CN106019068B - 一种动车组网侧变流器的网压中断检测及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用铁路上动车组网侧变流器针对牵引网网压中断检测及控制方法。其中网压中断的检测条件是网压E_n经过坐标变化后得到同步旋转坐标系下的d、q轴分量E_d和E_q，当E_d和E_q的值同时小于某个设定值X时，即发生了中断；然后通过控制方法将网压中断期间合成的桥臂电压U_s ^*的幅值和相位与掉电前的网压E_n保持一致，保证了网侧变流器能够正常运行不会引起故障。根据本发明中提出的动车组网侧变流器针对牵引网网压中断的检测手段和控制策略，能够快速检测到牵引网的电压中断，并使网侧变流器作出正确的控制响应，保证了设备能够正常安全运行，降低了因铁路恶劣供电条件造成的安全隐患。

Description

一种动车组网侧变流器的网压中断检测及控制方法

技术领域

本发明涉及一种网压中断的检测和控制方法，尤其涉及一种适用铁路上动车组网侧变流器针对牵引网网压中断的检测及控制方法。

背景技术

对于电气化铁路的牵引供电***，列车主要是通过顶部的受电弓与接触网的滑动接触来取电。接触网不仅是列车牵引供电***的重要组成部分，同时也是一种较为薄弱的供电装置，受电弓与接触网的接触状态将直接影响列车的取电质量，进而影响列车的运行状态。

低速运行的电力机车，由于受电弓与接触网的接触比较平稳，一般列车能够获得稳定的电流。但对于高速运行的动车组来说，过高的速度引起受电弓震动加剧，不可避免的就会发生弓网分离的现象。弓网分离时，弓网之间的高压会击穿空气间隙，产生电弧，随着空气间隙增大，当击穿电压大于供电电压时，电弧熄灭，受电弓与接触网之间呈高阻状态，造成供电中断。如果网侧变流器无法检测到供电中断，或者在控制上不进行任何处理，当恢复供电后，很可能会引起网侧变流器交流侧过流，引起误保护。

发明内容

本发明提供一种适用铁路上动车组网侧变流器针对牵引网网压中断的检测方法，并制定相应的网侧变流器控制策略，使其能够快速检测牵引网电压中断，作出正确的动作，保证设备能够正常运行。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种动车组网侧变流器的网压中断检测及控制方法，包括如下步骤：

S1、将网压E_n经过移相90°后得到虚拟电压E_m，网压E_n和虚拟电压E_m经过锁相环和dq坐标变换得到网压同步相角θ及同步旋转坐标系下的dq轴分量E_d和E_q；

S2、将dq轴分量E_d和E_q的标幺值分别设为1和0；

S3、当dq轴分量E_d和E_q的值同时小于某个设定值X时，网压同步相角θ也发生了变化，即发生了网压中断；

S4、当检测到网压中断后，屏蔽闭环控制；

S5、将网压中断期间生成的桥臂电压U_s ^*经过dq坐标变换后得到同步旋转坐标系下的d、q轴分量U_d和U_q；

对分量U_d和U_q的值进行强制赋值：U_d＝E_d，U_q＝E_q，使网压中断期间内生成的桥臂电压U_s ^*与断电前的网压E_n重合；

S6、网压恢复后，开启闭环控制，经直流电压环和交流电流环重新计算得到正常的桥臂电压U_s和网压同步相角θ，即可自动调节恢复正常。

在上述方案的基础上，某个设定值X远小于网压正常波动时可能达到的最低电压U_min。

本发明与现有技术相比所具有的有益效果：

根据本发明中提出的动车组网侧变流器针对牵引网网压中断的检测手段和控制策略，能够快速检测到牵引网的电压中断，并使变流器作出正确的控制响应，保证了设备能够正常安全运行，降低了因铁路恶劣供电条件造成的安全隐患。

