CN110729879B - 一种电力机车四象限变流装置低谐波抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于控制领域，尤其涉及一种四象限变流器的电流低次谐波抑制的控制算法，具体为一种电力机车四象限变流装置低谐波抑制方法，该方法是一种融合于四象限控制算法中的谐波抑制方法，解决了四象限变流器电流低次谐波对变流器的控制带来影响和对电网电能质量污染的问题，同时解决了采用软件滤波器的方法滤除低次谐波带来影响的问题，还解决了电网网压信号基波相位角度和低次谐波相位角度的计算精度较低而造成对四象限控制动态性能和谐波抑制能力有一定影响的问题。该方法主要是对四象限变流器控制算法中增加谐波提取和抑制功能，具有较高的适应性和灵活性，能够达到较高精度的谐波抑制目的。
Description
技术领域
本发明属于控制领域，尤其涉及一种四象限变流器的电流低次谐波抑制的控制算法，具体为一种电力机车四象限变流装置低谐波抑制方法。
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，其交流侧电流通常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。
在实际应用中四象限变流器通常采用多种方式来降低电流谐波带来的污染，不同电力机车四象限变流器的主电路拓扑结构不同，而针对不同的主电路又有不同的谐波抑制方式。
现有技术可采用软件滤波器进行多次滤波的方法，软件滤波器的设计与开关频率密切相关，而四象限变流器开关频率较低，使得设计出的滤波器的带宽较窄，滤波器的设计存在一定的困难，当系统出现冲击时，较窄带宽的滤波器会有发散的风险，导致整个四象限变流器的控制出现问题而影响机车运行的可靠性。控制系统中，滤波器的引入会导致采样信号具有一定的幅值衰减和相位延迟，降低四象限变流器的动态响应性能。
还可采用设计硬件滤波的方法，硬件滤波通常设计在硬件板卡上，且有专门的硬件电路设计。硬件滤波具有相应速度快的优点，但器件也容易受到温度、湿度的影响，同时硬件设计也增加了经济成本。还可采用电流并联的多重化方法，电流并联的多重化通常是两重化或者四重化，其多重化的谐波抑制能力主要是针对高次谐波，而对3次、5次等低次谐波不具备谐波抑制能力。
发明内容
本发明提供了一种融合于四象限控制算法中的谐波抑制方法，解决了四象限变流器电流低次谐波对变流器的控制带来影响和对电网电能质量污染的问题，同时解决了采用软件滤波器的方法滤除低次谐波带来影响的问题，还解决了电网网压信号基波相位角度和低次谐波相位角度的计算精度较低而造成对四象限控制动态性能和谐波抑制能力有一定影响的问题。该方法主要是对四象限变流器控制算法中增加谐波提取和抑制功能，具有较高的适应性和灵活性，能够达到较高精度的谐波抑制目的。
本发明是采用如下的技术方案实现的：一种电力机车四象限变流装置低谐波抑制方法，包括四象限控制算法、四象限调制算法和谐波抑制算法；
其中谐波抑制算法包括以下步骤：
将四象限变流器输入电流转换到旋转坐标系下的谐波次d轴电流和谐波次q轴电流，经过低通滤波器滤波后，得到谐波电流的d轴直流分量和q轴直流分量，旋转坐标系变换所需要的角度通过来自硬件板卡的网压同步脉冲信号与DSP高速中断计数配合计算获得；
将得到的各次谐波电流d轴直流分量和q轴直流分量作为反馈量，与给定量构成PI控制闭环，通过闭环控制方式将谐波电流的直流分量调节为零，输出量为谐波旋转坐标下的d轴和q轴误差电压分量；
将谐波旋转坐标下的d轴和q轴误差电压分量转换到基波旋转坐标下的d轴和q轴电压谐波分量，旋转坐标系变换所需要的角度通过来自硬件板卡的网压同步脉冲信号与DSP高速中断计数配合计算获得；
将基波旋转坐标下的d轴电压谐波分量相加构成基波旋转坐标下的谐波d轴电压调节总量；将基波旋转坐标下的q轴电压谐波分量相加构成基波旋转坐标下的谐波q轴电压调节总量；谐波d轴电压调节总量作为前馈项送入到四象限控制算法中的基波d轴PI控制器输出项参与运算；谐波q轴电压调节总量作为前馈项送入到四象限控制算法中的基波q轴PI控制器输出项参与运算；
