CN112290820A - 一种机车四象限变流器负载突变复合检测及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机车四象限变流器负载突变控制方法，具体为一种机车四象限变流器负载突变复合检测及控制方法。一种机车四象限变流器负载突变复合检测及控制方法，该方法通过四象限控制方法实现，电压外环由传统PI控制器改为滑模控制器并配合斩波控制器，一方面不改变现有主电路及不需要额外的硬件电路设计，另一方面在检测到负载突变时可以对中间电压跳变量进行快速控制，保证中间电压稳定，提高了控制系统的鲁棒性和抗干扰能力。在发生负载突变时，斩波器控制配合四象限控制能够保证中间电压稳定，不会造成牵引变流器故障发生，从而保障列车安全稳定运行。

Description

一种机车四象限变流器负载突变复合检测及控制方法

技术领域

本发明涉及机车四象限变流器负载突变控制方法，具体为一种机车四象限变流器负载突变复合检测及控制方法。

背景技术

四象限变流器即能量可双向流动的变流器，当车辆处于牵引的情况时，能量可以呈现AC/DC变流特性，将单相电网上的交流电整流为稳定的直流电供后端逆变器使用。当车辆处于制动的情况时，能量可以呈现DC/AC变流特性，将后端直流电逆变为高功率因数的交流电。在列车运行过程中，当逆变器报出故障或牵引电机出现故障后，列车控制系统会立即将故障电机隔离，故障消除后负载电机重新投入工作。大功率负载电机突投突切会引起直流母线电压剧烈波动，严重时会对牵引变流器器件造成损害，给列车安全稳定运行带来了严重影响。通过优化四象限控制算法，对负载突变引起的中间电压跳变量进行快速控制，从而保障列车安全稳定运行。

现有针对负载突变的方法之一是提高中间支撑电容电容值，抑制负载突变引起的中间电压波动。该方法在原有支撑电容基础上，通过在牵引变流器中间回路并联中间支撑电容，提高中间支撑电容阻值，从而抑制负载突变引起的中间电压波动，减小中间电压纹波。这种方法的缺点有两个，一方面增大了变流器体积提高了成本，另一方面使系统的响应速度变慢。

现有另一种针对负载突变的方法是通过牵引四象限控制方法实现，四象限控制方法采用双闭环控制策略，当负载突变时，通过电压外环PI控制器+电流内环PR控制器来保证中间母线电压的稳定。这种方法的缺点是负载突变功率较大时，系统鲁棒性较差，动态相应速度不快、抗干扰能力不强，不能保证列车安全稳定运行。

发明内容

本发明为了解决现有机车四象限变流器负载突变检测控制方法存在的问题和缺陷，提供一种机车四象限变流器负载突变复合检测及控制方法，该方法通过四象限控制方法实现，电压外环由传统PI控制器改为滑模控制器并配合斩波控制器，一方面不改变现有主电路及不需要额外的硬件电路设计，另一方面在检测到负载突变时可以对中间电压跳变量进行快速控制，保证中间电压稳定，提高了控制系统的鲁棒性和抗干扰能力。在发生负载突变时，斩波器控制配合四象限控制能够保证中间电压稳定，不会造成牵引变流器故障发生，从而保障列车安全稳定运行。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种机车四象限变流器负载突变复合检测及控制方法，包括以下步骤：

(1)四象限变流器启动；

(2)若发生负载突切，负载电流i_L减小，引起直流母线电压u_dc上升，当前母线电压u_dc会和中间直流电压给定值

产生误差量u_{dc_err}，将误差量传至电压外环控制器；

(3)若发生负载突投，负载电流i_L增大，引起直流母线电压u_dc下降，当前母线电压u_dc会和中间直流电压给定值

产生误差量u_{dc_err}，将误差量传至电压外环控制器；

(4)电压外环控制器为滑模控制器，滑模控制器根据输入的误差量输出电流内环指令电流i^*；

(5)将步骤(4)得到的电流内环指令电流i^*与变流器交流侧电流i作比较，将误差信号i_{_err}送给电流内环PR控制器，电流内环PR控制器输出e^*；

(6)计算得到变压器次边电压值e；

(7)将电流内环PR控制器输出值e^*与变压器次边电压值e作比较得到参考电压u*，将参考电压信号送至调制模块，调制模块产生PWM脉冲用于控制四象限变流器IGBT开通关断，实现PWM整流；

(8)采集检测此时的中间直流电压值u_dc，若此时u_dc和中间直流电压给定值

满足公式

则表明负载突变值被四象限控制软件消除，系统稳定运行，否则返回步骤(4)，重复步骤(4)～步骤(8)。

上述的一种机车四象限变流器负载突变复合检测及控制方法，在四象限变流器一侧设置斩波器，若发生负载突切，当检测到直流母线电压U_dc大于斩波开通电压阈值U_u，斩波器工作。斩波电阻消耗中间直流回路能量，进而降低直流母线电压。