附图说明

图1一种动车组网侧变流器主电路示意图；

图2PWM整流器对应的控制单元框图；

图3控制单元的原理示意图；

图4交流电流环的控制框图；

图5一种网压中断时网侧变流器主电路工作原理示意图；

图6网压中断期间电压矢量变化示意图；

图7采用网压中断控制策略后矢量三角形恢复建立的过程示意图。

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为本发明提供的一种动车组网侧变流器主电路示意图。网侧变流器包括两个并联的单相PWM整流器，PWM整流器的交流侧分别与牵引变压器的两个副边绕组直接连接，直流侧并联。PWM整流器主电路包括交流滤波电感L，功率器件B1～B4，直流支撑电容C，二次谐波滤波电感L_r以及滤波电容C_r。其中交流滤波电感L能大大减小PWM整流器注入交流电网的谐波电流；功率器件B1～B4选用半桥式的IGBT智能功率模块，其集驱动、保护和电流测量等功能于一体，能简化***结构，提高设备可靠性；直流支撑电容C选用薄膜电容，纹波电流通过能力强，等效阻抗小，寿命长；二次谐波滤波电感L_r以及滤波电容C_r用于滤除直流侧存在的二次频率直流脉动，稳定输出电压。

两重化主电路结构采用移相脉宽调制技术，两个并联的PWM整流器的等效开关频率是单个PWM整流器开关频率的2倍，大大减小了整个PWM整流器的电流谐波。列车牵引时，PWM整流器工作在整流工况，将牵引变压器引入的交流电整流成直流电，提供稳定的中间直流电压；当列车制动时，列车的制动能量经过PWM整流器回馈给牵引变压器，再通过牵引变压器反馈给交流电网。

下面具体说明动车组网侧变流器的控制原理及过程：

上述提供的网侧变流器，可以采用控制单元对PWM整流器进行控制。具体地，图2为本发明提供的PWM整流器对应的控制单元框图。如图2所示，直流侧电压v_dc经过闭环控制输出有功电流指令值I_d ^*，无功电流指令值I_q ^*可以通过控制单元给定。网压E_n经过移相90°后得到虚拟电压E_m，网压E_n和虚拟电压E_m经过锁相环和dq坐标变换得到网压同步相角θ及旋转坐标系下网压E_n的dq轴分量E_d、E_q。上述物理量E_d、I_q ^*、I_d ^*、θ与PWM整流器的交流电流I_a以及延时90°后得到的虚拟正交电流I_b共同输入交流电流环(I_loop)，经过运算输出控制PWM整流器的开关脉冲g1～g8。

图3为本发明提供的控制单元的原理示意图。如图3所示，该控制单元包括直流电压环和交流电流环。直流电压环的输入包括直流电压的指令值V_dc*、PWM整流器输出的直流侧电压V_dc，直流电压环的输出为PWM整流器的有功电流指令值I_d*；交流电流环的输入包括有功电流指令值I_d*、d轴分量E_d、无功电流指令值I_q*、网压同步相角θ、PWM整流器交流电流I_a以及延时90°后得到的虚拟正交电流I_b，交流电流环的输出为控制PWM整流器的开关脉冲g1～g8。

图4为本发明提供的交流电流环控制框图。如图4所示，网压同步相角θ、交流电流I_a和虚拟正交电流I_b、d轴分量E_d、有功电流指令值I_d ^*和无功电流指令值I_q ^*经过前馈解耦运算，可以得到PWM整流器的指令输出电压，进而通过SPWM脉宽调制得到控制PWM整流器的开关脉冲g1～g8。

下面具体说明动车组网侧变流器检测网压中断的控制原理及过程：

图5为本发明提供的一种网压中断时网侧变流器主电路工作原理示意图。这里需要指出的是，网压中断后，原边电压并不是想当然的认为立即变成了0。这是由于供电中断点发生在牵引变压器原边之前，当出现供电中断时，由于网侧变流器仍在工作，根据牵引变压器的等效模型，此时桥臂电压U_S成为了电源端，经过激磁电感Lm与交流电感L分压后升压至原边，由于激磁电感Lm往往非常大，因而可以忽略交流电感L的作用，可以认为供电中断后，牵引变压器原边的实测电压由E_n变成了U_S，虽然U_S波形为脉冲状的，但由于控制单元中的采样电路往往带有滤波环节，能很好的还原U_S。

