一種動車組網側變流器的網壓中斷檢測及控制方法
【專利摘要】本發明涉及一種適用鐵路上動車組網側變流器針對牽引網網壓中斷檢測及控制方法。其中網壓中斷的檢測條件是網壓En經過坐標變化后得到同步旋轉坐標系下的d、q軸分量Ed和Eq，當Ed和Eq的值同時小于某個設定值X時，即發生了中斷；然后通過控制方法將網壓中斷期間合成的橋臂電壓Us*的幅值和相位與掉電前的網壓En保持一致，保證了網側變流器能夠正常運行不會引起故障。根據本發明中提出的動車組網側變流器針對牽引網網壓中斷的檢測手段和控制策略，能夠快速檢測到牽引網的電壓中斷，并使網側變流器作出正確的控制響應，保證了設備能夠正常安全運行，降低了因鐵路惡劣供電條件造成的安全隱患。
【專利說明】
一種動車組網側變流器的網壓中斷檢測及控制方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種網壓中斷的檢測和控制方法，尤其涉及一種適用鐵路上動車組網側變流器針對牽引網網壓中斷的檢測及控制方法。
【背景技術】
[0002]對于電氣化鐵路的牽引供電系統，列車主要是通過頂部的受電弓與接觸網的滑動接觸來取電。接觸網不僅是列車牽引供電系統的重要組成部分，同時也是一種較為薄弱的供電裝置，受電弓與接觸網的接觸狀態將直接影響列車的取電質量，進而影響列車的運行狀態。
[0003]低速運行的電力機車，由于受電弓與接觸網的接觸比較平穩，一般列車能夠獲得穩定的電流。但對于高速運行的動車組來說，過高的速度引起受電弓震動加劇，不可避免的就會發生弓網分離的現象。弓網分離時，弓網之間的高壓會擊穿空氣間隙，產生電弧，隨著空氣間隙增大，當擊穿電壓大于供電電壓時，電弧熄滅，受電弓與接觸網之間呈高阻狀態，造成供電中斷。如果網側變流器無法檢測到供電中斷，或者在控制上不進行任何處理，當恢復供電后，很可能會引起網側變流器交流側過流，引起誤保護。
【發明內容】
[0004]本發明提供一種適用鐵路上動車組網側變流器針對牽引網網壓中斷的檢測方法，并制定相應的網側變流器控制策略，使其能夠快速檢測牽引網電壓中斷，作出正確的動作，保證設備能夠正常運行。
[0005]為達到上述目的，本發明采用的技術方案如下:
[0006]—種動車組網側變流器的網壓中斷檢測及控制方法，包括如下步驟:
[0007]S1、將網壓EnS過移相90°后得到虛擬電SEm，網壓En和虛擬電壓Em經過鎖相環和dq坐標變換得到網壓同步相角Θ及同步旋轉坐標系下的dq軸分量Ed和Eq;
[0008]S2、將dq軸分量Ed和Eq的標幺值分別設為I和O;
[0009]S3、當dq軸分量Ed和Eq的值同時小于某個設定值X時，網壓同步相角Θ也發生了變化，即發生了網壓中斷；
[0010]S4、當檢測到網壓中斷后，屏蔽閉環控制；
[0011]S5、將網壓中斷期間生成的橋臂電壓Us*經過dq坐標變換后得到同步旋轉坐標系下的d、q軸分量Ud和Uq;
[0012]對分量Ud和Uq的值進行強制賦值:Ud= Ed，Uq = Eq，使網壓中斷期間內生成的橋臂電壓U/與斷電前的網壓En重合；
[0013]S6、網壓恢復后，開啟閉環控制，經直流電壓環和交流電流環重新計算得到正常的橋臂電壓仏和網壓同步相角Θ，即可自動調節恢復正常。
[0014]在上述方案的基礎上，某個設定值X遠小于網壓正常波動時可能達到的最低電壓
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[0015]本發明與現有技術相比所具有的有益效果:
[0016]根據本發明中提出的動車組網側變流器針對牽引網網壓中斷的檢測手段和控制策略，能夠快速檢測到牽引網的電壓中斷，并使變流器作出正確的控制響應，保證了設備能夠正常安全運行，降低了因鐵路惡劣供電條件造成的安全隱患。
【附圖說明】
[0017]圖1一種動車組網側變流器主電路示意圖；
[0018]圖2PffM整流器對應的控制單元框圖；
[0019]圖3控制單元的原理示意圖；
[0020]圖4交流電流環的控制框圖；
[0021 ]圖5—種網壓中斷時網側變流器主電路工作原理示意圖；
[0022]圖6網壓中斷期間電壓矢量變化示意圖；
