CN114362569B - 一种共用直流母线的动车组地面电源及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电力电子电能变换和控制领域，涉及一种共用直流母线的动车组地面电源及其控制方法，消除单相用电制式的动车组列车在用电时产生的不平衡电流，以及长距离供电在负载电流较大时负载端电压跌落的问题。该动车组地面电源由串联电路模块、并联电路模块、旁路开关(KM1)、输出开关(KM2)，采样电路及控制器等组成。当负载侧出现不平衡电流时，通过控制并联电路模块的输出电流，消除负载电流不平衡，补偿负载无功和滤除负载谐波电流；当电缆压降产生，控制器检测到输出端电压降低时，控制串联电路模块提高输出端电压，通过对输出电压的控制，可以补偿供电电缆上产生的电压降。

Description

一种共用直流母线的动车组地面电源及其控制方法
技术领域
本发明属于电力电子电能变换和控制领域，涉及一种地面电源，尤其涉及一种应用于动车运用所内，向动车组列车提供外部检修电力供应的地面电源装置。
背景技术
动车组列车需要定期进入检修库进行检修，在检修作业时需要地面电源装置向动车组列车提供外部供电支持。现有动车组列车有两种不同的外部电源要求，三相380V50Hz电源或单相380V50Hz电源。
动车运用所设置10/0.4kV动力变压器，并通过所内交流馈电系统向动车组列车提供三相电源，通过设置单相地面电源装置向动车组列车提供单相电源。现有的做法是将动力变压器及地面电源装置放置于检修库附楼地面电源间内，通过电缆或密集母线槽，将电能输送到检修库内轨道桥旁的地面电源插座箱，通过地面电源插座箱内的软电缆及插头接入动车组列车外部电源接口。根据检修库规模的不同，从动力变压器到动车组列车的外部电源接口供电距离最大可达500米以上。三相用电制式的动车组列车单列最大电流可达840A，单相用电制式的动车组列车单列最大电流可达750A。长距离大电流输电时，供电线路上的电压降不可避免，为向动车组列车提供符合要求的电压，需要采取必要的技术措施。
另外，若在不设置单相地面电源装置的情况下，直接使用10/0.4kV动力变压器输出向单相用电制式动车组列车供电将会在变压器原边和副边产生严重不平衡情况，导致供电异常或保护跳闸。
发明内容
本发明的目的在于提供一种公用直流母线的动车组地面电源，向动车组列车提供满足检修要求的外部电源，同时消除单相用电制式的动车组列车在用电时产生的不平衡电流，以及长距离供电在负载电流较大时负载端电压跌落的问题。
本发明的技术方案是提供一种共用直流母线的动车组地面电源，其特殊之处在于：包括主电路、采样电路及控制器；
上述主电路包括串联电路模块、并联电路模块、旁路开关及输出开关；上述串联电路模块与并联电路模块共用直流母线；
上述串联电路模块包括A、B、C三相电路单元，A、B、C三相电路单元的输入端分别连接至交流电网的A、B、C三相输出端；
上述并联电路模块包括A、B、C三相桥电路，各相桥电路的输入端分别通过旁路开关KM1与交流电网的A、B、C三相输出端连接；各相桥电路的输入端还分别与串联电路模块中相应的A、B、C三相电路单元的输出端连接；
上述串联电路模块与并联电路模块的三相输出端分别与输出开关KM2连接；
上述采样电路用于采集主电路相应的电压数据及电流数据；
上述控制器用于控制主电路工作时序，并根据采样电路采集的实时电压数据与预设电压值的大小关系，控制串联电路模块的输出电压，补偿输出电压以趋近预设电压值，实现对输出电压的补偿；根据采样电路采集的实时电流数据与预设电流值之间的关系，控制并联电路模块的输出电流，消除负载电流不平衡。
进一步地，上述控制器还可以根据流过输出开关的电流和串联电路模块的输出电压计算功率因数和负载谐波。若功率因数或电流谐波超过设定值且并联电路模块的输出电流未超过并联电路模块的额定值，则对流过输出开关KM2的电流进行谐波补偿和无功补偿。
进一步地，上述主电路工作时序具体为：先接通旁路开关，启动并联电路模块建立直流母线电压，再启动串联电路模块，切断旁路开关，进入稳定工作状态。
进一步地，上述串联电路模块A、B、C三相电路单元均采用单相半桥电路结构；
A相电路单元包括电容C1、电容C2、IGBT V1、IGBT V2、电感L1及输出滤波电容C3；电容C1与电容C2串联，串联的中点连接交流电网A相作为输入；电容C1与电容C2的另外两端为直流母线的正Vdc+和直流母线的负Vdc-；Vdc+连接IGBT V1的集电极，Vdc-连接IGBT V2的发射极；IGBT V1的发射极连接IGBT V2的集电极，并连接电感L1的一端；电感L1的另一端连接电容C3的一端作为串联部分的A相输出，电容C3的另一端连接至电网的N；
B相电路单元包括电容C4、电容C5、IGBT V3、IGBT V4、电感L2及输出滤波电容C6；电容C4与电容C5串联，串联的中点连接电网B相作为输入；电容C4另外一端连接直流母线Vdc+，电容C5另外一端连接直流母线Vdc-；IGBT V3的集电极连接Vdc+，IGBT V4的发射极连接Vdc-；IGBT V3的发射极连接IGBT V4的集电极，并连接电感L2的一端；电感L2的另一端连接电容C6的一端作为串联部分的B相输出，电容C6的另一端连接至电网的N；
C相电路单元包括电容C7、电容C8、IGBT V5、IGBT V6、电感L3及输出滤波电容C9；电容C7与电容C8串联，串联的中点连接电网C相作为输入；电容C7另外一端连接直流母线Vdc+，电容C8另外一端连接直流母线Vdc-；IGBT V5的集电极连接Vdc+，IGBT V6的发射极连接Vdc-；IGBT V5的发射极连接IGBT V6的集电极，并连接电感L3的一端；电感L3的另一端连接电容C9的一端作为串联部分的C相输出，电容C9的另一端连接至电网的N。
