CN111756258A - 多重化四象限脉冲整流器的控制方法 - Google Patents

多重化四象限脉冲整流器的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及四象限脉冲整流器的控制方法，具体为一种多重化四象限脉冲整流器的控制方法。解决现有多重化四象限脉冲整流器的控制方法存在的谐波电流比较大，对电网造成谐波污染的问题。本发明通过多重化载波移相控制方式不仅可减少交流测电流的谐波含量，降低电网污染，同时通过移相角分配策略，在隔轴情况下仍可正常运行，增加整个系统的冗余性；通过开关频率切换策略，可控制四象限脉冲整流器在重载工况下，低开关频率运行；在轻载工况下，由于工作电流相对较小，在满足散热的前提下，适当提高功率器件的开关频率，进一步减小低次谐波含量，降低对电网的谐波污染，并发挥出四象限脉冲整流器在整个负荷区间内的高效率运行。

Description

多重化四象限脉冲整流器的控制方法
技术领域
本发明涉及四象限脉冲整流器的控制方法，具体为一种多重化四象限脉冲整流器的控制方法。
背景技术
多重化四象限脉冲整流器由n个四象限脉冲整流器并联而成，变压器引出n个独立的副边，作为n个四象限脉冲整流器输入电压，再将n个四象限脉冲整流器输出端并连在直流母线上，共同维持直流母线的稳定。
n个四象限脉冲整流器中的每个四象限脉冲整流器的控制方法采用四象限控制算法。四象限控制算法采用电压外环和电流内环构成的双闭环的控制策略：外环为电压控制环，采用PI控制器，直流母线电压采样值和母线电压指令值(目标值)作差作为PI控制器的输入，实现对直流母线的稳压控制；内环为电流控制环，选择比例-谐振(PR)调节器，对网测电流进行控制；PI控制器的输出与网测电压相位角的余弦值cos(ωt)相乘作为电流指令值，各四象限脉冲整流器的输入电流采样值作为反馈值，两者作差输入到PR调节器，PR调节器的输出作为调制波，输入到脉冲调制单元，产生PWM脉冲控制四象限脉冲整流器的开关器件。
多重化四象限脉冲整流器作为一种大功率四象限脉冲整流器广泛应用于电气化铁路行业，作为牵引控制系统的前级整流单元，在重载工况下，由于工作电流大，受散热及功率器件最大工作电流限制，各四象限脉冲整流器开关频率通常较低，导致谐波电流比较大，并且多个四象限脉冲整流器同时工作时，在现有控制方法下，低次谐波会进行叠加，对电网会造成很大的谐波污染，严重会导致电网崩溃；另一方面，机车在工作阶段，各四象限脉冲整流器工作在固定开关频率下，无法根据负载大小进行工作频率的调整，无法发挥出四象限整流器在整个负荷区间内高效率运行。
发明内容
本发明解决现有多重化四象限脉冲整流器的控制方法存在的谐波电流比较大，对电网造成谐波污染的问题，提供一种多重化四象限脉冲整流器的控制方法，以减少网测电流的谐波含量，降低电网污染。
本发明是采用如下技术方案实现的：多重化四象限脉冲整流器的控制方法，多重化四象限脉冲整流器由n个四象限脉冲整流器并联而成，n≥2,n个四象限脉冲整流器输出端并连在直流母线上；n个四象限脉冲整流器中的每个四象限脉冲整流器有两个桥臂即A桥臂和B桥臂；n个四象限脉冲整流器中有m个为无故障正常运行的，m≤n；
n个四象限脉冲整流器中的每个四象限脉冲整流器的控制方法采用四象限控制算法，四象限控制算法采用电压外环和电流内环构成的双闭环的控制策略：外环为电压控制环，采用PI控制器；内环为电流控制环，选择PR调节器，PR调节器的输出作为调制波，输入到脉冲调制单元，产生PWM脉冲；m个四象限脉冲整流器中的每个四象限脉冲整流器的脉冲调制单元的载波相位，由载波锁相环产生，载波锁相环的中心角频率为kω0，k为脉冲调制单元的载波比，ω0为多重化四象限脉冲整流器的网测电压Vs的基波电压的角频率，载波锁相环的参考相位指令
Figure BDA0002527705200000021
k为脉冲调制单元的载波比，θ为实时采集的多重化四象限脉冲整流器的网测电压Vs的相位角度，
Figure BDA0002527705200000022
表示载波相位移相值，m个四象限脉冲整流器选用不同的载波相位移相值
Figure BDA0002527705200000023