上述的一种机车四象限变流器负载突变复合检测及控制方法，若突切负载功率过大，母线电压U_dc波动剧烈，斩波器开通总时间T满足以下公式，则斩波器被控制切除，剩下由四象限控制方法控制母线电压U_dc。

T≥T_OT

其中：T_OT为斩波过温保护时间

上述的一种机车四象限变流器负载突变复合检测及控制方法，滑模控制器具体设计方法如下：

a)根据控制需求及被控对象写出四象限整流器的数学模型

其中：R_L为负载阻值，i_S为四象限整流器直流侧电流，E_amp表示四象限整流器交流侧电压的峰值，C_d为直流母线电容，θ为电网电压相角；

b)滑模面的设计：由上式可以推出：

定义电压外环的状态变量：

根据上式可知:

定义：

则上式可变为:

定义滑模面函数为：x＝cx₁+x₂，对上式求导，可得：

根据状态方程，滑模控制器控制自由度变量采用直接变量U_dc，方便直接控制控制量；依据滑模面的选取原则，定义变量U_dc的滑模控制面为：

其中：k为常数；

C)趋近律的设计：为了保证U_dc的稳定控制以及四象限控制系统有较好的动态性能，选择指数趋近律，表达式如下：

D)控制器和滑模面的关系：控制器的表达式为：

式中：c、ε、k为滑模控制器参数，均为正数，从而得到电流内环的指令电流为：

上述的一种机车四象限变流器负载突变复合检测及控制方法，变压器次边电压值e的计算过程为：采集电网电压Us，对采集到的电网电压Us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，再经过变换计算得到网压瞬时值U_p，再计算得到网压有效值U_rms，公式如下：

U_rms＝U_p*0.707106781，根据变压器变比，求得变压器次边电压值e，公式如下：e＝U_rms*kk，其中：kk为变压器原副边变比。

上述的一种机车四象限变流器负载突变复合检测及控制方法，调制模块调制策略采用正弦脉宽调制SPWM，同时增加单级倍频技术。

本发明一种机车四象限变流器负载突变检测控制方法，有益效果如下：

1.列车实际运行过程中，大功率负载电机突投突切会引起直流母线电压剧烈波动，严重时会对牵引变流器器件造成损害，影响列车稳定运行。针对这一工程实际问题，提出一种机车四象限变流器负载突变检测控制方法，该方法采用四象限控制软件实现，不改变现有主电路及不需要额外的硬件电路设计。

2.该方法通过优化原有四象限控制算法，在负载突切时，斩波器控制和四象限控制配合来稳定母线电压；负载突投时，四象限控制稳定母线电压；电压外环由传统PI控制器改为滑模控制器，在检测到负载突变时可以对中间电压跳变量进行快速控制。

3.该方法目前已在半实物仿真平台验证完成，结果表面电压外环采用滑模控制器提高了控制系统的鲁棒性和动态性能，在发生负载突变时，不会造成机车牵引变流器器件等损害，能够保障列车安全稳定运行。

附图说明

图1是负载突变检测控制流程图。

图2是四象限软件控制框图。

图3是电压外环控制框图。

图4是电流内环控制框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

图1为负载突变检测控制流程图，负载突变检测控制方法的具体步骤如下：

(1)四象限启动

主断路器闭合后，TCU检测到网压有效值U_rms在16.5KV-31KV，同时工作接触器闭合后，TCU主控下发给DSP板四象限启动指令，四象限变流器执行启动指令。

(2)若发生负载突切，负载电流i_L减小，引起直流母线电压u_dc上升，当检测到直流母线电压u_dc大于斩波开通电压阈值u_u，斩波器工作。

(3)斩波器工作

斩波器的工作原理：

斩波器控制一直与四象限控制配合来调节母线电压u_dc，当满足以下公式时，斩波器开通，斩波脉冲处于T_on状态；

u_dc>U_on (1)

当满足以下公式时，斩波器关断，斩波脉冲处于T_off状态；

u_dc<U_off (2)

其中，U_on为斩波器开通电压阈值，U_off为斩波器关断电压阈值

若突切负载功率过大，母线电压u_dc波动剧烈，若斩波器开通总时间T满足以下公式，则TCU报出斩波超温保护故障，斩波控制切除，剩下由四象限软件控制母线电压u_dc，当前母线电压U_dc会和中间直流电压给定值

