CN111162664B - 直驱永磁电力机车变流器电流偏置抑制方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种直驱永磁电力机车变流器电流偏置抑制方法及设备，该方法包括：对输入四象限整流器的交流电流进行采样，得到多个采样周期内的交流电流，获取电流偏置值；将电流偏置值与零的第一差值输入至第一PI控制器，得到第一输出值；根据第一输出值以及PR控制器的输出的第二输出值得到脉冲宽度调制符号，PR控制器用于对输入PR控制器的交流电流进行控制处理，得到在电网电压频段处的交流电流，以及对交流电流进行无静差控制；根据脉冲宽度调制符号控制四象限整流器中的IGBT的通断。本实施例提供的方法能对变压器侧电流偏置无论大小的情况下都能进行根本抑制和消除，没有抑制死区，进而消除电流偏置对四象限变流器控制的影响。

Description

直驱永磁电力机车变流器电流偏置抑制方法及设备

技术领域

本发明涉及电力机车变流器技术，尤其涉及一种直驱永磁电力机车变流器电流偏置抑制方法及设备。

背景技术

变流器包括四象限整流器和逆变器两部分组成。当四象限整流器因器件、控制等因素出现电压偏置时，四象限变流器将不稳定，IGBT器件偏离其额定工作区，同时将会在变压器上产生较大的直流偏置，造成变压器工作点偏移、温度上升等，会严重影响整流器的正常工作及电力机车的正常运行，同时导致变压器损坏或者使用寿命降低。

现有技术采用硬件滤波电路设计或者软件高通滤波器设计，对出现的偏置的交流侧电流采集信号进行硬件滤波，从而消除直流偏置对四象限整流器的影响。

然而，采用现有技术，并没有从根本上解决直流偏置，四象限整流器能够稳定运行，但是变压器仍工作在偏置点，变压器温升及带来的其他问题仍没有解决。

发明内容

本发明实施例提供一种直驱永磁电力机车变流器电流偏置抑制方法及设备，从根本上对变压器侧电流偏置进行抑制，消除电流偏置对四象限变流器控制的影响。

第一方面，本发明实施例提供一种直驱永磁电力机车变流器电流偏置抑制方法，包括：

对输入四象限整流器的交流电流进行采样，得到多个采样周期内的交流电流，所述交流电流包括正半周期的电流值和负半周期的电流值；

获取所有正半周期的电流值的第一和值与所有负半周期的电流值的第二和值，并根据所述第一和值和所述第二和值，获取电流偏置值；

将所述电流偏置值与零的第一差值输入至第一PI控制器，获取所述第一PI控制器输出的第一输出值；

根据所述第一输出值以及PR控制器输出的第二输出值得到脉冲宽度调制符号，所述PR控制器用于对输入所述PR控制器的交流电流进行控制处理，得到所述交流电流在电网电压频段处的交流电流，以及对所述交流电流进行无静差控制，使所述交流电流的周期和相位与电网电压相同；

根据所述脉冲宽度调制符号控制所述四象限整流器中的绝缘栅双极型晶体管IGBT的通断。

在一种可能的设计中，对所述输入四象限整流器的交流电流进行采样，得到多个采样周期内的交流电流之前，还包括：

获取所述四象限整流器的直流母线电压与指令电压的第二差值；

将所述第二差值输入至第二PI控制器，使得所述第二PI控制器输出的第三输出值与锁相环输出值相乘，得到与电网电压同相位的交流电流，所述锁相环用于控制所述交流电流的周期与相位和电网电压的周期与相位保持一致。

在一种可能的设计中，对输入所述四象限整流器的交流电流进行采样，得到多个采样周期内的交流电流，包括：

根据预设采样频率对输入四象限整流器的交流电流进行采样，得到采样电流，所述预设采样频率为所述IGBT通断频率的16倍；

根据所述锁相环确定的电网电压相位和所述采样电流，得到多个采样周期内的交流电流。

在一种可能的设计中，根据所述锁相环确定的电网电压相位和所述采样电流，得到多个采样周期内的交流电流之前，所述方法还包括：

通过第一带通滤波器和第二带通滤波器对所述采样电流进行滤波，得到滤波后的采样电流；其中，所述第一带通滤波器用于获取交流电流的主频信号，所述第二带通滤波器用于滤除干扰谐波。

