一種網壓波動工況下的動車組網側變流器的并網控制策略的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種網壓波動工況下的動車組網側變流器的并網控制策略，基于三相VSR旋轉坐標系理論基礎建立單相VSR旋轉坐標系數學模型；采用快速虛擬軸算法改善電流控制內模的延時問題；實現對有功功率和無功功率分別獨立調節；通過電流內環解耦控制設計解決VSR的dq分量相互耦合問題；運用載波移相技術抑制網側電流中的諧波分量。本發明，采用基于旋轉坐標系的控制方法和快速虛擬軸的核心算法，不僅可實現對電網電流無靜差跟蹤，有功和無功功率獨立控制，還解決了單純用虛擬軸控制方法中電流環控制存在的延時問題，極大提高了系統的動態性能，并通過載波移相技術抑制網側電流中的諧波分量。
【專利說明】
一種網壓波動工況下的動車組網側變流器的并網控制策略
技術領域
[0001]本發明涉及電力電子與電力傳動及新能源技術領域，具體說是一種網壓波動工況 下的動車組網側變流器的并網控制策略。
【背景技術】
[0002] P WM (脈沖寬度調制）整流器作為動車組網側變流器，是整個牽引傳動系統的重要 組成部分。它的結構形式及控制方式，對于提高電網功率數、降低電網電流諧波含量、穩定 中間直流回路電壓以及保證電機側電壓型逆變器的正常工作有著決定性的影響。要實現 PWM整流器良好的工作特性，其關鍵在于對整流器輸入電流的控制。為使PWM整流器實現單 位功率因數和輸入電流中的諧波含量較小，必須控制整流器輸入電流呈現正弦特性，也就 需要有對整流器良好的控制策略。
[0003] VSR型PWM整流器（電壓型PWM整流器）網側電流的控制策略一般采用直接電流控制 策略。該策略是通過對交流電流進行直接控制，使其跟隨指令電流的控制方法。一般采用直 流電壓外環，交流電流內環的控制策略，既可穩定直流電壓，又可實現單位功率因數控制， 并且動態響應快，控制精度高，在實際系統中得到廣泛應用。
[0004] 直接電流控制策略包括:滯環電流控制策略、無差拍電流控制策略、比例諧振控制 策略等。
[0005] 滯環電流控制策略具有動態響應快，控制精度高等優點，但是開關頻率不固定，不 利于系統的設計。
[0006] 無差拍電流控制策略動態響應快，電流跟蹤快速、算法易于數字實現，但是系統的 魯棒性較低，需要較精確地得到PWM整流器交流濾波電感的參數，否則將可能導致系統不穩 定。
[0007] 比例諧振控制策略是基于內模原理的控制技術，可以在靜止坐標系下實現PWM整 流器電網電流的無穩態誤差跟蹤，不需要進行多次坐標變換。但比例諧振控制器必須選擇 合適的離散化方式，不同的離散化方式會導致比例諧振控制器頻率特性發生偏移。
【發明內容】
[0008] 針對現有技術中存在的缺陷，本發明的目的在于提供一種網壓波動工況下的動車 組網側變流器的并網控制策略，采用基于旋轉坐標系的控制方法和快速虛擬軸的核心算 法，不僅可實現對電網電流無靜差跟蹤，有功和無功功率獨立控制，還解決了單純用虛擬軸 控制方法中電流環控制存在的延時問題，極大提高了系統的動態性能，并通過載波移相技 術抑制網側電流中的諧波分量。
[0009] 為達到以上目的，本發明采取的技術方案是：
[0010] -種網壓波動工況下的動車組網側變流器的并網控制策略，其特征在于：
[0011] 基于三相VSR旋轉坐標系理論基礎建立單相VSR旋轉坐標系數學模型；
[0012] 采用快速虛擬軸算法改善電流控制內模的延時問題；
[0013] 實現對有功功率和無功功率分別獨立調節；
[0014] 通過電流內環解耦控制設計解決VSR的dq分量相互耦合問題；
[0015] 運用載波移相技術抑制網側電流中的諧波分量。
[0016] 在上述技術方案的基礎上，基于三相VSR旋轉坐標系理論基礎建立單相VSR旋轉坐 標系數學模型的具體步驟如下：
[0017] 采用軟/硬件鎖相環技術實時跟蹤電網相位c〇t，AD數字采樣系統實時跟蹤網壓幅 值E與網側交流電流幅值I;
[0018] 當電網相位cot為0時，網壓設定為靜止坐標系的α軸分量E。，對網壓進行旋轉得到 虛擬軸Εβ，建立靜止坐標系，有Ea = Esin ω t，Ep = _Ecos ω t;
[0019] d軸為有功軸，與a軸的夾角為θ，有Ea = Edsin ω t+EqC〇s ω t，Ep = _Edcos ω t+Eqsin wt之關系。
