CN110618319A - 一种用于电力机车dq阻抗测量的装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电力机车dq阻抗测量的装置及其控制方法。其中，装置包括谐波电压扰动单元、单相三绕组变压器和耦合变压器。其中谐波电压扰动单元由单相电压型整流器、单相全桥模块化多电平变流器以及扰动控制单元构成，通过耦合变压器向电力机车串联注入频率和幅值可调的谐波扰动电压。在谐波扰动单元中，单相电压型整流器一方面为单相全桥模块化多电平变流器提供直流电压，另一方面当需要施加直流电压扰动时，可控制开关使其串联接入线路中。本发明采用MMC技术，拓扑结构高度模块化，输出特性好，损耗低，能够通过低耐压小容量器件实现高压多电平输出，能够逆变出所需频率和幅值的扰动正弦电压。

Description

一种用于电力机车dq阻抗测量的装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及电力机车阻抗测量领域，特别是一种用于电力机车dq阻抗测量的装置及其控制方法。

背景技术

电气化高速铁路是我国能源与交通领域的重要发展战略，对发展国家经济、巩固国防建设和保障人民生活具有重大意义，保障其安全稳定运行至关重要。在我国高速铁路迅猛发展的同时，也存在一些亟待解决的问题。VSC型电力机车由于其控制系统复杂、非线性变化和强耦合特性，以及固有特征谐波的宽频化，给高速铁路带来了一系列覆盖全频域的振荡与不稳定问题。此类问题是由牵引供电系统阻抗与电力机车阻抗不匹配造成的。因此，精确测量牵引供电系统和电力机车的阻抗特性对保障高速铁路安全稳定运行具有重要的现实意义。目前针对牵引供电系统阻抗的测量已有较为成熟的技术，但对电力机车阻抗的精确测量方法与装备在国内处于空白，关键技术亟待突破。

而串联谐波电压扰动的阻抗测量技术恰能满足其需求。由于VSC型电力机车的等效输入阻抗远远大于牵引供电系统的等效输出阻抗，按照串联分压定律，大部分谐波扰动电压作用在电力机车上，谐波扰动电压的利用率高，引起的谐波电流响应好。此外，在不影响电力机车正常运行的前提下，阻抗测量装置可按照需求调整输出谐波扰动电压的大小和频率，测得电力机车在闭环运行情况下的宽频带阻抗特性。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于电力机车dq阻抗测量的装置及其控制方法，通过耦合变压器串联注入的方式，向电力机车注入谐波电压，这种注入方式结合了VSC型电力机车高输入阻抗和牵引供电系统低输出阻抗的特性，大部分的扰动电压作用在电力机车上，使得扰动电压的利用率高，引起的谐波电流响应好。采用MMC(Modular MultilevelConverter，模块化多电平变流器)技术，拓扑结构高度模块化，输出特性好，能够通过低耐压小容量器件实现高压多电平输出，能够逆变出所需频率和幅值的扰动正弦电压。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种用于电力机车dq阻抗测量的装置，单相全桥模块化多电平变流器包括左半桥的上、下臂和右半桥的上、下臂；左半桥的上臂由N个半桥结构的子模块SM依次串联后再串联电感构成，N≥2；左半桥的下臂和右半桥的上、下臂均与左半桥的上臂结构相同；左、右半桥的上臂的输入端通过断路器S8连接到单相电压型整流器的正极，断路器S8还并联电阻R；左、右半桥的下臂的输入端连接到单相电压型整流器的负极；左半桥的上、下臂的输出端连接到耦合变压器初级的一端，右半桥的上、下臂的输出端连接到耦合变压器初级的另一端；耦合变压器次级的一端通过断路器S6连接到断路器S7的左端，断路器S7的右端连接到耦合变压器次级的另一端；单相电压型整流器的正极还通过断路器S4连接到断路器S5的左端，单相电压型整流器的负极还连接到断路器S5的右端和断路器S7的左端；断路器S5的左端用于连接电力机车的供电变压器，断路器S7的右端用于连接电力机车的输入端。

进一步地，还包括单相三绕组变压器；所述单相三绕组变压器的初级绕组用于交流供电，第一次级绕组连接到单相电压型整流器的交流输入端；第二次级绕组的一端连接到断路器S5的左端，另一端用于连接电力机车的接地端。