在一种可能的设计中，将所述电流偏置值与零的第一差值输入至第一PI控制器，获取所述第一PI控制器输出的第一输出值之前，所述方法还包括：

判断发生所述第一差值的绝对值大于所述电流环宽的绝对值的次数是否大于预设次数，得到的判断结果为是。

在一种可能的设计中，根据所述第一输出值以及PR控制器输出的第二输出值得到脉冲宽度调制符号，包括：

对所述第一输出值和所述第二输出值进行求和，得到第三和值，所述第一输出值为电流变量，所述第二输出值为电流值；

根据所述第三和值和单极倍频脉冲调制方式，得到所述脉冲宽度调制符号。

第二方面，本实施例提供一种直驱永磁电力机车变流器电流偏置抑制设备，包括：

采样模块，用于对输入四象限整流器的交流电流进行采样，得到多个采样周期内的交流电流，所述交流电流包括正半周期的电流值和负半周期的电流值；

电流内环处理模块，用于所有获取正半周期的电流值的第一和值与所有负半周期的电流值的第二和值，并根据所述第一和值和所述第二和值，获取电流偏置值；

所述电流内环处理模块还用于，将所述电流偏置值与零的第一差值输入至第一PI控制器，获取所述第一PI控制器输出的第一输出值；

脉冲宽度调制PWM模块，用于根据所述第一输出值以及PR控制器输出的第二输出值得到脉冲宽度调制符号，所述PR控制器用于对输入所述PR控制器的交流电流进行控制处理，得到所述交流电流在电网电压频段处的交流电流，以及对所述交流电流进行无静差控制，使所述交流电流的周期和相位与电网电压相同；

所述脉冲宽度调制PWM模块还用于，根据所述脉冲宽度调制符号控制所述四象限整流器中的绝缘栅双极型晶体管IGBT的通断。

在一种可能的设计中，还包括：电压外环处理模块；

所述电压外环处理模块，用于在所述对输入四象限整流器的交流电流进行采样，得到多个采样周期内的交流电流之前，获取所述四象限整流器的直流母线电压与指令电压的第二差值；

将所述第二差值输入至第二PI控制器，使得所述第二PI控制器输出的第三输出值输入至锁相环，所述锁相环用于控制所述交流电流的周期与相位和电网电压的周期与相位保持一致。

在一种可能的设计中，还包括：滤波模块；

所述滤波模块用于，在根据所述锁相环确定的电网电压相位和所述采样电流，得到多个采样周期内的交流电流之前，通过第一带通滤波器和第二带通滤波器对所述采样电流进行滤波，得到滤波后的采样电流；其中，所述第一带通滤波器用于获取交流电流的主频信号，所述第二带通滤波器用于滤除干扰谐波。

第三方面，本实施例提供一种直驱永磁电力机车变流器电流偏置抑制设备，包括：

现场可编程门阵列FPGA芯片和数字信号处理DSP芯片；

所述FPGA芯片用于对输入四象限整流器的交流电流进行采样；

所述DSP芯片用于执行如权利要求1至6中任一所述的方法，其中，所述方法不包括对输入四象限整流器的交流电流进行采样的步骤。

本实施例提供的直驱永磁电力机车变流器电流偏置抑制方法及设备，对输入四象限整流器的交流电流进行采样，得到多个采样周期内的交流电流，该交流电流包括正半周期的电流值和负半周期的电流值；获取正半周期的电流值的第一和值与负半周期的电流值的第二和值，并根据第一和值和第二和值，获取电流偏置值；将电流偏置值与零的第一差值输入至第一PI控制器，获取第一PI控制器输出的第一输出值；根据第一输出值以及PR控制器输出的第二输出值得到脉冲宽度调制符号，PR控制器用于对输入所述PR控制器的交流电流进行控制处理，得到交流电流在电网电压频段处的交流电流，以及对述交流电流进行无静差控制，使交流电流的周期和相位与电网电压相同；根据脉冲宽度调制符号控制四象限整流器中的绝缘栅双极型晶体管IGBT的通断。通过第一PI控制器输出的第一输出值来调节第二输出值，得到第三和值，从而抑制交流电流的直流偏置，将该第三和值用单极倍频脉冲调制方式进行调制，得到脉冲宽度调制符号控制IGBT的工作，避免了IGBT器件偏离其额定工作区，从而有效的对变压器侧电流偏置进行根本抑制和消除，进而消除电流偏置对四象限变流器控制的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的直驱永磁电机牵引系统的电路图；