[0020] 在上述技術方案的基礎上，采用快速虛擬軸算法改善電流控制內模的延時問題 中，所述快速虛擬軸算法主要是推導Ie的表達式，具體推導如下：
[0021] P麗整流器矢量穩態方程有
[0022]轉換為dq旋轉坐標系方程：
[0023] 則有
[0024] 在上述技術方案的基礎上，根據PWM整流器矢量穩態方程以及dq旋轉坐標系方程， 可得到網側電流、電壓參考值及控制方程：
[0025] 給定網側電流參考值:Is(t)*=Ia = Idsin〇 t+lqcos ω t;
[0026] 給定網壓參考值:1^(1:)* = 1](1 = 1](^;[11<^+1](1(3〇8〇1：;
[0027] 控制方程
[0028] 在上述技術方案的基礎上，通過電流內環解耦控制設計解決VSR的dq分量相互耦 合問題的具體步驟如下：
[0029] Id、Iq為單相VSR交流側電流矢量Is的d、q分量，
[0030] 工/山^為^山的指令值，
[0031] Ud、Uq為單相VSR交流側電壓矢量Us的d、q分量，
[0032] p為微分算子；
[0033]基于 P 麗穩態矢量方程得到 Ud = Ed+c〇LIq-(R+Lp)I<^Uq = Eq-c〇LId-(R+Lp)Id，
[0034] dq模型方程式中存在變量相互耦合的問題，采用電流環解耦算法解決，即：
[0035]
[0036]
[0037] 式中KiP和Κπ分別為電流內環比例調節增益和積分調節增益。
[0038]在上述技術方案的基礎上，所述運用載波移相技術抑制網側電流中的諧波分量 中，各單元整流器采用共同的調制波，采用移相控制方法，將各單元整流器的三角載波相位 相互依次錯開一個相同的相位角VN，N為整流器的單元數，然后利用PWM技術中的波形生成 方式和載波移相技術中的移相疊加得到階狀波。
[0039] 本發明所述的網壓波動工況下的動車組網側變流器的并網控制策略，采用基于旋 轉坐標系的控制方法和快速虛擬軸的核心算法，不僅可實現對電網電流無靜差跟蹤，有功 和無功功率獨立控制，還解決了單純用虛擬軸控制方法中電流環控制存在的延時問題，極 大提高了系統的動態性能，并通過載波移相技術抑制網側電流中的諧波分量。
[0040] 本發明所述的網壓波動工況下的動車組網側變流器的并網控制策略，具有以下有 益效果：
[0041] 1、采用單相VSR旋轉坐標系數學模型，可提高網側并網控制策略的控制精度。
[0042] 2、采用快速虛擬軸算法，可改善電流控制內模的延時問題，提高指令的響應速度， 切實保證列車控制的快速性。
[0043] 3、由于電網在遭受雷擊，或相間短路等情況下會導致網壓波動（即本發明所述的 網壓波動工況），危害高鐵的安全運行，而通過對無功功率進行的獨立調節，補償部分無功 可有效應對此類情況，抑制網壓波動幅度，為列車安全穩定運行保駕護航。
[0044] 4、通過電流內環解耦控制設計，可解決VSR的dq分量相互耦合問題，保證了網側并 網控制策略的準確實施與控制。
[0045] 5、采用多重化的載波移相技術抑制網側電流中的諧波分量，避免諧波可能導致的 危害，例如設備損壞，弓網諧振等。有效降低故障率，有力提升高鐵安全運行的穩定性。
【附圖說明】
[0046] 本發明有如下附圖：
[0047] 圖1本發明提供的虛擬α軸與建立(d，q)同步旋轉坐標系的原理圖；
[0048]圖2本發明提供的一個基本網側變流器的結構原理圖；
[0049] 圖3本發明提供的快速虛擬軸算法的設計框圖；
[0050] 圖4本發明提供的基于快速虛擬軸算法的前饋解耦控制的設計框圖；
[0051] 圖5本發明提供的基于快速虛擬軸算法的網側變流器dq旋轉坐標系控制方法的設 計框圖；
[0052]圖6本發明提供的一個4重化載波移相控制的范例圖。
【具體實施方式】
[0053]以下結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
[0054]本發明所述的網壓波動工況下的動車組網側變流器的并網控制策略，其所述方法 包括：
[0055] 基于三相VSR旋轉坐標系理論基礎建立單相VSR旋轉坐標系數學模型；
[0056] 采用快速虛擬軸算法改善電流控制內模的延時問題；
[0057] 實現對有功功率和無功功率分別獨立調節；
[0058] 通過電流內環解耦控制設計解決VSR的dq分量相互耦合問題；
[0059]運用載波移相技術抑制網側電流中的諧波分量。