进一步地，并联电路模块包括电感L4、电感L5、电感L6、IGBT V7、IGBT V8、IGBTV9、IGBT V10、IGBT V11、IGBT V12、电容C10、电容C11，电容C12、电容C13及电容C14；
IGBT V7的发射极连接直流母线Vdc-，IGBT V8的集电极连接直流母线Vdc+，IGBTV8的发射极连接IGBT V7的集电极，同时连接电感L4的一端，电感L4的另一端连接并联部分的A相输出，并连接电容C12的一端；IGBT V9的发射极连接直流母线Vdc-，IGBT V10的集电极连接直流母线Vdc+，IGBT V10的发射极连接IGBT V9的集电极，同时连接电感L5的一端，电感L5的另一端连接并联部分的B相输出，并连接电容C13的一端；IGBT V11的发射极连接直流母线Vdc-，IGBT V12的集电极连接直流母线Vdc+，IGBT V12的发射极连接IGBT V11的集电极，同时连接电感L6的一端，电感L6的另一端连接并联部分的C相输出，并连接电容C14的一端；电容C10与C11串联后，电容C10的另一端连接直流母线Vdc-，电容C11的另一端连接直流母线Vdc+；电容C12、C13、C14的另一端相互连接。
进一步地，上述电压数据包括：A相电路单元电容C1两端的电压信号UC1，电容C2两端的电压信号UC2，输出滤波电容C3两端的电压信号UC3，B相电路单元电容C4两端的电压信号UC4，电容C5两端的电压信号UC5，输出滤波电容C6两端的电压信号UC6，C相电路单元电容C7两端的电压信号UC7，电容C8两端的电压信号UC8，输出滤波电容C9两端的电压信号UC9，电容C10两端的电压UC10，电容C11两端的电压UC11；
上述电流数据包括：A相输入电流信号IVSA，B相输入电流信号IVSB，C相输入电流信号IVSC，流过电感L1的电流IL1，流过电感L2的电流IL2，流过电感L3的电流IL3，流过电感L4的电流IL4，流过电感L5的电流IL5，流过电感L6的电流IL6。
进一步地，上述控制器包括信号预处理单元、FPGA、DSP及FPGA/DSP数据交互缓存区；
上述信号预处理单元与FPGA连接，上述FPGA通过控制参数总线及采样数据总线与FPGA/DSP数据交互缓冲区连接；DSP通过控制参数总线及采样数据总线与FPGA/DSP数据交互缓冲区连接；DSP通过通讯总线与上位机连接；
上述信号预处理单元用于接收状态信号、控制信号及主电路相应的电压信号及电流信号，并将信号处理后发送至FPGA；还用于输出FPGA发送的状态指示及状态控制信号；
上述FPGA/DSP数据交互缓存区用于交换数据；
上述FPGA用于从信号预处理单元获取并处理主电路状态信号和控制信号。通过控制参数总线将状态信号和控制信号放入FPGA/DSP数据交互缓冲区；从信号预处理单元获取得到经过处理的主电路相应的电压信号与电流信号，将电压信号与电流信号处理为采样数据后，通过采样数据总线放入FPGA/DSP数据交互缓冲区；从FPGA/DSP数据交互缓冲区获取并联电路模块控制信号和串联电路模块控制信号，处理后输出并联电路模块驱动信号和串联电路模块驱动信号；从FPGA/DSP数据交互缓冲区获取状态指示与状态控制信号，经过处理后输出高低电平信号到信号预处理单元，输出状态指示与状态控制信号；
上述DSP用于将从上位机获取的控制参数存储至DSP内部数据暂存区(flash)；通过采样数据总线从FPGA/DSP数据交互缓冲区获取采样数据，状态信号和控制信号；按照控制程序设定，根据控制参数、状态信号、控制信号、采样数据计算串联电路模块控制信号及并联电路模块控制信号，通过控制参数总线向FPGA/DSP数据交互缓冲区写入并联电路模块控制信号、串联电路模块控制信号及状态指示与状态控制信号。
进一步地，上述信号预处理单元包括隔离电路、隔离驱动电路及调理电路；
上述隔离电路用于接收状态信号与控制信号，使用光耦对信号进行隔离，并调理为0V或3V电压；
上述隔离驱动电路用于接收FPGA发送的状态指示及状态控制信号，控制旁路开关及输出开关动作，以及串联电路模块启动/停机、并联电路模块启动/停机；
上述调理电路用于接收主电路相应的电压信号及电流信号，对电压信号进行调理，将其转换为峰峰值电压在0V～3.0V之间的电压信号，对电流信号进行调理，将其转换为峰峰值电压在0V～3.0V之间的信号。
本发明还提供一种上述共用直流母线的动车组地面电源的控制方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1、初始化；
FPGA读取信号预处理单元输出的状态信号和控制信号，处理后存储至FPGA/DSP数据交互缓冲单元；FPGA读取信号预处理单元输出的主电路相应的电压信号与电流信号，将电压信号与电流信号处理为采样数据后存储至FPGA/DSP数据交互缓冲单元；
DSP通过采样数据总线从FPGA/DSP数据交互缓冲区获取主电路状态信号、控制信号、采样数据，按照控制程序设定，根据控制参数、状态信号、控制信号、采样数据计算生成状态指示、状态控制、串联电路模块控制信号及并联电路模块控制信号，通过控制参数总线向FPGA/DSP数据交互缓冲区写入状态指示、状态控制、串联电路模块控制信号及并联电路模块控制信号；FPGA读取FPGA/DSP数据交互缓冲区的状态指示、状态控制信号，经过处理后输出高低电平信号到信号预处理单元，输出状态指示与状态控制信号；
步骤2、主电路启动工作：