图2为本发明实施例提供的直驱永磁电力机车四象限整流器的局部电路图；

图3为本发明实施例提供的直驱永磁电力机车变流器电流偏置抑制方法的流程示意图一；

图4为本发明实施例提供的直驱永磁电力机车变流器电流偏置抑制方法的流程示意图二；

图5为本发明实施例提供的直驱永磁电力机车变流器电流偏置抑制方法的流程示意图三；

图6为本发明实施例提供的本发明实施例提供的直驱永磁电力机车变流器电流偏置抑制设备的结构示意图一；

图7为本发明实施例提供的本发明实施例提供的直驱永磁电力机车变流器电流偏置抑制设备的结构示意图二；

图8为本发明实施例提供的直驱永磁电力机车变流器电流偏置抑制设备的硬件结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的直驱永磁电机牵引系统的电路图，如图1所示，本实施例提供的直驱永磁电机牵引系统包括：变压器10、预充电电路20、四象限整流器30、母线电容40和逆变器50；其中，

变压器10的输出端与预充电模块20的输入端连接，预充电模块20的输出端与四象限整流器30的输入端连接，四象限整流器30的输出端与母线电容40的一端，母线电容40的另一端与逆变器50的输入端连接，逆变器50的输出端跟电机连接。

其中，变压器10将电网电压进行电压转化，提供直驱永磁变流器工作需要的电压。预充电电路20为直驱永磁电力机车变流器电路进行预充电，有效保护直驱永磁电力机车变流器电路中器件。

四象限整流器30是将交流电流转换成直流电流的一种新型整流器，本发明实施例中输入电流为交流电，该交流电经过四象限整流器30被转换成直流电作为母线电容40的输入电流。

其中，将四象限整流器输出的直流电电压称为直流母线电压，直流母线电压存在波动，直流电流不稳定，母线电容40对直流母线电压起到支撑作用，该支撑作用会使电路的波动得到改善，得到稳定的直流电压，再将稳定的直流电压作为逆变器50的输入电压，为逆变器50进行供电。

逆变器50将稳定后的直流电作转换交流电输出，输出的交流电流控制电机工作。

其中，图1中的四象限整流器包括IGBT器件，该IGBT器件实现四象限整流器将交流电流转化为直流电流的功能。下面结合图2对该四象限整流器的结构进行说明。

图2为本发明实施例提供的四象限整流器的局部电路图，如图2所示，g1、g2、g3和g4为四象限整流器的IGBT器件，g1、g2、g3和g4协同工作，实现四象限整流器将交流电压转换成直流电压的作用。

在上述图1和图2所示的实施例中，当四象限整流器因器件、控制等因素出现电压偏置时，四象限变流器将不稳定，IGBT器件偏离其额定工作区，会在变压器上产生较大的直流偏置，基于该问题本发明实施例提供一种直驱永磁电力机车变流器电流偏置抑制方法，该方法在不改变图1和图2硬件结构的基础上，通过软件来解决直流偏置的问题。下面结合图3进行详细说明。

图3为本发明实施例提供的直驱永磁电力机车变流器电流偏置抑制方法的流程示意图一，如图3所示，该方法包括：

S301、对输入四象限整流器的交流电流进行采样，得到多个采样周期内的交流电流，所述交流电流包括正半周期的电流值和负半周期的电流值。

具体地，结合图1所示，根据预设采样频率，对输入四象限整流器30的交流电流进行采样，得到多个采样点，将得到的多个采样点绘制成曲线，得到一个正弦或者余弦曲线。预设采样频率可以为IGBT通断频率的两倍甚至数倍或者其他，只要能根据预设采样频率采样得到完整的正弦或者余弦曲线即可，在此对预设采样频率不做特别限制。例如，在本实施例中，预设采样频率可以为IGBT通断频率的16倍，再将根据预设采样频率得到的多个采样点绘制成的正弦或者余弦曲线，根据相位分为正半周期和负半周期，例如正弦曲线的正半周期为0到π，负半周为π到2π，则正半周期的多个采样点的值即为交流电流正半周期的值，负半周期的多个采样点的值即为交流电流负半周期的值。采样可以得到2个周期的交流电流值，也可以是其他，只要不少于1个周期即可，本实施例对采样得到几个周期的交流电流值不做具体限制。

S302、获取所有正半周期的电流值的第一和值与所有负半周期的电流值的第二和值，并根据所述第一和值和所述第二和值，获取电流偏置值。

具体地，将所有正半周期的多个采样点的值进行加和得到第一和值P，再将所有负半周期的多个采样点的值进行加和得到第二和值N，P值与N值的绝对值进行做差计算，所得到的差值为Q。如果Q值为0，认为P值和N值的绝对值也完全相等，正弦曲线或者余弦曲线的正半周期和负半周期完全对称，交流电流没有直流偏置。若Q值不为0，则认为P值和N值的绝对值不相等，则正弦曲线或者余弦曲线的正半周期和负半周期不对称，交流电流存在直流偏置，Q值即为直流偏置值。

