專利名稱：一種基于半橋結(jié)構(gòu)的鐵路功率調(diào)節(jié)器的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于半橋結(jié)構(gòu)的鐵路功率調(diào)節(jié)器的控制方法，包括對基于半橋結(jié) 構(gòu)的鐵路功率調(diào)節(jié)器的直流側(cè)均壓控制，直流側(cè)電壓控制，負序和諧波綜合補償控制方法。
背景技術(shù)：
隨著電氣化鐵路朝著高速、大功率和負荷發(fā)展，其電力牽引系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題 變得越來越至關(guān)重要。高速鐵路牽引供電系統(tǒng)由于采用單相供電方式，產(chǎn)生負序電流，給電 力系統(tǒng)中的發(fā)電、輸電和變電設(shè)備的運行帶來嚴重危害，例如增加發(fā)電機的損耗，降低變壓 器出力等，嚴重影響電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟運行。另外，高速鐵路電力機車產(chǎn)生的諧波也降低 了其供電系統(tǒng)和上級電力系統(tǒng)的可靠性。因此，必須采取有效措施抑制高速鐵路供電系統(tǒng) 產(chǎn)生的負序和諧波電流。針對電氣化鐵路的負序、諧波問題，國內(nèi)外已出現(xiàn)一些補償措施。采用SVC安裝在 牽引變壓器的兩供電臂進行電氣化鐵路的負序補償，能有效補償無功，提高系統(tǒng)的功率因 數(shù)。但是由于鐵路機車是隨機性負載，具有很強的波動性和擾動性，SVC的一般只能固定補 償，其動態(tài)補償性能不佳。采取單相有源濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)對電氣化鐵路的諧波抑制，但不能 有效補償電氣化鐵路中的負序電流。針對鐵路供電系統(tǒng)的單相供電特性，日本學(xué)者提出了 鐵路功率調(diào)節(jié)器，利用背靠背的兩個單相H橋變換器進行有功、無功及諧波的控制，能實現(xiàn) 對負序和諧波綜合補償，但兩個單相變換器包含8個功率開關(guān)器件。為了減小逆變器輸出 的諧波和提高補償?shù)男阅?，有日本學(xué)者提出了一種三電平H橋的背靠背功率調(diào)節(jié)器，共需 要12個功率開關(guān)器件，這樣增加系統(tǒng)的成本和控制的復(fù)雜度。另外，清華大學(xué)有學(xué)者提出 一種三相有源補償系統(tǒng)-有源電能質(zhì)量補償器，其結(jié)構(gòu)是將兩單相電源變換為三相平衡電 壓，再將一個三相變換器通過三個輸出電感與三相平衡電源連接，這將比RPC節(jié)省了兩個 功率開關(guān)器件，但需要結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的平衡變壓器。本申請人在2010年8月10日提交了申請?zhí)枮?01010250126. 6的發(fā)明專利申請
“一種基于半橋結(jié)構(gòu)的鐵路功率調(diào)節(jié)器”，其中包括兩個單相降壓變壓器和半橋變換器，所 述半橋變換器塊包括一對開關(guān)臂和一對串聯(lián)電容，一對開關(guān)臂經(jīng)兩個電容連接成背靠背結(jié) 構(gòu)；所述兩個單相降壓變壓器原邊與牽引變壓器的兩個二次側(cè)供電臂連接，兩單相降壓變 壓器副邊的非浮地線分別經(jīng)電感與半橋變換器中的開關(guān)臂連接，兩單相降壓變壓器浮地與 半橋變換器中兩電容的中點連接。該發(fā)明與RPC比較，節(jié)省了一對開關(guān)臂即4個功率開關(guān) 器件。因此，這種補償結(jié)構(gòu)更為精簡，降低了硬件的成本和復(fù)雜度，提高了補償系統(tǒng)的可靠 性，將大大利于該補償系統(tǒng)的模塊化大功率發(fā)展。但由于直流側(cè)電壓由兩個串聯(lián)電容供電， 存在均壓的問題。