根据状态指示与状态控制信号控制接触器KM1接通，接触器KM2断开，将输入电压Vsa、Vsb、Vsc送入并联电路模块的输入端，并联电路模块启动工作，建立母线电压；并联电路模块稳定运行后，串联电路模块启动工作；串联电路模块稳定工作后，接触器KM1断开，KM2接通，进入稳定工作状态；
FPGA读取信号预处理单元输出的主电路状态信号和控制信号，并存储至FPGA/DSP数据交互缓冲单元；FPGA读取信号预处理单元输出的主电路相应的电压信号与电流信号，将电压信号与电流信号处理为采样数据后存储至FPGA/DSP数据交互缓冲单元；
DSP通过采样数据总线从FPGA/DSP数据交互缓冲区获取主电路状态信号、控制信号、采样数据，按照控制程序设定，根据控制参数、状态信号、控制信号、采样数据计算生成状态指示、状态控制、串联电路模块控制信号及并联电路模块控制信号，通过控制参数总线向数据交互缓冲区写入状态指示、状态控制、串联电路模块控制信号及并联电路模块控制信号；FPGA读取数据交互缓冲区的状态指示、状态控制信号，经过处理后输出高低电平信号到信号预处理单元，输出状态指示与状态控制信号；FPGA读取FPGA/DSP数据交互缓冲区的串联电路模块控制信号及并联电路模块控制信号，处理后输出串联电路驱动信号与并联电路驱动信号，控制串联电路模块的输出电压，补偿输出电压以趋近预设电压值，实现对输出电压的补偿；控制并联电路模块的输出电流，消除负载电流不平衡。
进一步地，步骤2中DSP按照控制程序设定，根据控制参数、状态信号、控制信号、采样数据计算生成并联电路模块控制信号的过程具体为：
以A相控制为例：
计算流过KM2.1的电流Ioa，流过KM2.2的电流Iob，流过KM2.3的电流Ioc不平衡度，将其作为预设电压值Uref.；将电容C10、C11两端的电压Uc10与Uc11作差并通过PI调节器，得到电流信号i1；将电容C10、C11两端的电压UC10与UC11作和，并和预设电压值Uref作差，并通过PI调节器后得到电流信号i2；将电容C3两端的电压UC3通过PLL锁相环进行锁相后得到电网电压相位将电流信号i2与电网电压相位/>相乘得到与电网电压同相位的电流信号i3；将电流信号i1与电流信号i3求和，并与电感L4上的电流il4作差，得到电流误差信号i4；
将电流误差信号i4，电容C3两端的电压UC3分别通过比例控制器K后并求和，得到调制信号，与载波信号经过比较器后得到并联电路模块控制信号。
进一步地，步骤2中DSP按照控制程序设定，根据控制参数、状态信号、控制信号、采样数据计算生成串联电路模块控制信号的过程具体为：
以A相控制为例：
将预设电压值Uref与电容C3两端的电压作差得到电流信号i1，电网电压VSA经过PLL锁相环进行锁相后与电流信号i1相乘得到电流信号i2，通过比例环节后与输出电流Ioa相加得到电流信号i3，经过限幅后与电感L1上的电流作差得到电流信号i4，经过比例环节后与电容C3两端的电压作差得到调制信号，与载波信号经过比较器后得到串联电路模块控制信号。
本发明的有益效果是：
1、本发明动车组地面电源，设置在10/0.4kV动力变压器和动车组之间，该动车组地面电源由串联电路模块、并联电路模块、旁路开关(KM1)、输出开关(KM2)，采样电路及控制器等组成。当负载侧出现不平衡电流时，通过控制并联电路模块的输出电流，消除负载电流不平衡，补偿负载无功和滤除负载谐波电流；当电缆压降产生，控制器检测到输出端电压降低时，控制串联电路模块提高输出端电压，通过对输出电压的控制，可以补偿供电电缆上产生的电压降。
2、本发明动车组地面电源兼容向单相用电制式和三相用电制式动车组列车提供外部供电；当输出端用电负荷为单相制式时，控制并联电路模块输出负序电流，实现对负载不平衡电流的抑制；当输出端用电负荷同时存在单相制式和三相制式时，并联电路模块输出负序电流，实现对负载不平衡电流的抑制；当输出端用电负荷为三相制式时，并联电路模块主要用于调节无功电流和谐波电流。
3、本发明在动车组列车外部供电接口处对动车组列车用电时产生的不平衡电流进行动态调节，从而保证所述10/0.4kV动力变压器低压侧三相电流处于平衡状态，有利于10/0.4kV动力变压器、低压侧配电开关及其保护装置、高压侧配电开关及其保护装置稳定工作，避免负序电流引起低压侧电压不平衡及开关跳闸。
4、本发明在动车组列车外部供电接口处对动车组列车用电时产生的感性或容性电流进行补偿，降低对配电系统的无功需求，可提高配电系统功率因数；也可对谐波电流进行抑制。
5、消除电网电压畸变，向动车组列车提供高质量外部电源。
附图说明
图1为本发明的电气原理图；
图2为本发明的控制器框图；
图3为本发明启动时序；
图4为本发明并联电路模块工作时序；
图5为本发明串联电路模块工作时序；
图6为本发明并联电路模块控制原理框图；
图7为本发明串联电路模块控制原理框图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接：同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明共用直流母线的动车组地面电源，主要由主电路、控制器及采样电路构成。
本发明主电路包含串联电路模块、并联电路模块、旁路开关(KM1)及输出开关(KM2)；沿电流路径，并联电路模块设置在串联电路模块后级，并联电路模块和串联电路模块共用直流母线。
串联电路模块采用单相半桥电路结构，包括A、B、C三相电路单元，A相电路单元的输入端连接至交流电网的A相输出端，B相电路单元的输入端连接至交流电网的B相输出端，C相电路单元的输入端连接至交流电网的C相输出端。