S303、将所述电流偏置值与零的第一差值输入至第一PI控制器，获取所述第一PI控制器输出的第一输出值。

具体地，直流偏置值Q与零输入至第一PI控制器，第一PI控制器根据直流偏置值Q与零构成控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对交流电流进行控制，消除交流电流的直流偏置。控制量即为第一输出值。

S304、根据所述第一输出值以及PR控制器输出的第二输出值得到脉冲宽度调制符号，PR控制器用于对输入所述PR控制器的交流电流进行控制处理，得到交流电流在电网电压频段处的交流电流，以及对述交流电流进行无静差控制，使交流电流的周期和相位与电网电压相同。

具体地，在离散条件下，对PR控制器采用根轨迹进行设计，使输入PR控制器的交流电流在电网电压频率频段内的增益为1，而在其他频段无响应或者迅速衰减，对输入PR控制器的交流电流进行控制处理，得到交流电流在电网电压频段处的交流电流。为了避免电网电压频率波动带来的误差，通常使输入PR控制器的交流电流在网压频率±mHz频段内的闭环增益为1,m为正整数，例如在本实施例中m为5。同时，在本实施例中，为了进一步优化PR控制器，在离散域下通过在PR控制器中加入校正环节

式中z为离散域下的微分算子，从式中看出增加了两个极点a、b和两个零点c、d，采用根轨迹法，通过调节零点和极点的大小，其中0<a<≤1，0<b<1。使PR控制器在低频段和电网电压频率频段处具备增益为1。

并且将电网电压频段处的交流电流输入到PR控制器，保证交流电流的相位和和周期与电网电压相同后，得到稳定的输出交流电流，即为第二输出值。再将第一输出值和第二输出值进行求和，得到第三和值。即第一PI控制器得到的控制量调节稳定的输出交流电流，从而抑制交流电流的直流偏置。再将第三和值用单极倍频脉冲调制方式进行调制，得到脉冲宽度调制符号。

S305、根据所述脉冲宽度调制符号控制所述四象限整流器中的绝缘栅双极型晶体管IGBT的通断。

具体地，结合图3所示，脉冲宽度调制符号作为四象限整流器中的绝缘栅双极型晶体管IGBT g1、g2、g3和g4的输入，来控制双极型晶体管IGBT的通断。通过采用单极倍频脉冲调制方式的脉冲宽度调制符号作为IGBT的输入，控制双极型晶体管IGBT的通断，使得交流电流的直流偏置能够迅速抑制和消除，且响应速度和稳态精度大幅提高。

本实施例提供的直驱永磁电力机车变流器电流偏置抑制方法，对输入四象限整流器的交流电流进行采样，得到多个采样周期内的交流电流，该交流电流包括正半周期的电流值和负半周期的电流值；获取所有正半周期的电流值的第一和值与所有负半周期的电流值的第二和值，并根据第一和值和第二和值，获取电流偏置值；将电流偏置值与零的第一差值输入至第一PI控制器，获取第一PI控制器输出的第一输出值；根据第一输出值以及PR控制器输出的第二输出值得到脉冲宽度调制符号，PR控制器用于对输入所述PR控制器的交流电流进行控制处理，得到交流电流在电网电压频段处的交流电流，以及对述交流电流进行无静差控制，使交流电流的周期和相位与电网电压相同；根据脉冲宽度调制符号控制四象限整流器中的绝缘栅双极型晶体管IGBT的通断。通过第一PI控制器输出的第一输出值来调节第二输出值，得到第三和值，从而抑制交流电流的直流偏置，将该第三和值用单极倍频脉冲调制方式进行调制，得到脉冲宽度调制符号控制IGBT的工作，避免了IGBT器件偏离其额定工作区，从而有效的对变压器侧电流偏置进行根本抑制和消除，进而消除电流偏置对四象限变流器控制的影响。

图4为本发明实施例提供的直驱永磁电力机车变流器电流偏置抑制方法的流程示意图二，图5为本实施例提供的本发明实施例提供的直驱永磁电力机车变流器电流偏置抑制方法的流程示意图3，如图5所示，Udc为直流母线电压，陷波器主要是滤除直流母线电压Udc上的波动值，Udc*为指令电压，i为输入四象限整流器的交流电流，Us为输入四象限整流器的电网电压，C为PR控制器的校正环节，结合图5，本实施例在图3实施例的基础上，对本实施例的具体实现过程进行了详细说明。如图4所示，该方法包括：