四象限控制算法运算后得出具备谐波抑制功能的指令电压，将指令电压送入四象限脉冲调制模块进行调制得到PWM脉冲，将脉冲传递至四象限变流器的IGBT中。
进一步的，该方法为单独使用软件控制算法实现的四象限电流低次谐波抑制方法，采用DSP+FPGA控制芯片和信号调理硬件板卡组成的硬件构架，其中DSP芯片完成四象限控制算法、四象限调制算法和谐波抑制算法，FPGA完成四象限整流所需的数据采样，上位机通讯，脉冲及死区设置，其中FPGA中设置了过流、过压硬件保护与软件保护构成双重保护；信号调理硬件板卡完成四象限输入信号的调理，完成信号调理后将信号传送至FPGA进行采样，DSP读取FPGA中的信号采样值用于控制算法计算。
进一步的，电网电压相位角度的计算过程如下：电网电压信号在由负到正过零点时，经过硬件板卡上的硬件调理电路会产生一个与网压过零点同步的具有上升沿的高电平信号P；电网电压信号在由正到负过零点时，硬件板卡输出一个与网压过零点同步的具有下降沿的低电平信号p′；在DSP中设置MKHz的高速中断，完成中断计数和基波角度计算；高电平信号P上升沿个数使用Cnt计数，Cnt采用最大值为Q的增减计数方式；高速中断次数使用Cnt1和Cnt2计数。当检测到网压同步脉冲高电平信号P的上升沿且Cnt为奇数时，高速中断计数Cnt1开始增加，Cnt1增加期间检测到下降沿的低电平信号p′时，Cnt2计数值清零；在下一个脉冲高电平信号P上升沿到来时，高速中断计数Cnt1计数结束，Cnt1计数值赋予N进行角度计算；当Cnt计数值为0或者偶数时，中断计数Cnt2开始增加，Cnt2增加期间检测到下降沿的低电平信号p′时，Cnt1计数清零；在下一个脉冲高电平信号P上升沿到来时，高速中断计数Cnt2计数结束，Cnt2计数值赋予N进行角度计算。基波角度ωt计算公式表示为：
同理，3次谐波角度3ωt表示为：
5次谐波角度5ωt表示为：
进一步的，谐波抑制算法是对三次谐波和五次谐波进行抑制，三次和五次谐波电流的d轴直流分量和q轴直流分量的具体运算过程如下：
将四象限输入电流is与Cabc-dq3相乘即可得到在旋转坐标系下的3次谐波d轴电流id3和3次谐波q轴电流iq3，即
经过截止频率为fc的低通滤波器滤波后，得到3次谐波电流的d轴直流分量
和q轴直流分量
将四象限输入电流is与Cabc-dq5相乘即可得到在旋转坐标系下的5次谐波d轴电流id5和5次谐波q轴电流iq5，
经过截止频率为fc的低通滤波器滤波后，得到5次谐波电流的d轴直流量分量
和q轴直流分量
进一步的，谐波旋转坐标下的d轴和q轴误差电压分量的具体运算过程如下：
将3次谐波的d轴、q轴直流分量
作为反馈量，与给定量
构成PI控制闭环，通过闭环控制方式将3次谐波电流的直流分量
调节为零，输出量为3次谐波旋转坐标下的d轴和q轴误差电压分量ud3、uq3；
将5次谐波的d轴、q轴直流分量
作为反馈量，与给定量
构成PI控制闭环，通过闭环控制方式将5次谐波电流的直流分量
调节为零，输出量为5次谐波旋转坐标下的d轴和q轴误差电压分量ud5、uq5。
进一步的，基波旋转坐标下的d轴和q轴电压谐波分量具体运算过程如下：
将3次谐波旋转坐标下的误差电压分量ud3、uq3转换到基波旋转坐标下的电压谐波分量ud3-1、uq3-1，
将5次谐波旋转坐标下的误差电压分量ud5、uq5转换到基波旋转坐标下的电压谐波分量ud5-1、uq5-1，
进一步的，谐波d轴电压调节总量和谐波q轴电压调节总量的具体运算过程如下：将ud3-1与ud5-1相加构成基波旋转坐标下的谐波d轴电压调节总量u'd；将uq3-1与uq5-1相加构成基波旋转坐标下的谐波q轴电压调节总量u'q。