使得m个四象限脉冲整流器的脉冲调制单元的载波彼此移相(彼此保持相位差)，从而在交流侧表现为电流纹波波形相互交错抵消，进而使得多重化四象限脉冲整流器的网测电流纹波幅值减小，提高网侧谐波品质；具体地，m个四象限脉冲整流器的载波相位移相值
Figure BDA0002527705200000024
分别为：
Figure BDA0002527705200000025
进一步地，每个四象限脉冲整流器的A桥臂和B桥臂分别调制，即分别产生A桥臂和B桥臂的PWM脉冲。这样，在一个载波周期中，两个桥臂的功率器件各开关动作一次，整流桥交流侧电压便会产生两个脉冲。在一个载波周期内采样计算两次，等效于实际控制输出的脉冲频率加倍，进一步减小电流纹波。
更进一步地，根据多重化四象限脉冲整流器直流侧的负载工况选择载波频率，即在重载工况下，以低频率运行；在轻载工况下，以高频率运行。这样，进一步减少注入电网的谐波电流，并发挥出四象限脉冲整流器在整个负荷区间内的高效率运行。
本发明通过多重化载波移相控制方式不仅可减少交流测电流的谐波含量，降低电网污染，同时通过移相角分配策略，在隔轴情况下仍可正常运行，增加整个系统的冗余性；通过开关频率切换策略，可控制四象限脉冲整流器在重载工况下，低开关频率运行；在轻载工况下，由于工作电流相对较小，在满足散热的前提下，适当提高功率器件的开关频率，进一步减小低次谐波含量，降低对电网的谐波污染，并发挥出四象限脉冲整流器在整个负荷区间内的高效率运行。
附图说明
图1为多重化四象限脉冲整流器电气原理图；
图2为本发明实施例的控制原理框图；
图3为本发明实施例的双级锁相环原理框图；
图4为本发明实施例的单级倍频调制方式示意图；
图5为本发明整体控制逻辑流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明:
1、多重化四象限脉冲整流器的电器原理图如图1所示，变压器原边通过接触网连接25KV50Hz网压，副边连接到H桥。交流回路接入预充电电路，K11为预充电接触器，R11为预充电电阻，K12为工作接触器，预充电电路可减小母线预充电阶段的电流冲击，可根据冗余需求确定预充电电路个数。H桥由A桥臂和B桥臂构成，每个桥臂由两个反并联二极管的IGBT构成。g11、g12、g13和g14为IGBT控制极，工作阶段通过控制极来控制器件的开通和关断。中间直流回路由支撑电容构成。us表示变压器副边绕组感应电势，Udc表示中间直流母线电压。将变压器引出n个独立的副边，作为n个四象限脉冲整流器的输入电压，再将n个四象限脉冲整流器输出端并联在母线上，共同维持母线的稳定。
2、多重化四象限脉冲整流器的控制原理框图如图2所示，主要构成：控制算法模块、锁相环模块、多重化控制模块、频率切换模块、倍频调制模块。
(1)控制算法模块：外环为电压控制环，采用PI控制器，根据母线电压指令值
Figure BDA0002527705200000031
与直流母线采样值Udc作差，输入到PI控制器；电流内环选择比例-谐振(PR)调节器进行电流控制，PR调节器能够无静差的跟踪交流电流指令值；PI控制器输出量与基波锁相环输出的相位角的余弦值cos(ωt)相乘，再与四象限输入电流采样值is作差，作为电流内环PR调节器的输入。PR调节器的输出作为调制波输入到倍频调制模块。
(2)锁相环模块：设计了一种双级锁相环，对电网电压幅值和相位进行跟踪的基波锁相环，用于多重化载波移相控制的载波锁相环；基波锁相环通过倍频来实现载波锁相环；可通过软件编程方式来实现这两种数字锁相环；
基波锁相环以电网电压过零时刻θ*作为指令值，以锁相环输出的电压过零时刻θ作为反馈值，两者相减得到电网角频率的修正量Δθ，通过带有反馈调节的PI控制器调节Δθ为零，ω0是基波锁相环中心角频率，通过基波锁相环实时获取Vs的相位角度θ，如图3所示；
以基波锁相环为基准，增加一级锁相环，实现载波锁相环；图中
Figure BDA0002527705200000041
为载波锁相环的参考相位指令，计算如下：
Figure BDA0002527705200000042
Figure BDA0002527705200000043
其中
Figure BDA0002527705200000044
表示载波工作频率，fp表示调制波工作频率(电网工作频率)，k表示四象限脉冲整流器脉冲调制的载波比；
Figure BDA0002527705200000045