S401、根据预设采样频率对输入四象限整流器的交流电流进行采样，得到采样电流，所述预设采样频率为所述IGBT通断频率的16倍。

本实施例提供的S401与图3实施例中的S301类似，本实施例此处不再赘述。

S402、通过第一带通滤波器和第二带通滤波器对所述采样电流进行滤波，得到滤波后的采样电流；其中，所述第一带通滤波器用于获取交流电流的主频信号，所述第二带通滤波器用于滤除干扰谐波。

具体地，考虑到不同地域交流电流主频存在的差异，第一带通滤波器的通带频率设置在40Hz-60Hz之间,例如在本实施例中，第一个带通滤波器通带频率为45-55Hz，可选地，当交流电流的主频为50Hz时，将该第一带通滤波器的通带频率设置为50Hz,用于获取交流电流的主频信号。同样的，在本实施例中，四象限整流器的开关频率为f,即IGBT的通断频率为f，第二个带通滤波器通带频率为2f/50±5Hz，第二带通滤波器用于滤除高次谐波干扰。第一带通滤波器和第二带通滤波器即为图5中的滤波器。

S403、获取所述四象限整流器的直流母线电压与指令电压的第二差值，将所述第二差值输入至第二PI控制器，使得所述第二PI控制器输出的第三输出值与锁相环的输出值相乘，所述锁相环用于得到电网电压相位，从而得到与所述电网电压同周期与相位的交流电流。

具体地，直流母线电压Udc与指令电压Udc*输入至第二PI控制器，第二PI控制器根据直流母线电压Udc与指令电压Udc*偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，控制量即为第二PI控制器输出的第三输出值。再将第二PI控制器输出的第三输出值与锁相环输出相乘，得到与电网电压同相位的交流电流。锁相环即图5中的PLL,该锁相环PLL用于控制交流电流i的周期与相位和电网电压的周期与相位保持一致。根据锁相环所控制的相位计算出电网电压的相位。S403中的第二PI控制器即为图5中的第二PI。

S404、根据所述锁相环确定的电网电压相位和所述采样电流，得到多个采样周期内的交流电流，所述交流电流包括正半周期的电流值和负半周期的电流值。

具体地，根据锁相环PLL所控制的相位计算出电网电压的相位，确定交流电流i的相位，也就确定了采样电流的相位，根据相位将采样电流分为正半周期和负半周期，例如正弦曲线的正半周期为0到π，负半周为π到2π，则正半周期的多个采样点的值即为交流电流i正半周期的值，负半周期的多个采样点的值即为交流电流i负半周期的值。在本实施例中，锁相环采用优化后的基于广义二阶积分器的软件锁相环控制算法，在电网电压含有高谐波以及频率宽范围变化时，仍能够准确的计算出电网电压的幅值和相位角度。S404即为图5中的直流偏置提取计算。以多个采样周期进行计算，在电网高谐波、频率变化时，仍具备自适应能力和调节能力。

S405、获取所有正半周期的电流值的第一和值与所有负半周期的电流值的第二和值，并根据所述第一和值和所述第二和值，获取电流偏置值。

本实施例提供的S405与图3实施例中的S302类似，S405也为图5中的直流偏置提取计算，本实施例此处不再赘述。

S406、判断发生所述第一差值的绝对值大于所述滞环环宽的绝对值的次数是否大于预设次数，得到的判断结果为是。

具体地，为避免采样误差造成第一差值Q存在误差，将Q值大小和滞环环宽进行计算，滞环环宽可以为±5A，也可以为任意其他值，只要能避免成第一差值Q存在误差即可。同时为避免四象限整流器负载突变、电网电压突变时出现的误差，Q的绝对值大于滞环环宽的绝对值超过预设次数时，才判断交流电流存在直流偏置。例如，在本实施例中，滞环环宽为±5A；第一差值Q的绝对值大于5A发生2次以上，得到的判断结果为是，即交流电流存在直流偏置。具体地，第一差值Q大于5A发生2次以上，交流电流存在正直流偏置，第一差值Q小于-5A发生2次以上，交流电流存在负直流偏置。