[0023]圖7采用網壓中斷控制策略后矢量三角形恢復建立的過程示意圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖和實施例對本發明做進一步的說明。
[0025]圖1為本發明提供的一種動車組網側變流器主電路示意圖。網側變流器包括兩個并聯的單相PWM整流器，PWM整流器的交流側分別與牽引變壓器的兩個副邊繞組直接連接，直流側并聯。PWM整流器主電路包括交流濾波電感L，功率器件BI?B4，直流支撐電容C，二次諧波濾波電感Lr以及濾波電容Cr。其中交流濾波電感L能大大減小PffM整流器注入交流電網的諧波電流;功率器件BI?B4選用半橋式的IGBT智能功率模塊，其集驅動、保護和電流測量等功能于一體，能簡化系統結構，提高設備可靠性;直流支撐電容C選用薄膜電容，紋波電流通過能力強，等效阻抗小，壽命長;二次諧波濾波電感Lr以及濾波電容Cr用于濾除直流側存在的二次頻率直流脈動，穩定輸出電壓。
[0026]兩重化主電路結構采用移相脈寬調制技術，兩個并聯的HVM整流器的等效開關頻率是單個PWM整流器開關頻率的2倍，大大減小了整個PffM整流器的電流諧波。列車牽引時，PWM整流器工作在整流工況，將牽引變壓器引入的交流電整流成直流電，提供穩定的中間直流電壓；當列車制動時，列車的制動能量經過PWM整流器回饋給牽引變壓器，再通過牽引變壓器反饋給交流電網。
[0027]下面具體說明動車組網側變流器的控制原理及過程:
[0028]上述提供的網側變流器，可以采用控制單元對PffM整流器進行控制。具體地，圖2為本發明提供的PWM整流器對應的控制單元框圖。如圖2所示，直流側電壓Vd。經過閉環控制輸出有功電流指令值I/，無功電流指令值Iq*可以通過控制單元給定。網壓Er^過移相90°后得到虛擬電壓Em，網壓En和虛擬電壓Em經過鎖相環和dq坐標變換得到網壓同步相角Θ及旋轉坐標系下網壓Ej^dq軸分量Ed、Eq。上述物理量Ed、Iq'I/、Θ與HVM整流器的交流電流Ia以及延時90°后得到的虛擬正交電流Ib共同輸入交流電流環(Ι_100ρ)，經過運算輸出控制PWM整流器的開關脈沖gl?g8。
[0029]圖3為本發明提供的控制單元的原理示意圖。如圖3所示，該控制單元包括直流電壓環和交流電流環。直流電壓環的輸入包括直流電壓的指令值Vdc；*、PffM整流器輸出的直流側電壓Vd。，直流電壓環的輸出為PffM整流器的有功電流指令值I d*;交流電流環的輸入包括有功電流指令值I d*、d軸分量Ed、無功電流指令值I q*、網壓同步相角Θ、PWM整流器交流電流13以及延時90°后得到的虛擬正交電流Ib，交流電流環的輸出為控制PffM整流器的開關脈沖
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[0030]圖4為本發明提供的交流電流環控制框圖。如圖4所示，網壓同步相角Θ、交流電流13和虛擬正交電流Ib、d軸分量Ed、有功電流指令值I/和無功電流指令值Iq*經過前饋解耦運算，可以得到P麗整流器的指令輸出電壓，進而通過SP麗脈寬調制得到控$爐麗整流器的開關脈沖gl?g8。
[0031]下面具體說明動車組網側變流器檢測網壓中斷的控制原理及過程:
[0032]圖5為本發明提供的一種網壓中斷時網側變流器主電路工作原理示意圖。這里需要指出的是，網壓中斷后，原邊電壓并不是想當然的認為立即變成了 O。這是由于供電中斷點發生在牽引變壓器原邊之前，當出現供電中斷時，由于網側變流器仍在工作，根據牽引變壓器的等效模型，此時橋臂電壓Us成為了電源端，經過激磁電感Lm與交流電感L分壓后升壓至原邊，由于激磁電感Lm往往非常大，因而可以忽略交流電感L的作用，可以認為供電中斷后，牽引變壓器原邊的實測電壓由En變成了Us，雖然Us波形為脈沖狀的，但由于控制單元中的采樣電路往往帶有濾波環節，能很好的還原Us。
[0033]而對于中斷時交流電流的變化，可從如下角度來考慮，網壓中斷瞬間，相當于原邊空載，負載側作為電源，因此此時交流電流I s就是激磁電流(空載電流)非常小，在斷電瞬間交流電流立即變成O。