上述装置的控制方法为：

步骤一：在单相电压型整流器的控制系统中，建立dq模型，采用电压外环和电流内环控制，输出直流电压u_dc；

步骤二：设定谐波扰动电压的有效值U和阻抗测量的频率f_p，计算出电压参考波的调制比m和频率f，

f＝|50±f_p|

如f_p＝50Hz，则f＝0或f＝100Hz；如f＝0，则断开S6和S5，闭合S7和S4，使u_dc注入电力机车，用于测量阻抗；如f＝100Hz，则进入下列步骤；如f_p≠50Hz，则进入下列步骤；

步骤三：计算出各桥臂的电压参考波，包括

左半桥的上、下桥臂电压参考波分别为：

右半桥的上、下桥臂电压参考波分别为：

其中，为左半桥上、下桥臂电压参考波的相位，为右半桥上、下桥臂电压参考波的相位；

步骤四：断开S8，通过预充电电阻R给单相全桥模块化多电平变流器的每个子模块SM的电容充电；采用同相载波层叠调制，并结合基于计算子模块SM投入数量的电容电压排序法，对各个子模块SM电容电压进行均衡控制；当电容电压接近时，闭合S8将预充电电阻R旁路，使得单相全桥模块化多电平变流器的直流侧电压稳定在u_dc，电容电压稳定在

步骤五：当电力机车正常运行时，使单相全桥模块化多电平变流器输出谐波扰动电压，并闭合S6和S5，断开S4和S7，使谐波扰动电压注入电力机车，用于测量阻抗。

本发明的有益效果是，满足了电力机车阻抗测量的现实需求，弥补了电力机车阻抗特性精确测量方法和装备制造领域的空白，具有以下优点：

一、通过耦合变压器串联谐波电压注入的方式，结合了VSC型电力机车高输入阻抗和牵引供电系统低输出阻抗的特性，大部分的扰动电压注入电力机车，使得扰动电压的利用率高，引起的谐波电流响应好。

二、采用MMC技术，拓扑结构高度模块化，输出特性好，损耗低，能够通过低耐压小容量器件实现高压多电平输出，能够逆变出所需频率和幅值的扰动正弦电压。

三、参数设计考虑了裕度，当某个子模块发生故障时，系统可以将其切除并投入备用的子模块继续工作，提高了装置的可靠性。

四、满足测量50Hz的阻抗特性所需串联直流电压扰动的要求，谐波电压扰动单元的输出可由后一级的单相全桥模块化多电平变流器的交流电压切换成前一级单相电压型整流器的直流电压。

附图说明

图1为本发明装置的系统结构图。

图2为单相全桥模块化多电平变流器子模块的拓扑结构图。

图3为本发明装置的控制方法的控制框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，包括谐波电压扰动单元、单相三绕组变压器和耦合变压器。其中谐波电压扰动单元由单相电压型整流器、单相全桥模块化多电平变流器以及扰动控制单元构成，通过耦合变压器向电力机车串联注入频率和幅值可调的谐波扰动电压。在谐波扰动单元中，单相电压型整流器一方面为单相全桥模块化多电平变流器提供直流电压，另一方面当需要施加直流电压扰动时，可控制开关使其串联接入线路中。单相全桥模块化多电平变流器的上、下桥臂可根据实际需要调整级联的子模块数目N，图1中以级联4个子模块为例。每个子模块拓扑均采用图2所示的半桥结构。扰动控制单元发出谐波扰动电压的控制指令，根据测量的需求改变扰动电压的有效值、频率和相位。单相三绕组变压器次边主绕组为电力机车提供正常运行所需要的25kV的电压，根据扰动大小的要求选择合适的次边辅助绕组的输出电压，为谐波扰动单元提供电源。待测系统为VSC型电力机车，由车载变压器、AC-DC-AC和牵引电机三部分构成。当然，也可以不用单相三绕组变压器，而采用各自的变压器为分别为谐波电压扰动单元和电力机车供电。

图3为控制框图，在单相电压型整流器控制系统中，建立dq模型，采用电压外环和电流内环控制，为单相全桥模块化多电平变流器提供所需的直流电压u_dc；设定需要的谐波扰动电压的有效值U，阻抗测量的频率f_p，则可计算出电压参考波的调制比m和频率f；单相全桥模块化多电平变流器的调制技术采用同相载波层叠调制，并结合基于计算子模块投入数量的电容电压排序法实现对各个子模块电容电压的均衡控制；通过预充电电阻R给子模块的电容充电，当电容电压接近时，旁路断路器S8将预充电电阻R旁路，使得单相全桥模块化多电平变流器的直流侧电压稳定在u_dc，电容电压稳定在当直流侧电压稳定且电力机车正常运行时，保持断路器S7断开，闭合断路器S6，单相全桥模块化多电平变流器开始投入工作，逆变输出频率和幅值满足要求的谐波扰动电压，并通过耦合变压器串联注入电力机车。