进一步的，四象限控制算法采用基于id_iq的动态解耦控制，采用电压、电流双闭环控制策略；电压环控制对象为母线电压Udc，保证母线电压实际值等于指令值，实际电压采样值经过陷波器滤波后与指令值进行比较计算，陷波器的陷波频率为100Hz，设计频率为四象限开关频率2倍；电流内环主要是对电流的控制，电流内环指令值id为电压外环输出量；四象限运行时，设置iq指令值为零；四象限调制算法采用单极性倍频调制，其构成灵活多变，可配置成多重化方式，用于四象限电流中高次谐波的消除。
本发明技术方案带来的有益效果
1整体控制算法具备低次谐波抑制能力，不需要额外的硬件电路设计；
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低次谐波抑制，避免了电磁干扰的影响。
4解决了控制频率低造成的锁相环输出的基波和低次谐波角度计算精度较低的问题。
附图说明
图1为四象限主电路拓扑图。
图2为四象限控制算法与谐波抑制算法模块示意图。
图3为谐波电流提取模块和谐波电流一直模块算法图。
图4为网压角度计算时高速中断计数Cnt1/Cnt2时序匹配图。
图5为网压角度计算式上升沿脉冲P计数Cnt设置图。
具体实施方式
1.四象限整流器开关频率通常只有几百赫兹，电流谐波采用滤波器方案时，容易受滤波器影响四象限整流器的控制性能，故而电流谐波抑制采用控制闭环方案。
2.整个方案分四象限控制算法、四象限调制算法、主电路拓扑和谐波抑制算法四部分构成。其中四象限控制算法采用基于id_iq的动态解耦控制，四象限调制算法采用单极性倍频调制，其构成灵活多变，可配置成多重化方式，用于四象限电流中高次谐波的消除；谐波抑制算法采用基于PI控制器的谐波电流直流量闭环控制方式，主要由谐波电流提取模块和谐波电流抑制模块构成。
3.控制硬件采用DSP+FPGA控制芯片和信号调理硬件板卡组成的硬件构架，其中DSP芯片完成四象限控制算法、四象限调制算法和谐波抑制算法，FPGA主要完成四象限整流所需的数据采样，上位机通讯，脉冲及死区设置，其中FPGA中设置了过流、过压等硬件保护与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；信号调理板卡主要完成四象限输入信号的调理，完成信号调理后将信号传送至FPGA进行采样，DSP读取FPGA中的信号采样值用于控制算法计算。
4.谐波电流提取模块主要是完成对四象限电流中对应次谐波的提取，本方案中主要是完成对3次和5次谐波电流的提取，为谐波电流抑制模块提供数据。3次谐波电流和5次谐波电流的获取是对四象限输入电流经过旋转坐标变换得到。
5.旋转坐标系变换所需要的角度3ωt和5ωt通过来自硬件板卡的网压同步脉冲信号与DSP中断计数配合计算获得，四象限输入电流is可以通过FPGA中采样获得。
6.电网网压信号在由负到正过零点时，经过硬件板卡上的硬件调理电路会产生一个与网压过零点同步的具有上升沿的高电平信号P；电网电压信号在由正到负过零点时，硬件调理板卡输出一个与网压过零点同步的具有下降沿的低电平信号p′；在DSP中设置MKHz的高速中断，完成中断计数和基波角度计算；脉冲信号P上升沿个数使用Cnt计数，Cnt采用最大值为Q的增减计数方式，高速中断次数使用Cnt1和Cnt2计数；当检测到网压同步脉冲信号P的上升沿且Cnt为奇数时，高速中断计数Cnt1开始增加，Cnt1增加期间检测到下降沿的低电平信号p′时，Cnt2清零；在下一个脉冲信号P上升沿到来时，高速中断计数Cnt1计数结束，Cnt1计数值赋予N进行角度计算；当Cnt计数值为0或者偶数时，中断计数Cnt2开始增加，Cnt2增加期间检测到下降沿的低电平信号p′时，Cnt1清零；在下一个脉冲信号P上升沿到来时，高速中断计数Cnt2计数结束，Cnt2计数值赋予N进行角度计算。基波角度ωt计算公式表示为：
同理，3次谐波角度3ωt表示为：
5次谐波角度5ωt表示为：
7.将四象限输入电流is与Cabc-dq3相乘即可得到在旋转坐标系下的3次谐波d轴电流id3和3次谐波q轴电流iq3，经过截止频率为fc的低通滤波器(LPF)滤波后，得到3次谐波电流的d轴直流分量