并联电路模块采用三相全桥电路结构，包括A、B、C三相桥电路，各相桥电路的输入端分别通过旁路开关(图1中KM1.1、KM1.2及KM1.3)与交流电网的三相输出端连接。各相桥电路的输入端还分别与串联电路模块中相应的A、B、C三相电路单元的输出端连接。
串联电路模块与并联电路模块的三相输出端分别与输出开关(图1中KM2.1、KM2.2及KM2.3)连接；输出开关的另一端用于连接相应负载。
控制器由FPGA、DSP及外围电路等组成，用于控制主电路中串联电路模块、并联电路模块的启动时序，并根据串联电路模块的输出电压与预设电压值的大小关系，独立控制串联电路模块工作，补偿输出电压以趋近预设电压值；同时根据并联电路模块的输出电流与预设电流值之间的关系，独立控制并联电路模块工作，消除不平衡电流；同时也可根据串联电路模块的输出电压计算功率因数，若电流谐波超过设定值且并联电路模块的输出电流未超过并联电路模块的额定值，则对流过输出开关(KM2)的电流进行谐波补偿和无功补偿。解决了使用三相市电向单相制式动车组供电引起的负载不平衡问题，也兼容向三相用电制式动车组列车供电。同时解决了长距离供电在负载电流较大时负载端电压跌落的问题。
图1为本实施例主电路的具体电路示意图，可以看出，本实施例串联电路模块中各相电路单元均包括沿电流路径依次设置的电容器、IGBT、电感及输出滤波电容。
具体参见图1，A相电路单元包括电容C1、电容C2、IGBT V1、IGBT V2、电感L1及输出滤波电容C3；电容C1与电容C2串联，串联的中点连接电网A相作为输入；电容C1与电容C2的另外两端为直流母线的正(标记为Vdc+)和直流母线的负(标记为Vdc-)。Vdc+连接IGBT V1的集电极(C)，Vdc-连接IGBT V2的发射极(E)。IGBT V1的发射极(E)连接IGBT V2的集电极(C)，并连接电感L1的一端。电感L1的另一端连接电容C3的一端作为串联部分的A相输出，电容C3的另一端连接至电网的N。
B相电路单元包括电容C4、电容C5、IGBT V3、IGBT V4、电感L2及输出滤波电容C6；电容C4与电容C5串联，串联的中点连接电网B相作为输入；电容C4另外一端连接直流母线Vdc+，电容C5另外一端连接直流母线Vdc-。IGBT V3的集电极(C)连接Vdc+，IGBT V4的发射极(E)连接Vdc-。IGBT V3的发射极(E)连接IGBT V4的集电极(C)，并连接电感L2的一端。电感L2的另一端连接电容C6的一端作为串联部分的B相输出，电容C6的另一端连接至电网的N。
C相电路单元包括电容C7、电容C8、IGBT V5、IGBT V6、电感L3及输出滤波电容C9；电容C7与电容C8串联，串联的中点连接电网C相作为输入；电容C7另外一端连接直流母线Vdc+，电容C8另外一端连接直流母线Vdc-。IGBT V5的集电极(C)连接Vdc+，IGBT V6的发射极(E)连接Vdc-。IGBT V5的发射极(E)连接IGBT V6的集电极(C)，并连接电感L3的一端。电感L3的另一端连接电容C9的一端作为串联部分的C相输出，电容C9的另一端连接至电网的N。
本实施例并联电路模块从三相并联连接端口各相分别设置电感，三相桥式电路，从图1可以看出，并联电路模块具体包括电感L4、电感L5、电感L6、IGBT V7、IGBT V8、IGBTV9、IGBT V10、IGBT V11、IGBT V12、电容C10、电容C11，电容C12、电容C13及电容C14，连接方式为：
IGBT V7的发射极(E)连接直流母线Vdc-，IGBT V8的集电极(C)连接直流母线Vdc+，IGBT V8的发射极(E)连接IGBT V7的集电极(C)，同时连接电感L4的一端，电感L4的另一端连接并联部分的A相输出，并连接电容C12的一端。IGBT V9的发射极(E)连接直流母线Vdc-，IGBT V10的集电极(C)连接直流母线Vdc+，IGBT V10的发射极(E)连接IGBT V9的集电极(C)，同时连接电感L5的一端，电感L5的另一端连接并联部分的B相输出，并连接电容C13的一端。IGBT V11的发射极(E)连接直流母线Vdc-，IGBT V12的集电极(C)连接直流母线Vdc+，IGBT V12的发射极(E)连接IGBT V11的集电极(C)，同时连接电感L6的一端，电感L6的另一端连接并联部分的C相输出，并连接电容C14的一端。电容C10与C11串联后，电容C10的另一端连接直流母线Vdc-，电容C11的另一端连接直流母线Vdc+。电容C12、C13、C14的另一端相互连接。
控制器需要根据主电路相关电流数据及电压数据，对主电路进行反馈控制，因此采样电路在主电路的工作过程中需要实时采集相关电流数据及电压数据发送至控制器，具体可以结合图1与图2，需要采集的相关参数如下：
串联电路模块中需要采集的相关参数为：A相电路单元电容C1两端的电压信号UC1，电容C2两端的电压信号UC2，输出滤波电容C3两端的电压信号UC3，A相输入电流信号IVSA，流过电感L1的电流IL1。B相电路单元电容C4两端的电压信号UC4，电容C5两端的电压信号UC5，输出滤波电容C6两端的电压信号UC6，B相输入电流信号IVSB，流过电感L2的电流IL2。C相电路单元电容C7两端的电压信号UC7，电容C8两端的电压信号UC8，输出滤波电容C9两端的电压信号UC9，C相输入电流信号IVSC，流过电感L3的电流IL3。
并联电路模块中需要采集的相关参数为：电感L4上流过的电流IL4，电感L5上流过的电流IL5，电感L6上流过的电流IL6，电容C10两端的电压UC10，电容C11两端的电压UC11。
