FPGA芯片，其中2片DSP芯片和一片FPGA芯片组成一个硬件架构单元，每个硬件架构单元中的每个DSP芯片用以控制两个四象限整流器即第一四象限整流器和第二四象限整流器，每个硬件架构单元完成四个或两个四象限整流器的控制，一片FPGA完成四象限整流器控制所需的数据采样；其特征在于，其每个DSP芯片的控制软件是由如下步骤实现的：
1)设定载波角度给定值，M个四象限整流器的载波角度给定值从零开始且相邻四象限整流器的载波角度给定值相差π/M，即M个四象限整流器的载波角度给定值分别为0、π/M、2π/M、……(M-1)π/M；
2)设置中断Int1进行第一四象限整流器控制算法，设置中断Int2进行第二四象限整流器控制算法，中断Int1和中断Int2中断间隔为1/(2·N·fs)，N＝fc/fs为四象限整流器的载波比，fc为开关频率，fs为电网频率；
3)在中断Int1和中断Int2之间设置中断Int3，用于锁相环算法计算，Int1和Int2优先级高于Int3，其中中断Int3的中断周期为中断Int1、Int2的1/32，即在中断Int1和中断Int2之间对电网电压进行了30次采样，将30次的电网电压采样值，按照先后顺序进行角度计算并对计算结果进行更新，最终得到Int1和Int2中断发生前电网角度T，其中T为0-2π变化值；
4)在当前中断Int1时，当前中断Int1之前的中断Int3计算得到的电网角度T与载波角度给定值进行比较，构成PI闭环控制；在当前中断Int2时，当前中断Int2之前的中断Int3计算得到的电网角度T与载波角度给定值进行比较，构成PI闭环控制；
5)PI闭环控制的输出作为载波周期的变换量Prd’，再与电网电压频率为50HZ时的载波周期值作为前馈相加，得到当前载波周期值Prd，进而得到PWM脉冲。
2.根据权利要求1所述的四象限整流器的多重化控制装置，其特征在于，M＝2K时，k＝1,2……，每个DSP芯片所控制的两个四象限整流器的载波角度给定值相差90°。
3.根据权利要求1所述的四象限整流器的多重化控制装置，其特征在于，在某一时刻n个四象限整流器出现故障隔离后，多重化个数变为了M-n，四象限整流器全部停机后，重新进行载波角度给定值的设定：M-n个四象限整流器的载波角度给定值从零开始且相邻四象限整流器的载波角度给定值相差π/M-n，即M-n个四象限整流器的载波角度给定值分别为0、π/M-n、2π/M-n、……(M-n-1)π/M-n。
4.根据权利要求1所述的四象限整流器的多重化控制装置，其特征在于，各DSP芯片通过与上位机通讯感知到故障四象限整流器的个数n，通过逻辑运算得到各自故障后载波角度给定值，采用固定步长加减的方式将故障前载波角度给定值调整到故障后载波角度给定值，从而实现四象限整流器故障前载波角度给定值与故障后载波角度给定值的不停机切换。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的四象限整流器的多重化控制装置，其特征在于，步骤2)中，四象限整流器控制算法由电压外环、电流内环、锁相环和脉冲调制模块构成；第一四象限整流器、第二四象限整流器使用各自独立的锁相环和电流内环，共用电压外环和脉冲调制模块。
6.根据权利要求5所述的四象限整流器的多重化控制装置，其特征在于，锁相环采用基于二阶广义积分器的锁相环。
7.根据权利要求1或2或3或4所述的四象限整流器的多重化控制装置，其特征在于，步骤5)中，PI闭环控制的输出并不是每次中断都进行调节，而是设置一个人为设定的多重化调节判断模块，并通过多重化调节判断模块确定PI闭环控制的输出是否进行调节。
8.根据权利要求7所述的四象限整流器的多重化控制装置，其特征在于，多重化调节判断模块被设定为一个正弦周期一次调节，即一个电网周期内进行一次Prd调节。
9.根据权利要求1或2或3或4所述的四象限整流器的多重化控制装置，其特征在于，对PI闭环控制的输出进行限幅，其限幅值设置为±1.5°对应的载波计数范围内。
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