产生误差量u_{dc_err}，将误差信号传至电压外环控制器。

T≥T_OT

其中：T_OT为斩波过温保护时间

(4)若发生负载突投，负载电流i_L增大，引起直流母线电压u_dc下降，当前母线电压u_dc会和中间直流电压给定值

产生误差量u_{dc_err}，将误差信号传至电压外环控制器。

(5)电压外环滑模控制器设计

电压外环控制器将PI控制器改为滑模控制器，滑模控制本质上是非线性控制的一种，它的非线性表现为控制的不连续性，即系统的“结构”不固定，可以在动态过程中根据系统当前的状态有目的地不断变化，迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动。在发生负载突变时，传统PI控制器虽然最终能满足中间电压稳定，但响应速度慢，且存在超调量，因此选择滑模控制器，经过半实物仿真验证控制系统有较好的鲁棒性和动态性能，在发生负载突变时能保障机车稳定运行，具体设计方法如下：

a)根据控制需求及被控对象写出四象限整流器的数学模型

其中：R_L为负载阻值，i_S为四象限整流器直流侧电流，E_amp表示四象限整流器交流侧电压的峰值，I_amp表示四象限整流器交流侧电流的峰值，θ为电网电压相角，C_d为直流母线电容。

b)滑模面的设计

由公式(7)可以推出：

定义电压外环的状态变量：

其中：

为中间直流电压给定值，通常为一常量；u_dc为实际直流母线电压，根据公式(9)可知:

定义：

则公式(10)可变为:

定义滑模面函数为：

x＝cx₁+x₂ (12)

其中：c>0为待设计参数

对公式(12)求导，可得：

根据四象限整流器的数学模型，滑模控制器控制自由度变量采用直接变量u_dc，方便直接控制控制量。依据滑模面的选取原则，定义变量u_dc的滑模控制面为：

其中：k为常数。

c)趋近律的设计

趋近律一般有如下几种设计：

其中：

为了保证u_dc的稳定控制以及四象限控制系统有较好的动态性能，此处选择指数趋近律，表达式如下：

d)控制器和滑模面的关系

由前面公式推出控制器的表达式为：

式中：c、ε、k为滑模控制器参数，均为正数

从而得到电流内环的指令电流为：

由上式可以看出，控制器包含积分项，一方面可以削弱抖振现象，另一方面也可以消除系统的稳态误差，提高系统的控制品质。

e)稳定性的验证

用Lyapenov函数来判断系统的稳定性，对于系统状态方程

对于平衡点x，如果存在一个连续函数V满足

那么系统将在平衡点x＝0处稳定，即

令V(x,t)＝x²/2，满足条件1，对V进行求导得：

其中：ε>0,k>0

由上式推出条件2也满足，因此满足Lyapenov函数的条件，x最终会稳定在滑模面，即x＝0，证明了所设计的滑模控制器稳定性。

(6)将步骤(5)得到的电流内环指令电流i^*与变流器交流侧电流i作比较，将误差信号i_{_err}送给电流内环PR控制器。

(7)计算得到变压器次边电压值e

采集电网电压Us，对采集到的电网电压Us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，再经过变换计算得到网压瞬时值U_p，即网压的幅值；

计算得到网压有效值U_rms，公式如下：

U_rms＝U_p*0.707106781

根据变压器变比，求得变压器次边电压值e，公式如下：

e＝U_rms*kk

其中：kk为变压器原副边变比；

(8)将电流内环输出值e^*与变压器次边电压值e作比较得到参考电压u*，将参考电压信号送至调制模块，调制模块产生PWM脉冲用于控制四象限变流器IGBT开通关断，实现PWM整流。调制策略采用正弦脉宽调制SPWM，同时增加了单级倍频技术。

单级倍频调制技术即在一个载波周期中，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。优势是输出脉冲频率加倍，减小电流纹波。

(9)采集检测此时的中间直流电压值U_dc，若此时U_dc和中间直流电压给定值

满足以下公式，则表明负载突变值被四象限控制软件消除，系统稳定运行，否则返回步骤(5)，重复步骤(5)～步骤(8)。

图2是四象限软件控制框图。L和R分别表示交流侧滤波电感和它的电阻，C_d为直流母线电容。e表示变压器次边电压值，i表示变流器交流侧(即变压器副边绕组)电流，u_dc为直流母线电压，u_ab表示由开关管对u_dc斩波得到的变压器副边绕组端电压(变流器交流侧电压)，i_s和i_L分别表示四象限整流器直流侧电流和负载侧输出电流。控制策略包含两个控制环，电压外环和电流内环。