还需要采集的相关参数包括输出电流、状态信号及控制信号等。其中输出电流包括流过KM2.1的电流Ioa，流过KM2.2的电流Iob，流过KM2.3的电流Ioc。其中状态信号包括：KM1的通/断信号、KM2的通/断信号、串联电路模块的运行/故障/报警信号、并联电路模块的运行/故障/报警信号。控制信号包括：操作者发出的所述动车组地面电源启动/停机/复位信号。
本实施例使用隔离型电压传感器采集上述电压数据，如可选择有源霍尔电压传感器。使用隔离型电流传感器采集上述电流数据，如可选择有源霍尔电流传感器。
图2为本实施例控制器框图，可以看出，本实施例控制器由信号预处理单元、FPGA(现场可编程门阵列)、DSP(数字信号处理器)及其外围电路组成。信号预处理单元与FPGA连接，在FAGA与DSP之间设置有数据交互缓冲区，用于交换数据。FPGA通过控制参数总线、采样数据总线与数据交互缓冲区连接；DSP通过控制参数总线、采样数据总线与数据交互缓冲区连接；DSP通过通讯总线与上位机连接。
DSP优选型号TMS320F28335，FPGA优选型号EP4CE55F23C8N，外围电路包括了AD采样电路，AD采样优选AD7658BSTZ。
信号预处理单元包括隔离电路、隔离驱动电路及调理电路；
隔离电路用于接收状态信号和控制信号，如图2所示，状态信号和控制信号接入隔离电路，使用光耦对状态信号和控制信号进行隔离，并调理为0V或3V电压。
隔离驱动电路用于接收FPGA发送的状态控制信号与状态指示信号，如图2所示，状态控制信号通过隔离驱动电路，控制接触器KM1、KM2动作，以及串联电路模块启动/停机、并联电路模块启动/停机。状态指示信号通过隔离驱动电路，点亮信号指示灯，包括运行指示灯、故障指示灯、报警指示灯等。
调理电路用于接收隔离型电压传感器采集的电压数据信号与隔离型电流传感器采集的电流数据信号，对信号进行调理。如图2所示，隔离型电压传感器的输出接入调理电路，将其转换为峰峰值电压在0V～3.0V之间的电压信号。隔离型电流传感器的输出接入调理电路，将其转换为峰峰值电压在.0V～3.0V之间的信号。
FPGA从信号预处理单元的隔离电路获取主电路状态信号和控制信号通过控制参数总线将状态信号和控制信号放入FPGA/DSP数据交互缓冲区。
FPGA从信号预处理单元的调理电路获取得到经过处理的模拟量信号(电压信号与电流信号)，通过AD采样电路得到采样数据，通过采样数据总线放入FPGA/DSP数据交互缓冲区。
DSP与上位机通过通讯总线连接，将从上位机获取的控制参数存储至DSP内部数据暂存区(flash)。DSP通过采样数据总线从FPGA/DSP数据交互缓冲区获取采样数据，状态信号和控制信号；DSP按照控制程序设定，根据控制参数、状态信号和控制信号、采样数据计算控制数据，通过控制参数总线向FPGA/DSP数据交互缓冲区写入并联电路控制信号、串联电路控制信号及状态指示与状态控制信号。
FPGA从FPGA/DSP数据交互缓冲区获取并联电路控制和串联电路控制信号，分别通过波形发生模块处理后得到并联电路驱动信号和串联电路驱动信号，实现对两部分主电路的分别控制。
FPGA从FPGA/DSP数据交互缓冲区获取状态指示与状态控制信号，经过处理后输出高低电平信号到信号预处理单元的隔离驱动电路，输出状态指示与状态控制信号，实现状态指示和状态控制。
从图3可以看出，本实施例控制器通过以下步骤对主电路进行控制：
步骤1、初始化：
FPGA读取信号预处理单元输出的状态信号和控制信号，处理后存储至FPGA/DSP数据交互缓冲单元；FPGA读取信号预处理单元输出的主电路相应的电压信号与电流信号，将电压信号与电流信号处理为采样数据后存储至FPGA/DSP数据交互缓冲单元；
DSP通过采样数据总线从FPGA/DSP数据交互缓冲区获取主电路状态信号、控制信号、采样数据，按照控制程序设定，根据控制参数、状态信号、控制信号、采样数据计算生成状态指示、状态控制、串联电路模块控制信号及并联电路模块控制信号，通过控制参数总线向FPGA/DSP数据交互缓冲区写入状态指示、状态控制、串联电路模块控制信号及并联电路模块控制信号；FPGA读取FPGA/DSP数据交互缓冲区的状态指示、状态控制信号，经过处理后输出高低电平信号到信号预处理单元，输出状态指示与状态控制信号。
步骤2、主电路启动并工作：
按照并联电路模块先启动，串联电路模块后启动的顺序。首先根据状态指示与状态控制信号控制接触器KM1接通，接触器KM2断开，将输入电压Vsa、Vsb、Vsc送入并联电路模块的L4、L5、L6一端，并联电路模块启动工作，建立母线电压。
并联电路模块稳定运行后，串联电路模块启动工作。串联电路模块稳定工作后，接触器KM1断开，KM2接通，所述共用直流母线的动车组地面电源进入稳定工作状态。
FPGA读取信号预处理单元输出的主电路状态信号和控制信号，并存储至FPGA/DSP数据交互缓冲单元；FPGA读取信号预处理单元输出的主电路相应的电压信号与电流信号，将电压信号与电流信号处理为采样数据后存储至FPGA/DSP数据交互缓冲单元；
DSP通过采样数据总线从FPGA/DSP数据交互缓冲区获取主电路状态信号、控制信号、采样数据，按照控制程序设定，根据控制参数、状态信号、控制信号、采样数据计算生成状态指示、状态控制、串联电路模块控制信号及并联电路模块控制信号，通过控制参数总线向FPGA/DSP数据交互缓冲区写入状态指示、状态控制、串联电路模块控制信号及并联电路模块控制信号；FPGA读取FPGA/DSP数据交互缓冲区的状态指示、状态控制信号，经过处理后输出高低电平信号到信号预处理单元，输出状态指示与状态控制信号；FPGA读取FPGA/DSP数据交互缓冲区的串联电路模块控制信号及并联电路模块控制信号，通过相应波形发生模块处理后输出串联电路驱动信号与并联电路驱动信号，控制串联电路模块的输出电压，补偿输出电压以趋近预设电压值，实现对输出电压的补偿；控制并联电路模块的输出电流，消除负载电流不平衡。