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明公開一種基于半橋結(jié)構(gòu)的鐵路功率調(diào)節(jié)器的控 制方法，實現(xiàn)直流側(cè)均壓控制以及負序和諧波綜合補償控制方法，實現(xiàn)系統(tǒng)負序與諧波完全補償。本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，一種基于半橋結(jié)構(gòu)的鐵路功率調(diào)節(jié)器的控制方法，采 用了雙閉環(huán)控制方法對所述基于半橋結(jié)構(gòu)的鐵路功率調(diào)節(jié)器進行了負序、無功與諧波補 償，具體包括以下步驟a.檢測的直流側(cè)電壓ud。通過濾波之后，得到的直流分量Udc與參考信號Uref作差， 然后通過PI控制器調(diào)節(jié)之后輸出一個電壓調(diào)節(jié)信號AI。ut(k)；b.電壓調(diào)節(jié)信號AI。ut(k)分別乘以兩供電臂的同步信號Sin(wt-30° )和 Sin(wt-90° )，然后與根據(jù)VV牽引系統(tǒng)負序和諧波補償原理計算得到的負序和諧波補償 電流參考信號ima和ime疊加，可得到外環(huán)輸出的諧波和負序電流參考信號1 和；c.兩個直流電容電壓差值Δ V通過均壓PI調(diào)節(jié)器之后，其輸出值Δν-與外環(huán)輸
出的諧波和負序電流參考信號^和&疊加，得到兩變換器總的電流參考信號4_和‘；d.對兩變換器的輸出電流ica和采取滯環(huán)控制方法，實現(xiàn)內(nèi)環(huán)電流的快速跟 蹤，使兩變換器輸出端電流iea和快速跟蹤參考補償信號，實現(xiàn)有功功率從一供電臂轉(zhuǎn) 移至另一供電臂，實現(xiàn)負序、無功與諧波補償。由于直流側(cè)由兩個直流電容構(gòu)成，存在均壓和平衡問題，所述步驟C中所述均壓 PI調(diào)節(jié)器對直流側(cè)串聯(lián)電容進行均壓控制，所述均壓PI調(diào)節(jié)器的輸出值為Δν_，則電流 內(nèi)環(huán)中兩變換器總的電流參考信號為‘ [‘+ΔΚ-,χε {α, β}；令兩個直流電容電 壓差值A(chǔ)V = Vc2-Va，其中，Va和Vc2分別為直流側(cè)電容C1和C2的電壓；均壓調(diào)節(jié)過程為當(dāng)AV > 0時，即Vc2 > Va，則均壓調(diào)節(jié)器輸出一個正偏移量 Δ V。ut，其中Δ V。ut > 0，即在電源電壓的正半周，電容C2放電電流增加，電容C1充電電流增 加；在電源電壓負半周，電容C1放電電流減小，電容C2充電電流減小；結(jié)果是輸出電容電壓 Vc2減小，直流側(cè)電容C1的電壓Va增加，使兩個直流電容電壓差值Δ V減小到0或者0 ；當(dāng) Δν < 0時，gp Vc2 < Vci時，同理可以實現(xiàn)均壓，將ΔV調(diào)至0。本發(fā)明的技術(shù)效果在于1.直流側(cè)串聯(lián)電容采用一個均壓PI調(diào)節(jié)器對兩電容電壓的偏差進行控制，均壓 調(diào)節(jié)器輸出的偏移量直接影響兩電容的充放電電流從而使偏差電壓減小直至0。2.直流側(cè)電壓外環(huán)采用了一個PI調(diào)節(jié)器，直流側(cè)電壓跟蹤誤差A(yù)Udc(AUdc = Uref-Unc)被PI控制器處理后分別乘以兩供電臂的同步信號，之后與檢測環(huán)節(jié)求得的諧波和 負序補償電流參考指令ima和im0疊加，得到兩變換器的電流參考指令信號1 和ik。直 流側(cè)電壓通過由兩變換器共同控制維持，保證了兩變換器兩側(cè)功率平衡，功率模塊損耗由 兩供電臂分擔(dān)。對兩變換器的輸出電流采取滯環(huán)控制方法，以使兩變換器輸出端電流iea和 ice快速跟蹤參考補償參考信號，實現(xiàn)系統(tǒng)的負序和諧波補償。綜上所述，本發(fā)明所述基于半橋結(jié)構(gòu)的鐵路功率調(diào)節(jié)器的控制方法，能夠?qū)崿F(xiàn)系 統(tǒng)負序與諧波完全補償和抑制。采用本發(fā)明所提出的控制方法后，系統(tǒng)的負序和諧波都得 到極大的改善，經(jīng)進一步完善，完全可以應(yīng)用于實踐。


