CN110514947A - 一种机车牵引变流器网压中断检测及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电气化铁路的牵引供电系统网压中断检测，具体为一种机车牵引变流器网压中断检测及控制方法。本发明针对现有机车牵引变流器网压中断检测控制方法存在的问题和缺陷，提供一种机车牵引变流器网压中断检测控制方法，该方法通过软件实现，采用一种网压幅值采样、锁相环相位差值及电流计算综合检测控制方法，更准确快速检测到接触网的电压中断，并使变流器作出正确的控制响应，不会造成机车高压系统、牵引系统、辅助系统（含列车供电柜）等故障发生，网压恢复后所有系统能重新平稳投入工作，降低了因铁路恶劣供电条件造成的安全隐患。

Description

一种机车牵引变流器网压中断检测及控制方法

技术领域

本发明涉及电气化铁路的牵引供电系统网压中断检测，具体为一种机车牵引变流器网压中断检测及控制方法。

背景技术

对于电气化铁路的牵引供电系统，列车主要是通过顶部的受电弓与接触网的滑动接触来取电。接触网不仅是列车牵引供电系统的重要组成部分，同时也是一种较为薄弱的供电装置，受电弓与接触网的接触状态将直接影响列车的取电量，进而影响列车的运行状态。

列车正常运行过程中，不可避免会出现受电弓与接触网脱离接触的情况，就会造成供电电压中断，影响列车安全稳定运行。因此，网侧变流器必须快速准确的检测到网压中断并作出相应的保护动作，才能保障列车安全稳定运行。

现有一种列车牵引变流器在制动时网压中断的过压保护方法和装置，该方法通过检测预设网压中断判断时间内是否检测到有效网压值来检测网压中断。这种方法由于对硬件的采样率要求较高，导致硬件成本过高，因为采样率较低或者采样不准则会影响动态响应，导致保护不及时。

还有一种带锁相环的动车组牵引传动系统及网压中断判别方法，该方法在列车牵引传动系统中设置锁相环，计算相角与实际相角的差值来判别网压中断。这种方法仅仅采用网压相位作为判断件，所用锁相环为了较好的控制，滤掉二倍频分量，加入低通滤波器，会影响锁相环的精度引起相位延迟，存在判断不准确误报网压中断的情况，不能保证列车安全稳定运行。

发明内容

本发明针对现有机车牵引变流器网压中断检测控制方法存在的问题和缺陷，提供一种机车牵引变流器网压中断检测控制方法，该方法通过软件实现，采用一种网压幅值采样、锁相环相位差值及电流计算综合检测控制方法，更准确快速检测到接触网的电压中断，并使变流器作出正确的控制响应，不会造成机车高压系统、牵引系统、辅助系统(含列车供电柜)等故障发生，网压恢复后所有系统能重新平稳投入工作，降低了因铁路恶劣供电条件造成的安全隐患。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种机车牵引变流器网压中断检测及控制方法，牵引变流器采用两个控制环，电压外环和电流内环，具体包括如下步骤：

(1)采用三个条件作为网压中断的判断条件：

a、采集电网电压U_s，经过计算得到网压基波电压的幅值U_p；

b、计算每一拍网压相位角θ，并计算出当前相位角与前一拍相位角的差值△θ；

c、电网电压的相位θ与电压外环的输出量相乘后得到与电网电流相位相同的交流量i^*，作为电流内环的指令电流，采集牵引变流器的输入电流i作为电流内环的反馈值，由指令电流和反馈值计算每一拍的电流差值△i；

(2)网压中断的判断：当整流器启动后，进行以下判定：

a、连续N₁次检测到网压基波电压的幅值U_p小于某个设定值X₁；

b、连续N₂次检测到前相位角与前一拍相位角的差值△θ大于等于某个设定值X₂；

c、连续N₃次检测到电流指令值与电流反馈值的差值△i大于等于某个设定值X₃；

以上三个判定条件取或运算，即只要其中一个条件满足时，网压中断标志位置1，系统认定发生网压中断故障，封锁脉冲；

(3)若整流器未启动，则不进行网压中断判定；

(4)网压恢复判定：当检测到整流器未启动时，进行以下判定：

a、连续N₄次检测到网压基波电压的幅值U_p大于等于某个设定值X₄；

b、连续N₅次检测到前相位角与前一拍相位角的差值△θ小于某个设定值X₅；

c、连续N₆次检测到电流指令值与电流反馈值的差值△i小于某个设定值X₆；

以上三个判定条件取与运算，即当三个条件全部满足时，网压恢复标志位置1，系统认定网压恢复正常；

(5)当检测到整流器的网压恢复标志位为1时，整流器恢复控制。

上述的一种机车牵引变流器网压中断检测及控制方法，当任意一组整流器检测到网压中断故障发生时，所有整流器封锁脉冲；当检测到所有整流器的网压恢复标志位都为1时，整流器恢复闭环控制，变流器控制器TCU可同时控制多组变流器，因此需要对多组变流器进行网压中断检测。