[0060] 在上述技術方案的基礎上，如圖1所示，基于三相VSR旋轉坐標系理論基礎建立單 相VSR旋轉坐標系數學模型的具體步驟如下：
[0061] 采用軟/硬件鎖相環技術實時跟蹤電網相位cot，AD數字采樣系統實時跟蹤網壓幅 值E與網側交流電流幅值I，
[0062] 當電網相位cot為0時，網壓設定為靜止坐標系的α軸分量E。，對網壓進行旋轉得到 虛擬軸Εβ，建立靜止坐標系，有Ea = Esin ω t，Ep = _Ecos ω t;
[0063] d軸為有功軸，與a軸的夾角為θ，有Ea = Edsin ω t+EqC〇s ω t，Ep = _Edcos ω t+Eqsin wt之關系。
[0064] 在上述技術方案的基礎上，本發明中，創新地設計了快速虛擬軸算法，解決傳統dq 旋轉坐標系下控制存在的電流環延時問題，有別于傳統地直接將L·延時90°以得到Ie，快速 虛擬軸算法選用網壓Εα、Ε?!分量為基礎進而推導Ie;
[0065] 采用快速虛擬軸算法改善電流控制內模的延時問題中，所述快速虛擬軸算法主要 是推導Ie的表達式，具體推導如下：
[0066] P麗整流器矢量穩態方程有：
[0067] 轉換為dq旋轉坐標系方程（靜止坐標下的表達式）：
a和
[0068] 網壓較交流側電流Is(t)更穩定，基于此算法可有效改善電流環控制的延時問題， 保證變流器輸出穩定可靠的直流電壓，交流側電流電能質量良好。
[0069] 根據PWM整流器矢量穩態方程以及dq旋轉坐標系方程，可得到網側電流、電壓參考 值及控制方程：
[0070] 給定網側電流參考值:Is(t)*=Ia = Idsin〇 t+lqcos ω t;
[0071 ]給定網壓參考值:1^(1:)* = 1](1 = 1](^;[11<^+1](1(3〇8〇1：;
[0072] 控制方程：
[0073] 在上述技術方案的基礎上，通過電流內環解耦控制設計解決VSR的dq分量相互耦 合問題的具體步驟如下：
[0074] Id、Iq為單相VSR交流側電流矢量Is的d、q分量，
[0075]工/山^為^山的指令值，
[0076] Ud、Uq為單相VSR交流側電壓矢量Us的d、q分量，
[0077] p為微分算子；
[0078]基于 P 麗穩態矢量方程得到 Ud = Ed+c〇LIq-(R+Lp)I<^Uq = Eq-c〇LId-(R+Lp)Id，
[0079] dq模型方程式中存在變量相互耦合的問題，采用電流環解耦算法解決，即：
[0080]
[0081]
[0082] 式中KiP和Κπ分別為電流內環比例調節增益和積分調節增益。
[0083] 在上述技術方案的基礎上，所述運用載波移相技術抑制網側電流中的諧波分量 中，各單元整流器采用共同的調制波，采用移相控制方法，將各單元整流器的三角載波相位 相互依次錯開一個相同的相位角VN，N為整流器的單元數，然后利用PWM技術中的波形生成 方式和載波移相技術中的移相疊加得到階狀波。
[0084] 本發明所述的網壓波動工況下的動車組網側變流器的并網控制策略，包括如下控 制特點：
[0085] (1)采用軟/硬件鎖相環技術實時跟蹤電網相位cot，AD數字采樣系統實時跟蹤網 壓幅值E與網側交流電流幅值I;
[0086] (2)當電網相位ω t為0時，將網壓設定為靜止坐標系的α軸分量Εα，將α軸分量Εα逆 時針旋轉90°得到虛擬的軸，定義為Ee，則建立α-β靜止坐標系，該α-β靜止坐標系含電網電 壓與網側電流；
[0087] (3)建立d_q旋轉坐標系，d軸為有功軸，與α軸的夾角為Θ，由電網相位cot與Θ間的 數學關系計算得到α-β靜止坐標系與d_q旋轉坐標系的變換關系；
[0088] (4)采用電流環解耦算法解決了 dq模型方程式中存在變量相互耦合的問題，并提 出了電壓外環電流內環的控制內模設計方案；
[0089] (5)基于本發明所提出的快速虛擬軸原理及算法，提出了較傳統方案更為完善的 靜止坐標系構建方法，尋找到了更優的α-β靜止坐標系與d_q旋轉坐標系的變換關系，解決 了網側電流控制上存在的延時問題，極大提升了系統動態響應速度和控制穩定性。
[0090] (6)因為PWM整流器可以工作于整流和逆變工況，在逆變工況時，要將直流母線電 壓逆變成網側電壓并送回電網，從而便是并網的過程。
[0091] 本發明所述的網壓波動工況下的動車組網側變流器的并網控制策略，包括如下步 驟：