表示载波相位移相值，可通过查表法来获取，同样载波锁相环的中心角频率也选为网压基波频率的k倍，即kω0，通过带有反馈调节的PI控制器，来保证各四象限脉冲整流器的脉冲调制载波按照参考相位指令值进行偏移。
(3)多重化控制模块：多重化采用载波移相控制策略，给正常工作的四象限脉冲整流器分配合适的移相角；根据网络端给定的轴隔离控制字，隔离故障的四象限脉冲整流单元；通过查表法，对正常工作的四象限脉冲整流器载波进行相移角度计算及分配，相移角度计算如下；
Figure BDA0002527705200000046
其中
Figure BDA0002527705200000047
表示表示载波相位移相值，k表示载波比，m表示正常工作的四象限脉冲整流器个数；
以四重化，开关频率(载波频率)450Hz、调制波频率50Hz为例，四重化为即为四个轴，分别进行编号：4QC_1、4QC_2、4QC_3、4QC_4；根据轴隔离控制字，通过查表法，重新分配每个轴载波的移相角。0x000F(1111)代表四个轴正常工作，载波相位移相值分别为：0、
Figure BDA0002527705200000051
0x000E(1110)代表1号故障轴4QC_1被隔离，正常工作轴4QC_2、4QC_3和4QC_4载波相位移相值分别为：0、
Figure BDA0002527705200000052
0x000D(1101)代表2号故障轴4QC_2被隔离，正常工作轴4QC_1、4QC_3和4QC_4载波相位移相值分别为：0、
Figure BDA0002527705200000053
0x000B(1011)代表3号故障轴4QC_3被隔离，正常工作轴4QC_1、4QC_2和4QC_4载波相位移相值分别为：0、
Figure BDA0002527705200000054
0x0007(0111)代表4号故障轴4QC_4被隔离，正常工作轴4QC_1、4QC_2和4QC_3载波相位移相值分别为：0、
Figure BDA0002527705200000055
如表1所示。
表1轴隔离相移角度分配
Figure BDA0002527705200000056
表1仅给出无隔离和单轴隔离工况下，各轴移相角分配情况，两轴及多轴隔离工况原理类似，此处不再赘述。
(4)倍频调制模块：调制方式采用单极倍频调制，在一个载波周期中，每个桥臂器件开关动作一次，但是整流桥交流侧电压会产生两个脉冲。在一个载波周期中采样并计算两次，相当于实际控制输出的脉冲频率加倍了，如图4所示，这样有利于减小电流纹波。具体实现方法如下：对A桥臂和B桥臂分别调制。
通过如下公式：
Figure BDA0002527705200000061
Figure BDA0002527705200000062
分别得到A桥臂的调制波UaN和B桥臂的的调制波UbN，其中，Udc表示中间直流母线电压，U*表示PR调节器输出的调制波；A桥臂的调制波UaN和B桥臂的的调制波UbN分别与载波(以开关频率450Hz为例)比较，得到A桥臂的PWM脉冲和B桥臂的PWM脉冲；
3、频率切换整体控制逻辑如图5所示，以重载工况下工作频率450Hz和轻载工况下工作频率900Hz为例进行频率切换控制策略说明，频率切换控制逻辑如下：
(1)首先进行初始化，包括变量初始化、寄存器初始化、AD采样初始化等。
(2)初始化完成后，进行上位机网络通信，主要包括列车工作状态、外部控制变量的传递更新、轴隔离控制字、开关频率切换使能位、工作频率指令值等。
(3)进行AD采样，主要进行模拟量采集，通过模数转换，把电气模拟量转换为可供控制器处理的数字量。
(4)采集的网压信号用于基波锁相环，完成网压相位的锁定；利用基波锁相环实时计算电网电压相位与幅值信息，锁相完成后，输出锁相完成标志位；若未完成，则重新进行网压信号的AD采样，直至锁相完成；根据网络端传递的工作频率指令值，通过将基波倍频的方式，来实现载波锁相环，进而完成对载波频率的控制。
(5)根据基波锁相环输出的实时网压相位，完成网压正过零点时刻的检测；若未完成，则重新进行网压信号的AD采样，直至检测到正过零点。
(6)根据上位机网络端传递的轴隔离控制字，通过查表法完成正常工作轴相移角度的分配。