和q轴直流分量
8.将四象限输入电流is与Cabc-dq5相乘即可得到在旋转坐标系下的5次谐波d轴电流id5和5次谐波q轴电流iq5，经过截止频率为fc的低通滤波器(LPF)滤波后，得到5次谐波电流的d轴直流量分量
和q轴直流分量
9.将步骤7中得到的
作为反馈量，与给定量
构成PI控制闭环，通过闭环控制方式将3次谐波电流的直流分量
调节为零，输出量为3次谐波旋转坐标下的d轴和q轴误差电压分量ud3、uq3。
10.将步骤8中得到的
作为反馈量，与给定量
构成PI控制闭环，通过闭环控制方式将5次谐波电流的直流分量
调节为零，输出量为5次谐波旋转坐标下的d轴和q轴误差电压分量ud5、uq5。
11.将步骤9中得到的3次谐波旋转坐标下的谐波误差电压ud3、uq3，通过公式转换到基波旋转坐标下的电压谐波分量ud3-1、uq3-1。
12.将步骤10中得到的5次谐波旋转坐标下的谐波误差电压ud5、uq5，通过公式转换到基波旋转坐标下的电压谐波分量ud5-1、uq5-1。
13.将步骤11中的ud3-1与步骤12中的ud5-1相加构成基波旋转坐标下的谐波d轴电压调节总量u'd；将步骤11中的uq3-1与步骤12中的uq5-1相加构成基波旋转坐标下的谐波q轴电压调节总量u'q。
14.将u'd作为前馈项送入四象限控制算法中的基波d轴调节量，与网压Us、电压外环调节器输出量、电流解耦项进行运算后作为基波d轴总调节量；将u'q作为前馈项送入四象限控制算法中的基波d轴调节量，与q轴基波电流调节器输出量、电流解耦项进行运算后作为基波q轴总调节量。
15.将步骤14中的d、q轴总调节量(直流量)转换到直角坐标系下的交流量，即为所需具有3次和5次谐波抑制功能的指令电压
将其送入脉冲调制模块进行脉冲调制得到PWM脉冲，送入四象限变流器的IGBT中。
上述谐波抑制方案实现谐波抑制的方法，在四象限整流器上得到实现，试验结果表明，使用该方法交流侧电流具有较好的谐波特性，达到预期目的。
Claims (7)
1.一种电力机车四象限变流装置低谐波抑制方法，其特征在于包括四象限控制算法、四象限调制算法和谐波抑制算法；
其中谐波抑制算法包括以下步骤：
将四象限变流器输入电流转换到旋转坐标系下的谐波次d轴电流和谐波次q轴电流，经过低通滤波器滤波后，得到谐波电流的d轴直流分量和q轴直流分量，旋转坐标系变换所需要的角度通过来自硬件板卡的网压同步脉冲信号与DSP高速中断计数配合计算获得；
将得到的各次谐波电流d轴直流分量和q轴直流分量作为反馈量，与给定量构成PI控制闭环，通过闭环控制方式将各次谐波电流的直流分量调节为零，输出量为各次谐波旋转坐标下的d轴和q轴误差电压分量；
将各次谐波旋转坐标下的d轴和q轴误差电压分量转换到基波旋转坐标下的d轴和q轴电压谐波分量，旋转坐标系变换所需要的角度通过来自硬件板卡的网压同步脉冲信号与DSP高速中断计数配合计算获得；
将基波旋转坐标下的d轴电压谐波分量相加构成基波旋转坐标下的谐波d轴电压调节总量；将基波旋转坐标下的q轴电压谐波分量相加构成基波旋转坐标下的谐波q轴电压调节总量；谐波d轴电压调节总量作为前馈项送入到四象限控制算法中的基波d轴PI控制器输出项参与运算；谐波q轴电压调节总量作为前馈项送入到四象限控制算法中的基波q轴PI控制器输出项参与运算；
四象限控制算法运算出谐波抑制功能的指令电压，将指令电压送入四象限脉冲调制模块进行调制得到PWM脉冲，送入四象限变流器的IGBT中；