图3是电压外环控制框图。

电压外环被控对象：母线电压，通过控制流入电容的电流，来控制母线电压。

电压外环控制目标：实现直流侧中间电容上的实际电压稳定在给定指令电压；

变流器直流母线电容电压方程为：

忽略电感储能，根据能量守恒，在一个工频周期内，交流侧有功功率等于直流侧平均功率，即：

其中：T表示工频周期，

假设直流母线电压基本不变，得到：

将电流内环近似为惯性环节，得到：

其中T_i表示电流环的闭环带宽

由图3可知，电压外环的受控对象传递函数为：

将式(5)带入式(3)得到四象限整流器的数学模型

图4是电流内环控制框图。电流内环是实现单位功率因数下完成对电压外环给定电流的跟踪，通过控制整流桥交流侧电压U_ab，来控制四象限变流器交流侧输入电流i。

电流内环采用PR控制，传递函数为：

其中：ω_c表示控制器带宽；ω₀表示谐振频率，K_P，K_R表示比例谐振控制器参数

根据内模原理，要实现对信号的无静差跟踪，控制器必须包含信号的模型，PI控制器积分环节的传函为1/s，只能跟踪一阶信号，而电流的正弦信号是二阶的，因此选用PR控制器，可以进行无静差跟踪。

Claims (6)

1.一种机车四象限变流器负载突变复合检测及控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)四象限变流器启动；

(2)若发生负载突切，负载电流i_L减小，引起直流母线电压u_dc上升，当前母线电压u_dc会和中间直流电压给定值

产生误差量u_{dc_err}，将误差量传至电压外环控制器；

(3)若发生负载突投，负载电流i_L增大，引起直流母线电压u_dc下降，当前母线电压u_dc会和中间直流电压给定值

产生误差量u_{dc_err}，将误差量传至电压外环控制器；

(4)电压外环控制器为滑模控制器，滑模控制器根据输入的误差量输出电流内环指令电流i^*；

(5)将步骤(4)得到的电流内环指令电流i^*与变流器交流侧电流i作比较，将误差信号i_{_err}送给电流内环PR控制器，电流内环PR控制器输出e^*；

(6)计算得到变压器次边电压值e；

(7)将电流内环PR控制器输出值e^*与变压器次边电压值e作比较得到参考电压u*，将参考电压信号送至调制模块，调制模块产生PWM脉冲用于控制四象限变流器IGBT开通关断，实现PWM整流；

(8)采集检测此时的中间直流电压值u_dc，若此时u_dc和中间直流电压给定值

满足公式

则表明负载突变值被消除，系统稳定运行，否则返回步骤(4)，重复步骤(4)～步骤(8)。

2.根据权利要求1所述的一种机车四象限变流器负载突变复合检测及控制方法，其特征在于：在四象限变流器一侧设置斩波器，若发生负载突切，当检测到直流母线电压u_dc大于斩波开通电压阈值u_u，斩波器工作。

3.根据权利要求2所述的一种机车四象限变流器负载突变复合检测及控制方法，其特征在于：若突切负载功率过大，母线电压u_dc波动剧烈，斩波器开通总时间T满足公式T≥T_OT，其中：T_OT为斩波过温保护时间,则斩波器被控制切除，剩下由四象限方法控制母线电压u_dc。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种机车四象限变流器负载突变复合检测及控制方法，其特征在于：滑模控制器具体设计方法如下：

a)根据控制需求及被控对象写出四象限整流器的数学模型

其中：R_L为负载阻值，i_S为四象限整流器直流侧电流，E_amp表示四象限整流器交流侧电压的峰值，C_d为直流母线电容，θ为电网电压相角；

b)滑模面的设计：由上式可以推出：

定义电压外环的状态变量：

根据上式可知:

定义：

则上式可变为:

定义滑模面函数为：x＝cx₁+x₂，对上式求导，可得：

根据状态方程，滑模控制器控制自由度变量采用直接变量u_dc，方便直接控制控制量；依据滑模面的选取原则，定义变量u_dc的滑模控制面为：

其中：k为常数；

C)趋近律的设计：为了保证U_dc的稳定控制以及四象限控制系统有较好的动态性能，选择指数趋近律，表达式如下：

D)控制器和滑模面的关系：控制器的表达式为：

式中：c、ε、k为滑模控制器参数，均为正数，从而得到电流内环的指令电流为：

5.根据权利要求1或2或3所述的一种机车四象限变流器负载突变复合检测及控制方法，其特征在于：变压器次边电压值e的计算过程为：采集电网电压Us，对采集到的电网电压Us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，再经过变换计算得到网压瞬时值U_p，再计算得到网压有效值U_rms，公式如下：U_rms＝U_p*0.707106781，根据变压器变比，求得变压器次边电压值e，公式如下：e＝U_rms*kk，其中：kk为变压器原副边变比。

6.根据权利要求1或2或3所述的一种机车四象限变流器负载突变复合检测及控制方法，其特征在于：调制模块调制策略采用正弦脉宽调制SPWM，同时增加单级倍频技术。

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