具体并联电路模块工作过程如下：
结合图1、图2及图4对并联电路模块启动及工作过程进行详述：
接触器KM1接通，接触器KM2断开。A相电压沿路径KM1.1，电感L4到IGBT V7、V8中点；B相电压沿路径KM1.2，电感L5到IGBT V9、V10中点；C相电压沿路径KM1.3，电感L6到IGBTV11、V12中点；IGBT V7、V8、V9、V10、V11、V12在并联电路驱动信号作用下以开关状态工作，使电容C10两端电压VC10升高，电容C11两端电压VC11升高，从而使直流母线电压升高(Vdc+与Vdc-之间的电压)，DSP获取直流母线电压，通过闭环控制使直流母线电压稳定在一个恒定值。DSP采集输出电流Ioa、Iob、Ioc，通过计算，如输出电流不平衡(即负序电流)超过设定值，则在DSP的控制下对负序电流进行抑制。DSP也采集了C3、C6、C9两端的电压，UC3、UC6、UC9。DSP通过计算，如功率因数或电流谐波超过设定值，并且并联电路输出电流IL4、IL5、IL6未超过并联电路的额定电流，则对流过KM2的电流(即负载电流)进行谐波补偿和无功补偿。
具体控制器内部通过下述计算处理过程获得并联电路模块的驱动信号，对并联电路模块进行控制：
参见图6，以A相控制为例：
计算流过KM2.1的电流Ioa，流过KM2.2的电流Iob，流过KM2.3的电流Ioc不平衡度，将其作为预设电压值Uref.。将电容C10、C11两端的电压Uc10与Uc11的作差并通过PI调节器，得到电流信号i1；将电容C10、C11两端的电压UC10与UC11的作和，并和预设电压值Uref作差，并通过PI调节器后得到电流信号i2；将电容C3两端的电压UC3通过PLL(锁相环)进行锁相后得到电网电压相位将电流信号i2与电网电压相位/>相乘得到与电网电压同相位的电流信号i3。将电流信号i1与电流信号i3求和，并与电感L4上的电流il4作差，得到电流误差信号i4。
将电流误差信号i4，电容C3两端的电压UC3分别通过比例控制器K后并求和，得到调制信号，与载波信号经过比较器后得到并联电路驱动信号。
并联电路B、C相控制方法与A相类同，只需将A相的测量信号和驱动信号分别替换为B、C相对应信号即可。
本实施例中将负载电流信号的无功分量和谐波分量信号叠加到UC3上，通过相同的并联电路控制过程，可以补偿负载电流的无功和滤除负载电流的谐波成分。
具体串联电路模块工作过程如下：
参见图1、图2、图5。在电容C1、C2、C4、C5、C7、C8电压达到设定值，并且每只电容的电压均在设定的范围内，串联电路开始工作。
DSP通过计算Ioa与IL4之间的电流差，得到流过KM1.1的电流；DSP通过计算Iob与IL5之间的电流差，得到流过KM1.2的电流；DSP通过计算Ioc与IL6之间的电流差，得到流过KM1.3的电流；DSP根据上述计算所获得的电流，控制串联电路工作，随后切断接触器KM1，使流过KM1的电流转移到串联电路。DSP测量电容C3、C6、C9上的电压，并预设的电压进行比较，如果电压UC3、UC6、UC9低于或高于预设值，DSP控制串联电路补偿输出电压以趋近预设值。
具体控制器内部通过下述计算处理过程获得串联电路模块的驱动信号，对串联电路模块进行控制：
参见图6，以A相控制为例：
参见图7，以A相控制为例。将给定信号Uref与电容C3两端的电压作差得到电流信号i1，电网电压VSA经过PLL(锁相环)进行锁相后与电流信号i1相乘得到电流信号i2，通过比例环节后与输出电流Ioa相加得到电流信号i3，经过限幅后与电感L1上的电流作差得到电流信号i4，经过比例环节后与电容C3两端的电压作差得到调制信号，与载波信号经过比较器后得到串联电路的驱动信号。
串联电路B、C相控制方法与A相类同，只需将A相的测量信号和驱动信号分别替换为B、C相对应信号即可。
本实施例将电网电压谐波信号叠加到UREF上，通过系统的串联电路控制过程，可以消除电网电压中存在的电压谐波。
本发明由串联电路部分和并联电路部分组成，共用了直流母线。经过整机启动时序控制、并联电路独立控制、串联电路独立控制，解决了使用三相市电向单相制式动车组供电引起的负载不平衡问题，也兼容向三相用电制式动车组列车供电。同时解决了长距离供电在负载电流较大时负载端电压跌落的问题。

Claims (9)

1.一种共用直流母线的动车组地面电源，其特征在于：包括主电路、采样电路及控制器；
所述主电路包括串联电路模块、并联电路模块、旁路开关及输出开关；所述串联电路模块与并联电路模块共用直流母线；
所述串联电路模块包括A、B、C三相电路单元，A、B、C三相电路单元的输入端分别连接至交流电网的A、B、C三相输出端；
所述并联电路模块包括A、B、C三相桥电路，各相桥电路的输入端分别通过旁路开关与交流电网的A、B、C三相输出端连接；各相桥电路的输入端还分别与串联电路模块中相应的A、B、C三相电路单元的输出端连接；
所述串联电路模块与并联电路模块的三相输出端分别与输出开关连接；
所述采样电路用于采集主电路相应的电压数据及电流数据；
所述控制器用于控制主电路工作时序，并根据采样电路采集的实时电压数据与预设电压值的大小关系，控制串联电路模块的输出电压，补偿输出电压以趋近预设电压值，实现对输出电压的补偿；根据采样电路采集的实时电流数据与预设电流值之间的关系，控制并联电路模块的输出电流，消除负载电流不平衡；