坐标变换所需要的角度的计算过程如下：电网网压信号在由负到正过零点时，经过硬件板卡上的硬件调理电路会产生一个与网压过零点同步的具有上升沿的高电平信号P；电网网压信号在由正到负过零点时，硬件板卡输出一个与网压过零点同步的具有下降沿的低电平信号p′；在DSP中设置MKHz的高速中断，完成中断计数和基波角度计算；高电平信号P上升沿个数使用Cnt计数，Cnt采用最大值为Q的增减计数方式，高速中断次数使用Cnt1和Cnt2计数；当检测到网压同步高电平信号P的上升沿且Cnt为奇数时，高速中断计数Cnt1开始增加，Cnt1增加期间检测到下降沿的低电平信号p′时，Cnt2计数清零；在下一个高电平信号P上升沿到来时，高速中断计数Cnt1计数结束，Cnt1计数值赋予N进行角度计算；当Cnt计数值为0或者偶数时，中断计数Cnt2开始增加，Cnt2增加期间检测到下降沿的低电平信号p′时，Cnt1计数清零；在下一个脉冲信号P上升沿到来时，高速中断计数Cnt2计数结束，Cnt2计数值赋予N进行角度计算，基波角度ωt计算公式表示为：
2.根据权利要求1所述的一种电力机车四象限变流装置低谐波抑制方法，其特征在于该方法为单独使用控制算法实现的四象限电流低次谐波抑制方法，采用DSP+FPGA控制芯片和信号调理硬件板卡组成的硬件构架，其中DSP芯片完成四象限控制算法、四象限调制算法和谐波抑制算法，FPGA完成四象限整流所需的数据采样，上位机通讯，脉冲及死区设置，其中FPGA中设置了过流、过压硬件保护与软件保护构成双重保护；信号调理硬件板卡完成四象限输入信号的调理，完成信号调理后将信号传送至FPGA进行采样，DSP读取FPGA中的信号采样值用于控制算法计算。
3.根据权利要求2所述的一种电力机车四象限变流装置低谐波抑制方法，其特征在于谐波抑制算法是对三次谐波和五次谐波进行抑制，三次和五次谐波电流的d轴直流分量和q轴直流分量的具体运算过程如下：
将四象限输入电流is与Cabc-dq3相乘即可得到在旋转坐标系下的3次d轴电流id3和3次q轴电流iq3，即
经过截止频率为fc低通滤波器滤波后，得到3次谐波电流的d轴直流分量
和q轴直流分量
将四象限输入电流is与Cabc-dq5相乘即可得到在旋转坐标系下的5次d轴电流id5和5次q轴电流iq5，
经过截止频率为fc低通滤波器滤波后，得到5次谐波电流的d轴直流量分量
和q轴直流分量
4.根据权利要求3所述的一种电力机车四象限变流装置低谐波抑制方法，其特征在于谐波旋转坐标下的d轴和q轴误差电压分量的具体运算过程如下：
将d轴、q轴直流分量
作为反馈量，与给定量
和
构成PI控制闭环，通过闭环控制方式将3次谐波电流的直流分量
调节为零，输出量为3次谐波旋转坐标下的d轴和q轴误差电压分量ud3、uq3；
将d轴、q轴直流分量
作为反馈量，与给定量
和
构成PI控制闭环，通过闭环控制方式将5次谐波电流的直流分量
调节为零，输出量为5次谐波旋转坐标下的d轴和q轴误差电压分量ud5、uq5。
5.根据权利要求4所述的一种电力机车四象限变流装置低谐波抑制方法，其特征在于基波旋转坐标下的d轴和q轴电压谐波分量具体运算过程如下：
将3次谐波旋转坐标下的误差电压分量ud3、uq3转换到基波旋转坐标下的电压谐波分量ud3-1、uq3-1，
将5次谐波旋转坐标下的误差电压分量ud5、uq5转换到基波旋转坐标下的电压谐波分量ud5-1、uq5-1，
6.根据权利要求5所述的一种电力机车四象限变流装置低谐波抑制方法，其特征在于谐波d轴电压调节总量和谐波q轴电压调节总量的具体运算过程如下：将ud3-1与ud5-1相加构成基波旋转坐标下的谐波d轴电压调节总量u'd；将uq3-1与uq5-1相加构成基波旋转坐标下的谐波q轴电压调节总量u′q。
7.根据权利要求1或2所述的一种电力机车四象限变流装置低谐波抑制方法，其特征在于四象限控制算法采用基于id_iq的动态解耦控制，采用电压、电流双闭环控制策略；电压环控制对象为母线电压Udc，保证母线电压实际值等于指令值，实际电压采样值经过陷波器滤波后与指令值进行比较计算；电流内环是对电流的控制，电流内环指令值id为电压外环输出量；四象限运行时，设置iq指令值为零；四象限调制算法采用单极性倍频调制。
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