圖1為本發(fā)明的拓撲結(jié)構(gòu)圖。
圖2為V/V牽引系統(tǒng)的負序補償原理圖。圖3為半橋變換電路的PWM整流工作模式圖。圖4為本發(fā)明的綜合控制框圖。在上述附圖中，I-VV牽引變壓器； 2-降壓變壓器；3-背靠背半橋逆變模塊；4-基于半橋結(jié)構(gòu)的鐵路功率調(diào)節(jié)器
具體實施例方式如圖1所示，為本發(fā)明所述控制方法的應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖。其中基于半橋結(jié)構(gòu)的鐵路功 率調(diào)節(jié)器4的補償對象是采用三相V/V牽引變壓器1的高速鐵路供電系統(tǒng)。所述基于半橋 結(jié)構(gòu)的鐵路功率調(diào)節(jié)器4由兩個單相降壓變壓器2和背靠背半橋逆變模塊3組成。兩個單 相降壓變壓器的原邊分別與兩單相牽引供電臂連接，并將兩單相降壓變壓器副邊與功率變 換模塊相連接。其中兩單相降壓變壓器副邊非浮地線通過輸出電抗器分別與功率變換模塊 的開關(guān)臂中點連接，降壓變壓器浮地與功率變換模塊兩串聯(lián)電容的中點連接在一起。定義圖中與三相V/V變壓器副邊ac端連接的供電臂為α相，另一臂為β相。本發(fā)明與RPC比較，節(jié)省了一對開關(guān)臂即4個功率開關(guān)器件。因此，這種補償結(jié)構(gòu) 更為精簡，降低了硬件的成本和復(fù)雜度，提高了補償系統(tǒng)的可靠性，將大大利于該補償系統(tǒng) 的模塊化大功率發(fā)展。參見圖2，圖2為本發(fā)明中的V/V牽引結(jié)構(gòu)下的功率調(diào)節(jié)器的負序補償原理圖。由于高速鐵路機車一般為交直交電力機車，采取四象限PWM脈沖整流控制方式， 功率因數(shù)接近1。假設(shè)α相供電臂有機車負載電流為而β相供電臂機車負載電流為 I0lo UA、UB、UC為V/V牽引系統(tǒng)的原邊三相電壓，Ua、Ue為牽引變壓器副邊兩橋臂電壓，其 相角相差η/3。在RPC補償前，兩橋臂分別有有功機車負載電流I0lo首先通過綜合 補償裝置將兩牽引臂有功電流差值的一半(即為I IiaJ-IifJ I/2)，從輕載側(cè)轉(zhuǎn)移到重載 側(cè)，此時兩橋臂電流的幅值分別為|Γ a|和|Γ e I，其幅值相等，相角相差π/3。在此基 礎(chǔ)上，在α橋臂補償一定的容性無功電流Γ ca使電流超前該橋臂電壓η/6，而在β橋 臂補償一定的感性無功電流Γ c0使電流滯后該橋臂電壓η /6，此時有
r,tan / 6 , ι…Ica = Icp = ^-^ \IaL I + Ipl(1)這樣補償之后得到的兩橋臂電流Ia、I0分別與IA、Ib重合，相角相差2 π/3，并可 以求得原邊C相電流為Ic，此時原邊三相電流完全對稱，負序電流為0，并且可推知原邊三 相功率因數(shù)都為1，此時就到達了綜合補償?shù)哪康?。對于其他任何負載情況下的V/V牽引 系統(tǒng)，RPC都遵循上述的負序補償原理。通過上面的分析，只要RPC綜合補償裝置能把a、 β兩橋臂的負載電流分量iaJt)、補償為Ia、I0就到達了負序與諧波完全補償?shù)?目的。故通過采用瞬時電流檢測法，可以計算兩橋臂的負序和諧波的補償參考信號為
權(quán)利要求
一種基于半橋結(jié)構(gòu)的鐵路功率調(diào)節(jié)器的控制方法，所述基于半橋結(jié)構(gòu)的鐵路功率調(diào)節(jié)器包括兩個單相降壓變壓器和半橋變換器，所述半橋變換器塊包括一對開關(guān)臂和一對串聯(lián)電容，一對開關(guān)臂經(jīng)兩個電容連接成背靠背結(jié)構(gòu)；所述兩個單相降壓變壓器原邊與牽引變壓器的兩個二次側(cè)供電臂連接，兩單相降壓變壓器副邊的非浮地線分別經(jīng)電感與半橋變換器中的開關(guān)臂連接，兩單相降壓變壓器浮地與半橋變換器中兩電容的中點連接；其特征是，采用了雙閉環(huán)控制方法對所述基于半橋結(jié)構(gòu)的鐵路功率調(diào)節(jié)器進行了負序、無功與諧波補償，具體包括以下步驟a.