所述控制器根据流过输出开关的电流和串联电路模块的输出电压计算功率因数和负载谐波，若功率因数或电流谐波超过设定值且并联电路模块的输出电流未超过并联电路模块的额定值，则对流过输出开关的电流进行谐波补偿和无功补偿；
所述主电路工作时序具体为：先接通旁路开关，启动并联电路模块建立直流母线电压，再启动串联电路模块，切断旁路开关，进入稳定工作状态。
2.根据权利要求1所述的一种共用直流母线的动车组地面电源，其特征在于：所述串联电路模块的A、B、C三相电路单元均采用单相半桥电路结构；
A相电路单元包括电容C1、电容C2、IGBT V1、IGBT V2、电感L1及输出滤波电容C3；电容C1与电容C2串联，串联的中点连接交流电网A相作为输入；电容C1与电容C2的另外两端为直流母线的正Vdc+和直流母线的负Vdc-；Vdc+连接IGBT V1的集电极，Vdc-连接IGBT V2的发射极；IGBT V1的发射极连接IGBT V2的集电极，并连接电感L1的一端；电感L1的另一端连接电容C3的一端作为串联部分的A相输出，电容C3的另一端连接至电网的N；
B相电路单元包括电容C4、电容C5、IGBT V3、IGBT V4、电感L2及输出滤波电容C6；电容C4与电容C5串联，串联的中点连接电网B相作为输入；电容C4另外一端连接直流母线Vdc+，电容C5另外一端连接直流母线Vdc-；IGBT V3的集电极连接Vdc+，IGBT V4的发射极连接Vdc-；IGBT V3的发射极连接IGBT V4的集电极，并连接电感L2的一端；电感L2的另一端连接电容C6的一端作为串联部分的B相输出，电容C6的另一端连接至电网的N；
C相电路单元包括电容C7、电容C8、IGBT V5、IGBT V6、电感L3及输出滤波电容C9；电容C7与电容C8串联，串联的中点连接电网C相作为输入；电容C7另外一端连接直流母线Vdc+，电容C8另外一端连接直流母线Vdc-；IGBT V5的集电极连接Vdc+，IGBT V6的发射极连接Vdc-；IGBT V5的发射极连接IGBT V6的集电极，并连接电感L3的一端；电感L3的另一端连接电容C9的一端作为串联部分的C相输出，电容C9的另一端连接至电网的N。
3.根据权利要求2所述的一种共用直流母线的动车组地面电源，其特征在于：并联电路模块包括电感L4、电感L5、电感L6、IGBT V7、IGBT V8、IGBT V9、IGBT V10、IGBT V11、IGBTV12、电容C10、电容C11，电容C12、电容C13及电容C14；
IGBT V7的发射极连接直流母线Vdc-，IGBT V8的集电极连接直流母线Vdc+，IGBT V8的发射极连接IGBT V7的集电极，同时连接电感L4的一端，电感L4的另一端连接并联部分的A相输出，并连接电容C12的一端；IGBT V9的发射极连接直流母线Vdc-，IGBT V10的集电极连接直流母线Vdc+，IGBT V10的发射极连接IGBT V9的集电极，同时连接电感L5的一端，电感L5的另一端连接并联部分的B相输出，并连接电容C13的一端；IGBT V11的发射极连接直流母线Vdc-，IGBT V12的集电极连接直流母线Vdc+，IGBT V12的发射极连接IGBT V11的集电极，同时连接电感L6的一端，电感L6的另一端连接并联部分的C相输出，并连接电容C14的一端；电容C10与C11串联后，电容C10的另一端连接直流母线Vdc-，电容C11的另一端连接直流母线Vdc+；电容C12、C13、C14的另一端相互连接。
4.根据权利要求3所述的一种共用直流母线的动车组地面电源，其特征在于：
所述电压数据包括：A相电路单元电容C1两端的电压信号UC1，电容C2两端的电压信号UC2，输出滤波电容C3两端的电压信号UC3，B相电路单元电容C4两端的电压信号UC4，电容C5两端的电压信号UC5，输出滤波电容C6两端的电压信号UC6，C相电路单元电容C7两端的电压信号UC7，电容C8两端的电压信号UC8，输出滤波电容C9两端的电压信号UC9，电容C10两端的电压UC10，电容C11两端的电压UC11；
所述电流数据包括：A相输入电流信号IVSA，B相输入电流信号IVSB，C相输入电流信号IVSC，流过电感L1的电流IL1，流过电感L2的电流IL2，流过电感L3的电流IL3，流过电感L4的电流IL4，流过电感L5的电流IL5，流过电感L6的电流IL6。
5.根据权利要求4所述的一种共用直流母线的动车组地面电源，其特征在于：所述控制器包括信号预处理单元、FPGA、DSP及FPGA/DSP数据交互缓存区；
所述信号预处理单元与FPGA连接，所述FPGA通过控制参数总线及采样数据总线与FPGA/DSP数据交互缓冲区连接；DSP通过控制参数总线及采样数据总线与FPGA/DSP数据交互缓冲区连接；DSP通过通讯总线与上位机连接；
所述信号预处理单元用于接收状态信号、控制信号及主电路相应的电压信号及电流信号，并将信号进行滤波、放大处理后发送至FPGA；还用于输出FPGA发送的状态指示及状态控制信号；
所述FPGA/DSP数据交互缓存区用于交换数据；
所述FPGA用于从信号预处理单元获取并处理主电路状态信号和控制信号通过控制参数总线将状态信号和控制信号放入FPGA/DSP数据交互缓冲区；从信号预处理单元获取得到经过处理的主电路相应的电压信号与电流信号，将电压信号与电流信号处理为采样数据后，通过采样数据总线放入FPGA/DSP数据交互缓冲区；从FPGA/DSP数据交互缓冲区获取并联电路模块控制信号和串联电路模块控制信号，处理后输出并联电路模块驱动信号和串联电路模块驱动信号；从FPGA/DSP数据交互缓冲区获取状态指示与状态控制信号，经过处理后输出高低电平信号到信号预处理单元，输出状态指示与状态控制信号；