S407、将所述电流偏置值与零的第一差值输入至第一PI控制器，获取所述第一PI控制器输出的第一输出值。

本实施例提供的S407与图3实施例中的S303类似，S407中的第一PI控制器即为图5中的第一PI，本实施例此处不再赘述。

S408、对所述第一输出值和所述PR控制输出的第二输出值进行求和，得到第三和值，所述第一输出值为电流变量，所述第二输出值为电流值；根据所述第三和值和单极倍频脉冲调制方式，得到所述脉冲宽度调制符号。

本实施例提供的S408与图3实施例中的S304类似，S408中的PR控制器即为图5中一PR。本实施例提供的S408能够解决交流电流直流偏置计算误差以及判断交流电流直流偏置的绝对值小于滞环环宽绝对值时，不能对直流偏置进行抑制的控制缺陷，使得交流电流的直流偏置得以迅速抑制和消除，且响应速度和稳态精度大幅提高。

S409、根据所述脉冲宽度调制符号控制所述四象限整流器中的绝缘栅双极型晶体管IGBT的通断。

本实施例提供的S409与图3实施例中的S305类似，同时与图5脉冲调制类似，本实施例此处不再赘述。

本发明实施例提供的直驱永磁电力机车变流器电流偏置抑制方法，将交流电流进行采样，得到采样电流，再将直流母线电压和指令电压的第二差值输入到第二PI控制器，得到第二PI控制器输出的第三输出值，第三输出值用于对交流电流进行调整。再将第三输出值与到锁相环输出值相乘后，根据锁相环计算出的电网电压相位，确定交流电流相位，进而确定采样电流的相位，再将采样电流分为正半周期和负半周期，计算出正半周期的电流值和负半周期的电流值，再将所有正半周期的电流值和所有负半周期的电流值的第一差值输入到第一PI控制器，通过第一PI控制器输出的第一输出值来调节PR控制器输出的第二输出值，得到第三和值，从而抑制交流电流的直流偏置，将该第三和值用单极倍频脉冲调制方式进行调制，得到脉冲宽度调制符号控制IGBT的工作，避免了IGBT器件偏离其额定工作区，从而有效的对变压器侧电流偏置进行根本抑制和消除，进而消除电流偏置对四象限变流器控制的影响。

进一步地，本发明实施例提供的直驱永磁电力机车变流器电流偏置抑制方法，通过判断第一差值的绝对值大于电流环宽的绝对值的次数超过预设次数，对交流电流直流偏置进行抑制，避免四象限整流器负载突变、电网电压突变时出现的误差。再通过校正环节和PR控制器，在直流偏置值小于滞环环宽时，能够对交流电流直流偏置进行抑制和消除，无论交流电流直流偏置大于还是小于滞环环宽，均能对直流偏置进行根本的抑制，使得直流偏置没有抑制死区，具有很好的抑制效果。同时，本发明实施例提供的直驱永磁电力机车变流器电流偏置抑制方法，提高了交流电流直流偏置抑制的响应速度，具备交流电流直流偏置量的调节能力，提高直流偏置计算精度，减小了计算误差，同时采用软件控制算法来解决直流偏置，省去了硬件电路设计，解决了其他直流偏置抑制方法不适用于电网电压频率宽频变化的问题。

图6为本发明实施例提供的直驱永磁电力机车变流器电流偏置抑制设备的结构示意图一。如图6所示，该直驱永磁电力机车变流器电流偏置抑制设备60包括：采样模块601、电流内环处理模块602、脉冲宽度调制PWM模块603。

采样模块601,用于对输入四象限整流器的交流电流进行采样，得到多个采样周期内的交流电流，所述交流电流包括正半周期的电流值和负半周期的电流值；

电流内环处理模块602，用于获取所有正半周期的电流值的第一和值与所有负半周期的电流值的第二和值，并根据所述第一和值和所述第二和值，获取电流偏置值；

电流内环处理模块602，还用于将所述电流偏置值与零的第一差值输入至第一PI控制器，获取所述第一PI控制器输出的第一输出值；

脉冲宽度调制PWM模块603，用于根据所述第一输出值以及PR控制器输出的第二输出值得到脉冲宽度调制符号，PR控制器用于对输入所述PR控制器的交流电流进行控制处理，得到交流电流在电网电压频段处的交流电流，以及对述交流电流进行无静差控制，使交流电流的周期和相位与电网电压相同。