上述的一种机车牵引变流器网压中断检测及控制方法，网压基波电压的幅值U_p的计算过程为：采集电网电压e，经过电流内环中的单相锁相环，对采集到的电网电压进行坐标系变换计算，得到同步旋转坐标系下d、q轴直流分量ed和eq，再经过变换计算和低通滤波器滤波后，得到网压基波电压的幅值U_p。

上述的一种机车牵引变流器网压中断检测及控制方法，网压相位角θ通过电流内环中的单相锁相环计算得到。

上述的一种机车牵引变流器网压中断检测及控制方法，中间直流电压给定值u_dc ^*与实际电压值u_dc在电压外环比较经PI控制器，输出作为电流内环的指令输入I_amp*，指令输入I_amp*与电网电压的相位θ相乘后得到电流内环的指令电流。

本发明中依据采样计算网压基波电压的幅值、锁相环相位差值及电流计算的综合检测及控制方法，相比于单一依靠网压幅值或锁相环计算相角差值判断的方法，不仅可以更准确可靠的检测到接触网电压中断，且电流内环比较值相较于网压幅值判断能够更快速检测到接触网电压中断，并使变流器作出正确的控制响应，保证了设备能够正常安全运行。本发明在1.8MW高功率因数整流器上得到实现，试验结果表明，分别在牵引和再生制动各种工况下运行时，依据要求的各种网压中断时间范围内，试验时包括零电压保护装置在内的各种保护装置均能正常工作，不会造成机车高压系统、牵引系统、辅助系统(含列车供电柜)等故障发生，网压恢复后所有系统能重新平稳投入工作，降低了因铁路恶劣供电条件造成的安全隐患。

附图说明

图1为本发明提供的四象限脉冲整流器的主电路示意图。

图2为电压外环的控制框图。

图3为电流内环的控制框图。

图4为检测网压中断及网压恢复的控制原理图。

图5为网压中断的控制逻辑图。

图6为网压恢复的控制逻辑图。

具体实施方式

1、下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

2、下面具体说明四象限脉冲整流器的控制原理及过程。

3、图1为本发明提供的四象限脉冲整流器的主电路示意图。其中，L和R分别表示交流侧滤波电感和它的电阻(即变压器副边漏电感及副边侧等效电阻)，C为直流母线电容。e表示变压器副边绕组感应电势，i表示整流桥交流侧(即变压器副边绕组)电流，U_dc为直流母线电压，u表示由开关管对U_dc斩波得到的变压器副边绕组端电压，i_s和i_l分别表示直流母线整流桥侧输入电流和负载侧输出电流。

4、控制策略包含两个控制环，电压外环和电流内环。

5、电压外环的控制目标是实现直流侧中间电容上的实际电压稳定在给定指令电压，其实现方式是将中间直流电压给定值u_dc ^*与实际电压值u_dc比较经PI控制器，输出作为电流内环的指令输入I_amp*；

根据图1可以推出整流器直流母线电容电压方程为：

由电容电压方程看出，可以通过控制流入电容的电流，来控制母线电压。

假定交流侧电感的储能可以忽略，根据能量平衡关系，在一个工频周期内，整流器输入的有功功率等于整流器直流侧的平均功率，即：

其中T₀表示工频周期

假定一个工频周期内直流母线值近似不变，由上式可以得到：

电流内环用惯性环节近似为：

其中τ_i为电流内环的闭环带宽

因此，可以得到电压外环的控制框图如图2所示。

根据框图，可以推出电压外环的受控对象传递函数为：

电压外环中间直流电压给定值u_dc ^*为直流量，因此采用PI控制，控制器传递函数为：

将传递函数转变为差分方程后，表达式写成：

y_n＝y_n-1+(x_n-x_n-1)×K_P+x_n×K_i

通过这个公式可以编写程序，直接程序中修改K_P和K_i，x_n为电压外环给定电压和实际反馈电压的差值。

6、电压外环输出与锁相环单元、实际电流和PR控制器构成电流内环，其目的是完成单位功率因数下完成对电压外环给定电流的跟踪；电流内环的输出送至脉冲调制单元得到PWM脉冲用于控制IGBT开通关断，实现单相PWM整流。