电压参考波的调制比和频率的计算公式分别为f＝|50±f_p|。

左半桥a的上、下桥臂电压参考波的计算公式为：

右半桥b的上、下桥臂电压参考波的计算公式为：

扰动正弦电压的表达式为：

通过电力机车阻抗测量装置向电力机车分别串联注入两次线性无关的谐波电压扰动，比如选择令U＝1500V、u_dc＝2800V，则m＝0.9，两次扰动电压分别为：

然后采集端口的电压电流响应作为α系分量，通过Hilbert变换虚构滞后α系分量的β系分量，再通过Park变换得到dq系分量，由下式可计算出频率为f_p的dq系下电力机车阻抗，再通过改变扰动频率的大小，即可获得宽频带的阻抗特性。

需要指出的是，当测量50Hz对应的阻抗时，应串联注入直流电压源，可以通过断开断路器S6进而断开耦合变压器次边与线路的连接，并闭合耦合变压器的旁路断路器S7，再通过闭合断路器S4，断开断路器S5，将单相电压型整流器的直流电压串联注入电力机车。

Claims (3)

1.一种用于电力机车dq阻抗测量的装置，其特征在于，单相全桥模块化多电平变流器包括左半桥的上、下臂和右半桥的上、下臂；左半桥的上臂由N个半桥结构的子模块SM依次串联后再串联电感构成，N≥2；左半桥的下臂和右半桥的上、下臂均与左半桥的上臂结构相同；左、右半桥的上臂的输入端通过断路器S8连接到单相电压型整流器的正极，断路器S8还并联电阻R；左、右半桥的下臂的输入端连接到单相电压型整流器的负极；左半桥的上、下臂的输出端连接到耦合变压器初级的一端，右半桥的上、下臂的输出端连接到耦合变压器初级的另一端；耦合变压器次级的一端通过断路器S6连接到断路器S7的左端，断路器S7的右端连接到耦合变压器次级的另一端；单相电压型整流器的正极还通过断路器S4连接到断路器S5的左端，单相电压型整流器的负极还连接到断路器S5的右端和断路器S7的左端；断路器S5的左端用于连接电力机车的供电变压器，断路器S7的右端用于连接电力机车的输入端。

2.如权利要求1所述的一种用于电力机车dq阻抗测量的装置，其特征在于，还包括单相三绕组变压器；所述单相三绕组变压器的初级绕组用于交流供电，第一次级绕组连接到单相电压型整流器的交流输入端；第二次级绕组的一端连接到断路器S5的左端，另一端用于连接电力机车的接地端。

3.如权利要求1所述的一种用于电力机车dq阻抗测量的装置的控制方法，其特征在于，包括

步骤一：在单相电压型整流器的控制系统中，建立dq模型，采用电压外环和电流内环控制，输出直流电压u_dc；

步骤二：设定谐波扰动电压的有效值U和阻抗测量的频率f_p，计算出电压参考波的调制比m和频率f，

f＝|50±f_p|

如f_p＝50Hz，则f＝0或f＝100Hz；如f＝0，则断开S6和S5，闭合S7和S4，使u_dc注入电力机车，用于测量阻抗；如f＝100Hz，则进入下列步骤；如f_p≠50Hz，则进入下列步骤；

步骤三：计算出各桥臂的电压参考波，包括

左半桥的上、下桥臂电压参考波分别为：

右半桥的上、下桥臂电压参考波分别为：

其中，为左半桥上、下桥臂电压参考波的相位，为右半桥上、下桥臂电压参考波的相位；

步骤四：断开S8，通过预充电电阻R给单相全桥模块化多电平变流器的每个子模块SM的电容充电；采用同相载波层叠调制，并结合基于计算子模块SM投入数量的电容电压排序法，对各个子模块SM电容电压进行均衡控制；当电容电压接近时，闭合S8将预充电电阻R旁路，使得单相全桥模块化多电平变流器的直流侧电压稳定在u_dc，电容电压稳定在

步骤五：当电力机车正常运行时，使单相全桥模块化多电平变流器输出谐波扰动电压，并闭合S6和S5，断开S4和S7，使谐波扰动电压注入电力机车，用于测量阻抗。