脉冲宽度调制PWM模块603，还用于根据所述脉冲宽度调制符号控制所述四象限整流器中的绝缘栅双极型晶体管IGBT的通断。

本实施例的设备，可以用于执行图3所示方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

图7为本发明实施例提供的直驱永磁电力机车变流器电流偏置抑制设备的结构示意图二。本实施例在上述图6实施例的基础上，还包括：电压外环处理模块604、滤波模块605。

可选地，电压外环处理模块604用于：

对输入所述四象限整流器的交流电流进行采样，得到多个采样周期内的交流电流之前，获取所述四象限整流器的直流母线电压与指令电压的第二差值；

将所述第二差值输入至第二PI控制器，使得所述第二PI控制器输出的第三输出值输入至锁相环，所述锁相环用于控制所述交流电流的周期与相位和电网电压的周期与相位保持一致；

可选地，采样模块601具体用于：

根据预设采样频率对输入四象限整流器的交流电流进行采样，得到采样电流，所述预设采样频率为所述IGBT通断频率的16倍；

根据所述锁相环确定的电网电压相位和所述采样电流，得到多个采样周期内的交流电流；

可选地，滤波模块605用于：

在根据所述锁相环确定的电网电压相位和所述采样电流，得到多个采样周期内的交流电流之前，

通过第一带通滤波器和第二带通滤波器对所述采样电流进行滤波，得到滤波后的采样电流；其中，所述第一带通滤波器用于获取交流电流的主频信号，所述第二带通滤波器用于滤除干扰谐波；

可选地，电流内环处理模块602还用于：

将所述电流偏置值与零的第一差值输入至第一PI控制器，获取所述第一PI控制器输出的第一输出值之前，

判断所述第一差值的绝对值是否大于所述电流环宽的绝对值，得到的判断结果为是。

可选地，脉冲宽度调制PWM模块603具体用于：

根据所述第一输出值以及PR控制器输出的第二输出值得到脉冲宽度调制符号

对所述第一输出值和所述第二输出值进行求和，得到第三和值，所述第一输出值为电流变量，所述第二输出值为电流值；

根据所述第三和值和单极倍频脉冲调制方式，得到所述脉冲宽度调制符号。

本实施例的设备，可以用于执行图4所示方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

图8为本发明实施例提供的直驱永磁电力机车变流器电流偏置抑制设备的硬件结构示意图。如图8所示，本实施例的直驱永磁电力机车变流器电流偏置抑制设备80包括：现场可编程门阵列FPGA芯片801和数字信号处理DSP芯片802；其中，

FPGA芯片801用于对输入四象限整流器的交流电流进行采样。具体地，在本实施例中，FPGA芯片对直流母线电压Udc、输入四象限整流器的交流电流i、电网电压Us进行高速采样，并对采样值以100KHz的频率进行更新并保存。同时，FPGA芯片用于在四象限整流器开关频率不变的情况下，设置16倍IGBT通断频率的中断进行触发DMA(Direct Memory Access，直接内存存取)进行数据采集，将交流电流采样数据以数组a[16]的形式进行保存。

DSP芯片802用于执行如权利要求1至6中任一所述的方法，其中，所述方法不包括对输入四象限整流器的交流电流进行采样的步骤。具体地，在本实施例中，在DSP中设置交流电流采样周期中断Int1和零中断Int2，在Int1中断和Int2中断到来时读取FPGA中存储的数据并进行如权利要求1至6中任一所述的方法所涉及的运算。

通过设置中断和循环采样，在开关频率不变情况下，采样频率和计算精度提高数倍，优化了离散条件下交流电流直流偏置量的计算方法。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种直驱永磁电力机车变流器电流偏置抑制方法，其特征在于，包括：

对输入四象限整流器的交流电流进行采样，得到多个采样周期内的交流电流，所述交流电流包括正半周期的电流值和负半周期的电流值；

获取所有正半周期的电流值的第一和值与所有负半周期的电流值的第二和值，并根据所述第一和值和所述第二和值，获取电流偏置值；

判断发生电流偏置值与零的第一差值的绝对值大于滞环环宽的绝对值的次数是否大于预设次数，得到的判断结果为是；

将所述电流偏置值与零的第一差值输入至第一PI控制器，获取所述第一PI控制器输出的第一输出值；

对所述第一PI控制器输出的第一输出值和PR控制器输出的第二输出值进行求和，得到第三和值，所述第一输出值为电流变量，所述第二输出值为电流值；根据所述第三和值和单极倍频脉冲调制方式，得到脉冲宽度调制符号；所述PR控制器用于对输入所述PR控制器的交流电流进行控制处理，得到所述交流电流在电网电压频段处的交流电流，以及对所述交流电流进行无静差控制，使所述交流电流的周期和相位与电网电压相同；且所述PR控制器被校正为在低频段和电网电压频率频段处具备增益为1；