根据图1可以推出整流侧交流电感电流方程为：

由电感电流方程看出，可以通过控制整流桥交流侧电压u，来控制四象限输入电流i；

电流内环的指令值是50Hz的工频量，为了在低带宽条件下满足稳态功率因数接近于1的要求，电流内环采用PR控制，连续域的传递函数为：

ω_c表示PR控制器带宽；ω₀表示PR控制器谐振频率；

因为受到开关器件的限制，本次四象限开关频率选取450HZ的开关器件，开关频率较低，连续域描述的电流环模型可能不是很准确，因此选择在离散域中设计电流环控制器。根据连续域和离散域的对应关系，得到离散域的控制器分母多项式为：

因此，二阶离散控制器的传递函数可表示为：

其中，K为控制器增益系数，a、b为控制器的零点,w₁表示电网基波角频率，T表示电流环采样周期

用上式的控制器跟踪角频率w₁的正弦指令值，可以实现无静差跟踪。

7、锁相环框图如图3所示，其作用是对电网电压进行锁相，即得到电网电压的相位，与I_amp*相乘后得到与电网相位相同的交流量i*作为电流内环的指令电流。本发明采用广义二阶积分器的锁相环(SOGI)，该结构对频率变化和高谐波含量不敏感，因此适用范围更广，可以适用于电网频率变化范围宽、谐波特性差的电网。

该锁相环由SOGI结构、d-q变换器、比例积分(PI)控制器和积分器组成。其中，SOGI结构用于产生d-q变换器所需的正交信号，d-q变换器产生旋转坐标系下的直流量，PI控制器用来实现无静差跟踪，积分器用来实现旋转角速度转换成角度。

根据图3的锁相环模型可以得到电网相位θ到q轴电压v_q的闭环传递函数为：

假定电网电压的相位θ＝w_et+θ₀，它对应的传递函数为：

w_e表示电网角频率；θ₀表示电网相位初始值

从而得到q轴电压v_q的响应为：

根据拉普拉斯的终值定理，可得：

上式表明，该锁相环通过控制d-q坐标系下的q轴电压v_q＝0，从而无静差跟踪电网电压相位θ。

7、下面具体说明机车牵引变流器检测网压中断的控制原理及过程。

8、检测网压中断及网压恢复的控制原理如图4所示，TCU控制两组四象限整流器。

9、该方法采用三个条件作为网压中断的判断条件：

a、网压基波电压的幅值：网压正常情况下，网压基波电压的幅值在一个正常的范围内波动，当发生网压中断时，网压基波电压的幅值会出现一个大的跳变，因此可以通过网压基波电压的幅值作为网压中断的判断条件；

采集电网电压e，经过一种基于二阶广义积分器的单相锁相环，对采集到的电网电压进行坐标系变换计算，得到同步旋转坐标系下d、q轴直流分量e_d和e_q，再经过变换计算和低通滤波器滤波后，得到网压基波电压的幅值U_p；

b、网压的相位：网压正常情况下，锁相环计算网压同步相位角与前一拍计算的相位角差值基本是一个固定值，当发生网压中断时，锁相环计算的相位角差值会出现一个大的跳变，会大于网压正常情况的差值，因此可以通过锁相环计算网压同步相位角差值作为网压中断的判断条件；

通过锁相环计算每一拍网压相位角θ，并计算出当前相位角与前一拍相位角的差值△θ；

c、电流计算：网压正常的情况下，与网压同相位的电流给定值i^*与电流反馈值i的差值△i在一个合理的范围内，当发生网压中断时，电流给定值i^*会增大，电流反馈值i几乎为0，差值△i会出现一个大的跳变，因此可以通过电流差值△i作为网压中断的判断条件；

通过广义二阶积分器的锁相环对电网电压进行锁相，即得到电网电压的相位θ，与电压环的输出量相乘后得到与电网相位相同的交流量i*作为电流环的指令电流，再分别采集牵引变流器每组四象限的输入电流i作为电流环的反馈值，计算每一拍的电流差值△i；