(7)网络端根据机车运行工况，给定开关频率使能位，若四象限脉冲整流器处于重载工况下，开关频率切换指令值为0；若四象限脉冲整流器处于轻载工况下，则开关频率切换指令值为1；指令值由0变为1，工作频率由450Hz切换为900Hz；指令值由1变为0，工作频率由900Hz切换为450Hz。
(7)根据载波锁相环调制的载波和相移角度进行多重化载波移相控制。
(8)综合开关频率切换指令值和网压正过零点时刻进行工作频率的切换。
(9)最后采用单极倍频调制方式，通过载波移相控制，完成各正常工作单元载波移相角的控制，最后输出PWM调制波，控制IGBT开关管动作，完成整个控制过程。

Claims (9)

1.一种多重化四象限脉冲整流器的控制方法，多重化四象限脉冲整流器由n个四象限脉冲整流器并联而成，n≥2,n个四象限脉冲整流器输出端并连在直流母线上；n个四象限脉冲整流器中的每个四象限脉冲整流器有两个桥壁即A桥臂和B桥臂；n个四象限脉冲整流器中有m个为无故障正常运行的，m≤n；
n个四象限脉冲整流器中的每个四象限脉冲整流器的控制方法采用四象限控制算法，四象限控制算法采用电压外环和电流内环构成的双闭环的控制策略：外环为电压控制环，采用PI控制器；内环为电流控制环，选择PR调节器，PR调节器的输出作为调制波，输入到脉冲调制单元，产生PWM脉冲；其特征在于，m个四象限脉冲整流器中的每个四象限脉冲整流器的脉冲调制单元的载波相位，由载波锁相环产生，载波锁相环的中心角频率为kω0，k为脉冲调制单元的载波比，ω0为多重化四象限脉冲整流器的网测电压Vs的基波电压的角频率，载波锁相环的参考相位指令
Figure FDA0002527705190000011
k为脉冲调制单元的载波比，θ为实时采集的多重化四象限脉冲整流器的网测电压Vs的相位角度，
Figure FDA0002527705190000012
表示载波相位移相值，m个四象限脉冲整流器选用不同的载波相位移相值
Figure FDA0002527705190000013
使得m个四象限脉冲整流器的脉冲调制单元的载波彼此移相。
2.根据权利要求1所述的多重化四象限脉冲整流器的控制方法，其特征在于，m个四象限脉冲整流器的载波相位移相值
Figure FDA0002527705190000014
分别为：
Figure FDA0002527705190000015
3.根据权利要求1或2所述的多重化四象限脉冲整流器的控制方法，其特征在于，每个四象限脉冲整流器的A桥臂和B桥臂分别调制，即分别产生A桥臂和B桥臂的PWM脉冲。
4.根据权利要求1或2所述的多重化四象限脉冲整流器的控制方法，其特征在于，根据多重化四象限脉冲整流器直流侧的负载工况选择载波频率，即在重载工况下，以低频率运行；在轻载工况下，以高频率运行。
5.根据权利要求3所述的多重化四象限脉冲整流器的控制方法，其特征在于，根据多重化四象限脉冲整流器直流侧的负载工况选择载波频率，即在重载工况下，以低频率运行；在轻载工况下，以高频率运行。
6.根据权利要求1所述的多重化四象限脉冲整流器的控制方法，其特征在于，实时采集的多重化四象限脉冲整流器的网测电压Vs的相位角度θ是由基波锁相环获得的，基波锁相环以网测电压Vs过零时刻θ*作为指令值，以锁相环输出的电压过零时刻θ作为反馈值，两者相减得到电网角频率的修正量Δθ，通过带有反馈调节的PI控制器调节Δθ为零，ω0是基波锁相环中心角频率，通过基波锁相环实时获取Vs的相位角度θ。
7.根据权利要求3所述的多重化四象限脉冲整流器的控制方法，其特征在于，通过如下公式：
Figure FDA0002527705190000021
Figure FDA0002527705190000022
分别得到A桥臂的调制波UaN和B桥臂的的调制波UbN，其中，Udc表示中间直流母线电压，U*表示PR调节器输出的调制波；A桥臂的调制波UaN和B桥臂的的调制波UbN分别与载波比较，得到A桥臂的PWM脉冲和B桥臂的PWM脉冲。
8.根据权利要求4所述的多重化四象限脉冲整流器的控制方法，其特征在于，重载工况下工作频率450Hz，轻载工况下工作频率900Hz。
9.根据权利要求5所述的多重化四象限脉冲整流器的控制方法，其特征在于，重载工况下工作频率450Hz，轻载工况下工作频率900Hz。
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