根据所述脉冲宽度调制符号控制所述四象限整流器中的绝缘栅双极型晶体管IGBT的通断。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述输入四象限整流器的交流电流进行采样，得到多个采样周期内的交流电流之前，还包括：

获取所述四象限整流器的直流母线电压与指令电压的第二差值；

将所述第二差值输入至第二PI控制器，使得所述第二PI控制器输出的第三输出值与锁相环输出值相乘，得到与所述电网电压同相位的交流电流，所述锁相环用于控制所述交流电流的周期与相位和所述电网电压的周期与相位保持一致。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对输入所述四象限整流器的交流电流进行采样，得到多个采样周期内的交流电流，包括：

根据预设采样频率对输入四象限整流器的交流电流进行采样，得到采样电流，所述预设采样频率为所述IGBT通断频率的16倍；

根据所述锁相环确定的电网电压相位和所述采样电流，得到多个采样周期内的交流电流。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述锁相环确定的电网电压相位和所述采样电流，得到多个采样周期内的交流电流之前，所述方法还包括：

通过第一带通滤波器和第二带通滤波器对所述采样电流进行滤波，得到滤波后的采样电流；其中，所述第一带通滤波器用于获取交流电流的主频信号，所述第二带通滤波器用于滤除干扰谐波。

5.一种直驱永磁电力机车变流器电流偏置抑制设备，其特征在于，包括：

采样模块，用于对输入四象限整流器的交流电流进行采样，得到多个采样周期内的交流电流，所述交流电流包括正半周期的电流值和负半周期的电流值；

电流内环处理模块，用于获取所有正半周期的电流值的第一和值与所有负半周期的电流值的第二和值，并根据所述第一和值和所述第二和值，获取电流偏置值；

所述电流内环处理模块还用于，判断发生电流偏置值与零的第一差值的绝对值大于滞环环宽的绝对值的次数是否大于预设次数，得到的判断结果为是；将所述电流偏置值与零的第一差值输入至第一PI控制器，获取所述第一PI控制器输出的第一输出值；

脉冲宽度调制PWM模块，用于对所述第一PI控制器输出的第一输出值和PR控制器输出的第二输出值进行求和，得到第三和值，所述第一输出值为电流变量，所述第二输出值为电流值；根据所述第三和值和单极倍频脉冲调制方式，得到所述脉冲宽度调制符号；所述PR控制器用于对输入所述PR控制器的交流电流进行控制处理，得到所述交流电流在电网电压频段处的交流电流，以及对所述交流电流进行无静差控制，使所述交流电流的周期和相位与电网电压相同；且所述PR控制器被校正为在低频段和电网电压频率频段处具备增益为1；

所述脉冲宽度调制PWM模块还用于，根据所述脉冲宽度调制符号控制所述四象限整流器中的绝缘栅双极型晶体管IGBT的通断。

6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，还包括：电压外环处理模块；

所述电压外环处理模块，用于在所述对输入四象限整流器的交流电流进行采样，得到多个采样周期内的交流电流之前，获取所述四象限整流器的直流母线电压与指令电压的第二差值；

将所述第二差值输入至第二PI控制器，使得所述第二PI控制器输出的第三输出值输入至锁相环，所述锁相环用于控制所述交流电流的周期与相位和电网电压的周期与相位保持一致。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述采样模块具体用于根据预设采样频率对输入四象限整流器的交流电流进行采样，得到采样电流，所述预设采样频率为所述IGBT通断频率的16倍；

根据所述锁相环确定的电网电压相位和所述采样电流，得到多个采样周期内的交流电流。

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，还包括：滤波模块；

所述滤波模块用于，在根据所述锁相环确定的电网电压相位和所述采样电流，得到多个采样周期内的交流电流之前，通过第一带通滤波器和第二带通滤波器对所述采样电流进行滤波，得到滤波后的采样电流；其中，所述第一带通滤波器用于获取交流电流的主频信号，所述第二带通滤波器用于滤除干扰谐波。

9.一种直驱永磁电力机车变流器电流偏置抑制设备，其特征在于，包括：

现场可编程门阵列FPGA芯片和数字信号处理DSP芯片；

所述FPGA芯片用于对输入四象限整流器的交流电流进行采样；

所述DSP芯片用于执行如权利要求1至4中任一所述的方法，其中，所述方法不包括对输入四象限整流器的交流电流进行采样的步骤。

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