10、当四象限启动后，进行以下判定：

1)连续N₁次检测到网压基波电压的幅值U_p小于某个设定值X₁；

2)连续N₂次检测到前相位角与前一拍相位角的差值△θ大于等于某个设定值X₂；

3)连续N₃次检测到电流给定值与电流反馈值的差值△i大于等于某个设定值X₃；

11、以上三个判定条件取或运算，即只要其中一个条件满足时，网压中断标志位置1，系统认定发生网压中断故障；

12、当检测到所有四象限都未启动时，进行以下判定：

1)连续N₄次检测到网压基波电压的幅值U_p大于等于某个设定值X₄；

2)连续N₅次检测到前相位角与前一拍相位角的差值△θ小于某个设定值X₅；

3)连续N₆次检测到电流给定值与电流反馈值的差值△i小于某个设定值X₆；

13、以上三个判定条件取与运算，即当三个条件全部满足时，网压恢复标志位置1，系统认定网压恢复正常；

14、网压中断的控制逻辑如图5所示，若四象限单独启动时，则只对启动的四象限进行网压中断判定，若满足前面的判断条件，则两组四象限同时封锁；若两组四象限同时启动，则两组四象限同时进行网压中断判定，若满足前面的判断条件，则两组四象限同时封锁脉冲；

15、网压恢复的控制逻辑如图6所示，网压中断发生后，两组四象限同时封锁脉冲，当检测到两组四象限都未工作时，开始进行网压恢复判定。若满足网压恢复的判定条件，则相应四象限网压恢复的标志位置1，

16、当检测到所有四象限的网压恢复标志位都为1时，四象限恢复闭环控制。

Claims (5)

1.一种机车牵引变流器网压中断检测及控制方法，牵引变流器采用两个控制环，电压外环和电流内环，其特征在于具体包括如下步骤：

(1)采用三个条件作为网压中断的判断条件：

a、采集电网电压U_s，经过计算得到网压基波电压的幅值U_p；

b、计算每一拍网压相位角θ，并计算出当前相位角与前一拍相位角的差值△θ；

c、电网电压的相位θ与电压外环的输出量相乘后得到与电网电流相位相同的交流量i^*，作为电流内环的指令电流，采集牵引变流器的输入电流i作为电流内环的反馈值，由指令电流和反馈值计算每一拍的电流差值△i；

(2)网压中断的判断：当整流器启动后，进行以下判定：

a、连续N₁次检测到网压基波电压的幅值U_p小于某个设定值X₁；

b、连续N₂次检测到前相位角与前一拍相位角的差值△θ大于等于某个设定值X₂；

c、连续N₃次检测到电流指令值与电流反馈值的差值△i大于等于某个设定值X₃；

以上三个判定条件取或运算，即只要其中一个条件满足时，网压中断标志位置1，系统认定发生网压中断故障，封锁脉冲；

(3)若整流器未启动，则不进行网压中断判定；

(4)网压恢复判定：当检测到整流器未启动时，进行以下判定：

a、连续N₄次检测到网压基波电压的幅值U_p大于等于某个设定值X₄；

b、连续N₅次检测到前相位角与前一拍相位角的差值△θ小于某个设定值X₅；

c、连续N₆次检测到电流指令值与电流反馈值的差值△i小于某个设定值X₆；

以上三个判定条件取与运算，即当三个条件全部满足时，网压恢复标志位置1，系统认定网压恢复正常；

(5)当检测到整流器的网压恢复标志位为1时，整流器恢复控制。

2.根据权利要求1所述的一种机车牵引变流器网压中断检测及控制方法，其特征在于当任意一组整流器检测到网压中断故障发生时，所有整流器封锁脉冲；当检测到所有整流器的网压恢复标志位都为1时，整流器恢复闭环控制。

3.根据权利要求1或2所述的一种机车牵引变流器网压中断检测及控制方法，其特征在于网压基波电压的幅值U_p的计算过程为：采集电网电压e，经过电流内环中的单相锁相环，对采集到的电网电压进行坐标系变换计算，得到同步旋转坐标系下d、q轴直流分量ed和eq，再经过变换计算和低通滤波器滤波后，得到网压基波电压的幅值U_p。

4.根据权利要求1或2所述的一种机车牵引变流器网压中断检测及控制方法，其特征在于网压相位角θ通过电流内环中的单相锁相环计算得到。

5.根据权利要求1或2所述的一种机车牵引变流器网压中断检测及控制方法，其特征在于中间直流电压给定值u_dc ^*与实际电压值u_dc在电压外环比较经PI控制器，输出作为电流内环的指令输入I_amp ^*，指令输入I_amp ^*与电网电压的相位θ相乘后得到电流内环的指令电流。