[0034]如圖6所示為網壓中斷期間電壓矢量變化示意圖。網壓中斷期間，沒有了交流電源提供能量，直流側電壓會不斷下降，由于橋臂電壓Us與直流電壓成比例關系，因此橋臂電壓Us也在不斷下降。同時，網壓中斷期間鎖相環無法再跟蹤網壓相位，使得Us的相位在掉電期間會不斷偏離。Us的幅值和相位的改變導致重新上電瞬間，Us與En之間會有一個很大的電壓差加在交流電感L上，引起較大的電流沖擊，造成系統保護乃至停機。
[0035]正常情況下，Ed、Eq分別為網壓信號EnS過坐標變換在dq坐標系下的d、q軸分量，標幺值分別為I和O。網壓中斷瞬間，Ed的值會立即減小，Eq也不再為0，會發生劇烈變動。從圖6可以分析得到，網壓信號En掉電瞬間的一段時間內，假設直流電壓沒有下降，鎖相環的相位也沒有發生變化，由于檢測的網壓由En瞬間跳變成Us，Ed變成了 UAd軸上的投影，Eq變成了Us在q軸的投影，于是Ed、Eq的值會立刻發生變化。因此可利用Ed、Eq的突變作為判斷網壓中斷的依據。
[0036]由上，可以設定網壓中斷檢測條件如下:當檢測到Ed和Eq同時小于某個設定值時，即認為發生了網壓中斷。這個設定值可以設的遠小于網壓正常波動時可能達到的最低電壓，因為網壓中斷時Ed的變化速度非常快，可以瞬間越過正常網壓波動范圍。且正常網壓波動時Eq的值不會發生變化，幾乎一直維持在O附近，只有當網壓中斷時Eq的值才會發生劇烈變化。
[0037]圖7為采用網壓中斷控制策略后矢量三角形恢復建立的過程示意圖。交流過流是由于網壓中斷期間Us的幅值和相位的不可控導致一個很大的電壓差加在交流電感L上，進而引起過流。以此作為出發點，如果能夠保證在網壓中斷期間，控制合成的U/的幅值和相位與掉電前的網SEn相同，那么再次上電時，重合，此時矢量三角形將從d軸開始經過閉環調制慢慢恢復建立起來，不會在電感上產生任何的壓降導致沖擊電流。
[0038]具體地，當檢測到網壓中斷以后，屏蔽閉環工作，對網壓中斷期間生成的橋臂電壓Us*在d、q軸上的分量Ud、Uq進行強制賦值:Ud = Ed，Uq = Eq,使斷電時間內生成的Us*與斷電前的網壓En重合。網壓恢復后，再開啟正常的閉環控制，經電壓環和電流環計算得到正常的橋臂電壓Us，即可自動調節恢復正常。
[0039]最后應說明的是:以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制;盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的范圍。
[0040]本說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業技術人員公知的現有技術。
【主權項】
1.一種動車組網側變流器的網壓中斷檢測及控制方法，其特征在于，包括如下步驟: 51、將網壓En經過移相90°后得到虛擬電壓Em，網壓En和虛擬電壓Em經過鎖相環和dq坐標變換得到網壓同步相角Θ及同步旋轉坐標系下的dq軸分量Ed和Eq; 52、將dq軸分量Ed和Eq的標幺值分別設為I和O; 53、當dq軸分量Ed和Eq的值同時小于某個設定值X時，網壓同步相角Θ也發生了變化，SP發生了網壓中斷； 54、當檢測到網壓中斷后，屏蔽閉環控制； 55、將網壓中斷期間生成的橋臂電壓Us*經過dq坐標變換后得到同步旋轉坐標系下的d、q軸分量Ud和Uq; 對分量Ud和Uq的值進行強制賦值:Ud = Ed，Uq = Eq,使網壓中斷期間內生成的橋臂電壓Us*與斷電前的網壓En重合； 56、網壓恢復后，開啟閉環控制，經直流電壓環和交流電流環重新計算得到正常的橋臂電壓Us和網壓同步相角Θ，即可自動調節恢復正常。2.如權利要求1所述的動車組網側變流器的網壓中斷檢測及控制方法，其特征在于，所述某個設定值X遠小于網壓正常波動時可能達到的最低電SUmin。
【文檔編號】G01R31/04GK106019068SQ201610443051
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月20日
【發明人】刁利軍, 張鋼, 張馨予, 劉志剛, 王磊, 陳杰
【申請人】北京交通大學, 北京千駟馭電氣有限公司