而对于中断时交流电流的变化，可从如下角度来考虑，网压中断瞬间，相当于原边空载，负载侧作为电源，因此此时交流电流I_s就是激磁电流(空载电流)非常小，在断电瞬间交流电流立即变成0。

如图6所示为网压中断期间电压矢量变化示意图。网压中断期间，没有了交流电源提供能量，直流侧电压会不断下降，由于桥臂电压U_S与直流电压成比例关系，因此桥臂电压U_S也在不断下降。同时，网压中断期间锁相环无法再跟踪网压相位，使得U_S的相位在掉电期间会不断偏离。U_S的幅值和相位的改变导致重新上电瞬间，U_S与E_n之间会有一个很大的电压差加在交流电感L上，引起较大的电流冲击，造成***保护乃至停机。

正常情况下，E_d、E_q分别为网压信号E_n经过坐标变换在dq坐标系下的d、q轴分量，标幺值分别为1和0。网压中断瞬间，E_d的值会立即减小，E_q也不再为0，会发生剧烈变动。从图6可以分析得到，网压信号E_n掉电瞬间的一段时间内，假设直流电压没有下降，锁相环的相位也没有发生变化，由于检测的网压由E_n瞬间跳变成U_s，E_d变成了U_s在d轴上的投影，E_q变成了U_s在q轴的投影，于是E_d、E_q的值会立刻发生变化。因此可利用E_d、E_q的突变作为判断网压中断的依据。

由上，可以设定网压中断检测条件如下：当检测到E_d和E_q同时小于某个设定值时，即认为发生了网压中断。这个设定值可以设的远小于网压正常波动时可能达到的最低电压，因为网压中断时E_d的变化速度非常快，可以瞬间越过正常网压波动范围。且正常网压波动时E_q的值不会发生变化，几乎一直维持在0附近，只有当网压中断时E_q的值才会发生剧烈变化。

图7为采用网压中断控制策略后矢量三角形恢复建立的过程示意图。交流过流是由于网压中断期间U_s的幅值和相位的不可控导致一个很大的电压差加在交流电感L上，进而引起过流。以此作为出发点，如果能够保证在网压中断期间，控制合成的U_s ^*的幅值和相位与掉电前的网压E_n相同，那么再次上电时，E_n与U_s ^*重合，此时矢量三角形将从d轴开始经过闭环调制慢慢恢复建立起来，不会在电感上产生任何的压降导致冲击电流。

具体地，当检测到网压中断以后，屏蔽闭环工作，对网压中断期间生成的桥臂电压U_s ^*在d、q轴上的分量U_d、U_q进行强制赋值：U_d＝E_d，Uq＝Eq，使断电时间内生成的U_s ^*与断电前的网压E_n重合。网压恢复后，再开启正常的闭环控制，经电压环和电流环计算得到正常的桥臂电压U_s，即可自动调节恢复正常。

最后应说明的是：以上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。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种动车组网侧变流器的网压中断检测及控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将网压En经过移相90°后得到虚拟电压E_m，网压E_n和虚拟电压E_m经过锁相环和dq坐标变换得到网压同步相角θ及同步旋转坐标系下的dq轴分量E_d和E_q；

S2、将dq轴分量E_d和E_q的标幺值分别设为1和0；

S3、当dq轴分量E_d和E_q的值同时小于某个设定值X时，网压同步相角θ也发生了变化，即发生了网压中断；

S4、当检测到网压中断后，屏蔽闭环控制；

S5、将网压中断期间生成的桥臂电压U_s ^*经过dq坐标变换后得到同步旋转坐标系下的dq轴分量U_d和U_q；

对分量U_d和U_q的值进行强制赋值：U_d＝E_d，U_q＝E_q，使网压中断期间内生成的桥臂电压U_s ^*与断电前的网压E_n重合；

S6、网压恢复后，开启闭环控制，经直流电压环和交流电流环重新计算得到正常的桥臂电压U_s和网压同步相角θ，即可自动调节恢复正常。

2.如权利要求1所述的动车组网侧变流器的网压中断检测及控制方法，其特征在于，所述某个设定值X远小于网压正常波动时可能达到的最低电压U_min。