所述DSP用于将从上位机获取的控制参数存储至DSP内部数据暂存区(flash)；通过采样数据总线从FPGA/DSP数据交互缓冲区获取采样数据，状态信号和控制信号；按照控制程序设定，根据控制参数、状态信号、控制信号、采样数据计算串联电路模块控制信号及并联电路模块控制信号，通过控制参数总线向FPGA/DSP数据交互缓冲区写入并联电路模块控制信号、串联电路模块控制信号及状态指示与状态控制信号。
6.根据权利要求5所述的一种共用直流母线的动车组地面电源，其特征在于：所述信号预处理单元包括隔离电路、隔离驱动电路及调理电路；
所述隔离电路用于接收状态信号与控制信号，使用光耦对信号进行隔离，并调理为0V或3V电压；
所述隔离驱动电路用于接收FPGA发送的状态指示及状态控制信号，控制旁路开关及输出开关动作，以及串联电路模块启动/停机、并联电路模块启动/停机；
所述调理电路用于接收主电路相应的电压信号及电流信号，对电压信号进行调理，将其转换为峰峰值电压在0V～3.0V之间的电压信号，对电流数据信号进行调理，将其转换为峰峰值电压在0V～3.0V之间的信号。
7.一种权利要求3-6任一所述共用直流母线的动车组地面电源的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、初始化；
FPGA读取信号预处理单元输出的状态信号和控制信号，处理后存储至FPGA/DSP数据交互缓冲单元；FPGA读取信号预处理单元输出的主电路相应的电压信号与电流信号，将电压信号与电流信号处理为采样数据后存储至FPGA/DSP数据交互缓冲单元；
DSP通过采样数据总线从FPGA/DSP数据交互缓冲区获取主电路状态信号、控制信号、采样数据，按照控制程序设定，根据控制参数、状态信号、控制信号、采样数据计算生成状态指示、状态控制、串联电路模块控制信号及并联电路模块控制信号，通过控制参数总线向数据交互缓冲区写入状态指示、状态控制、串联电路模块控制信号及并联电路模块控制信号；FPGA读取FPGA/DSP数据交互缓冲区的状态指示、状态控制信号，经过处理后输出高低电平信号到信号预处理单元，输出状态指示与状态控制信号；
步骤2、主电路启动工作：
根据状态指示与状态控制信号控制接触器KM1接通，接触器KM2断开，将输入电压Vsa、Vsb、Vsc送入并联电路模块的输入端，并联电路模块启动工作，建立母线电压；并联电路模块稳定运行后，串联电路模块启动工作；串联电路模块稳定工作后，接触器KM1断开，KM2接通，进入稳定工作状态；
FPGA读取信号预处理单元输出的主电路状态信号和控制信号，并存储至FPGA/DSP数据交互缓冲单元；FPGA读取信号预处理单元输出的主电路相应的电压信号与电流信号，将电压信号与电流信号处理为采样数据后存储至FPGA/DSP数据交互缓冲单元；
DSP通过采样数据总线从FPGA/DSP数据交互缓冲区获取主电路状态信号、控制信号、采样数据，按照控制程序设定，根据控制参数、状态信号、控制信号、采样数据计算生成状态指示、状态控制、串联电路模块控制信号及并联电路模块控制信号，通过控制参数总线向FPGA/DSP数据交互缓冲区写入状态指示、状态控制、串联电路模块控制信号及并联电路模块控制信号；FPGA读取数据交互缓冲区的状态指示、状态控制信号，经过处理后输出高低电平信号到信号预处理单元，输出状态指示与状态控制信号；FPGA读取FPGA/DSP数据交互缓冲区的串联电路模块控制信号及并联电路模块控制信号，处理后输出串联电路驱动信号与并联电路驱动信号，控制串联电路模块的输出电压，补偿输出电压以趋近预设电压值，实现对输出电压的补偿；控制并联电路模块的输出电流，消除负载电流不平衡。
8.根据权利要求7所述的共用直流母线的动车组地面电源控制方法，其特征在于，步骤2中DSP按照控制程序设定，根据控制参数、状态信号、控制信号、采样数据计算生成并联电路模块控制信号的过程具体为：
A相控制的方法为：
计算流过KM2.1的电流Ioa，流过KM2.2的电流Iob，流过KM2.3的电流Ioc不平衡度，将其作为预设电压值Uref.；将电容C10、C11两端的电压Uc10与Uc11作差并通过PI调节器，得到电流信号i1；将电容C10、C11两端的电压UC10与UC11作和，并和预设电压值Uref作差，并通过PI调节器后得到电流信号i2；将电容C3两端的电压UC3通过PLL锁相环进行锁相后得到电网电压相位sin(ωt+φ1)；将电流信号i2与电网电压相位sin(ωt+φ1)相乘得到与电网电压同相位的电流信号i3；将电流信号i1与电流信号i3求和，并与电感L4上的电流il4作差，得到电流误差信号i4；
将电流误差信号i4，电容C3两端的电压UC3分别通过比例控制器K后并求和，得到调制信号，与载波信号经过比较器后得到并联电路模块控制信号。
9.根据权利要求8所述的共用直流母线的动车组地面电源控制方法，其特征在于，步骤2中DSP按照控制程序设定，根据控制参数、状态信号、控制信号、采样数据计算生成串联电路模块控制信号的过程具体为：
A相控制的方法为：
将预设电压值Uref与电容C3两端的电压作差得到电流信号i1，电网电压VSA经过PLL锁相环进行锁相后与电流信号i1相乘得到电流信号i2，通过比例环节后与输出电流Ioa相加得到电流信号i3，经过限幅后与电感L1上的电流作差得到电流信号i4，经过比例环节后与电容C3两端的电压作差得到调制信号，与载波信号经过比较器后得到串联电路模块控制信号。
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