檢測的直流側(cè)電壓udc通過濾波之后，得到的直流分量UDC與參考信號Uref作差，然后通過PI控制器調(diào)節(jié)之后輸出一個電壓調(diào)節(jié)信號ΔIout(k)；b.電壓調(diào)節(jié)信號ΔIout(k)分別乘以兩供電臂的同步信號sin(wt 30°)和sin(wt 90°)，然后與根據(jù)VV牽引系統(tǒng)負序和諧波補償原理計算得到的負序和諧波補償電流參考信號imα和imβ疊加，可得到外環(huán)輸出的諧波和負序電流參考信號iαr和iβr；c.兩個直流電容電壓差值ΔV通過均壓PI調(diào)節(jié)器之后，其輸出值ΔVout與外環(huán)輸出的諧波和負序電流參考信號iαr和iβr疊加，得到兩變換器總的電流參考信號和d.對兩變換器的輸出電流iCα和iCβ采取滯環(huán)控制方法，實現(xiàn)內(nèi)環(huán)電流的快速跟蹤，使兩變換器輸出端電流iCα和iCβ快速跟蹤參考補償信號，實現(xiàn)有功功率從一供電臂轉(zhuǎn)移至另一供電臂，實現(xiàn)負序、無功與諧波補償。FDA0000029194590000011.tif,FDA0000029194590000012.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于半橋結(jié)構(gòu)的鐵路功率調(diào)節(jié)器的控制方法，其特征是，所述 步驟c中所述均壓PI調(diào)節(jié)器對直流側(cè)串聯(lián)電容進行均壓控制，所述均壓PI調(diào)節(jié)器的輸出 值為AV。ut，則電流內(nèi)環(huán)中兩變換器總的電流參考信號為-.CrUAVounXe {α, β}； 令兩個直流電容電壓差值Δ V = Vc2-Va，其中，Va和Vc2分別為直流側(cè)電容C1和C2的電壓；均壓調(diào)節(jié)過程為當(dāng)AV > 0時，即Vc2 > Va，則均壓調(diào)節(jié)器輸出一個正偏移量AV。ut，其中AV。ut > 0，即 在電源電壓的正半周，電容C2放電電流增加，電容C1充電電流增加；在電源電壓負半周，電 容C1放電電流減小，電容C2充電電流減??；結(jié)果是輸出電容電壓V。2減小，直流側(cè)電容C1的 電壓Va增加，使兩個直流電容電壓差值Δ V減小到0 ；當(dāng)AV<0時，S卩Vc2 < Vci時，同理可以實現(xiàn)均壓，將AV調(diào)至0。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于半橋結(jié)構(gòu)的鐵路功率調(diào)節(jié)器的控制方法。其中基于半橋結(jié)構(gòu)的鐵路功率調(diào)節(jié)器由兩個半橋臂組成，中間由兩個電容將兩個半橋臂連接在一起，由于直流側(cè)電壓由兩個串聯(lián)電容供電，存在均壓的問題。為了實現(xiàn)直流側(cè)均壓，采用一個均壓PI調(diào)節(jié)器對兩電容電壓的偏差進行控制，均壓調(diào)節(jié)器輸出的偏移量直接影響兩電容的充放電電流從而使偏差電壓減小直至0。為了維持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，直流側(cè)電壓外環(huán)采用了一個PI控制器，調(diào)節(jié)輸出值分別乘以兩供電臂的同步信號，之后與根據(jù)VV牽引系統(tǒng)負序和諧波補償原理計算得到的諧波和負序補償電流參考信號疊加，得到兩半橋變換器的電流參考信號。為了實現(xiàn)內(nèi)環(huán)電流的快速跟蹤，對兩變換器的輸出電流采取滯環(huán)控制方法，以使兩變換器輸出端電流跟蹤參考補償信號，即可實現(xiàn)負序和諧波補償。
文檔編號H02J3/12GK101950968SQ201010516548
公開日2011年1月19日 申請日期2010年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月22日
發(fā)明者吳傳平, 吳敬兵, 孫娟, 孫運賓, 張寅 , 王剛, 羅安, 馬伏軍 申請人:湖南大學(xué)