[0092]首先，采用軟件鎖相算法或硬件鎖相電路實時跟蹤電網相位cot，采用AD數字采樣 系統實時跟蹤網壓幅值E與網側交流電流幅值I;
[0093]當電網相位ω t為0時，將網壓設定為靜止坐標系的α軸分量Εα，將α軸分量Εα逆時針 旋轉90°得到虛擬的軸，定義為Ee，則建立α-β靜止坐標系，如圖1所示，該α-β靜止坐標系含 電網電壓與網側電流；
[0094]其次，建立d_q旋轉坐標系，d軸為有功軸，與α軸的夾角為0，Ed為網壓的有功分量， Eq為網壓的無功分量，Εα為網壓，Ee為網壓延時90°得到的量，則有：
[0095]
[0096]
[0097] 軟件鎖相算法從網壓過零點開始計算ω t，即:En(t)=Esinc〇 t
[0098] 代入式（1)(2)即有：
[0099]
[0100](4) ^ q a -
- p
[0101] 又因為θ=〇η-90°，可得：
[0102]
(5)[0103] 由Θ與cot的關系，可以導出下列變換關系：
[0104] (6)
[0105] (7)
[0106] 由此推導出d、q分量與α、β分量之間的數學轉換關系；
[0107] 對于d、q分量，由式(6)變換可得：
[0108](8) k y. ^
μ
[0109] 對于α、β分量，由式(8)變換可得：
[0110]
(9)
[0111] 傳統方法(單純用虛擬軸控制方法)和本發明所述控制策略在公式（1)~(9)中都 是一樣的。
[0112] 有別于單純用虛擬軸控制方法中，本發明直接將L·延時90°構建Ie，對于網側電流 的靜止坐標系和旋轉坐標系的建立，提出了快速虛擬軸算法。該算法可有效解決延時問題， 提高系統動態響應速度。電網電壓E n(t)相對于網側電流Is(t)而言比較穩定，通過將電網電 壓延時四分之一周期來構建虛擬的坐標軸Ee，進而推導Ie。
[0113] 如圖2所示，為一個基本網側變流器的結構原理圖，由PWM整流器矢量穩態方程為：
[0114]
(1Q)
[0118]則Ιβ的推導式為：[0119]
(13)
[0115] 忽略網側電阻R的影響，并將上式轉換為靜止坐標下的表達式：
[0116] (11)
[0117] (15)
[0120] 如圖3所示。進而可用L·和Ie建立網側電流的靜止坐標系和旋轉坐標系。
[0121] 單相VSR的dq坐標系中，其dq模型可描述為：
[0122]
(14)
[0123] Id、Iq為單相VSR交流側電流矢量Is的d、q分量，Ud、Uq為單相VSR交流側電壓矢量U s 的d、q分量，p為微分算子。
[0124] 由于d、q軸變量相互耦合，采用前饋解耦控制算法。當電流調節采用PI調節時，則 Ud、Uq的控制方程如下：
[0125]
[0126]
[0127] 式中，KlP和Κπ分別為電流內環比例調節增益和積分調節增益；1/、1，為Id、Iq的指 令值。
[0128] 如圖4所示，前饋解耦控制算法如下：
[0129]
(Π)
[0130] 由圖1還可類似推導出：
[0131]
[0132]
[0133] 給定值參考值為：
[0134] Is(t)*= Ia = Idsin ω t+Iqcos ω t (20)
[0135] Us(t)* = Ua = Udsin ω t+Uqcos ω t (21)
[0136] 則控制方程為(忽略網側電阻R的影響）：
[0137]
(22)
[0138] 如圖5所示，為基于快速虛擬軸算法的dq旋轉坐標系控制方法的設計框圖。
[0139] 對于多重化脈沖整流器的調制，采用載波移相技術。各單元整流器采用共同的調 制波，采用移相控制方法，將各單元整流器的三角載波相位相互依次錯開一個相同的相位 角π/Ν(Ν為整流器的單元數），然后利用PWM技術中的波形生成方式和載波移相技術中的移 相疊加得到階狀波，圖6揭示了4重化載波移相控制的基本原理，從矢量圖中可以看出，4對 載波在一個360°周期內均勻相錯，使得4個整流器的輸出脈沖平均錯開。這相當于將原來的 載波頻率等效提高了 Ν倍，能有效降低諧波含量。
[0140]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。 [0141]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. 一種網壓波動工況下的動車組網側變流器的并網控制策略，其特征在于： 基于三相VSR旋轉坐標系理論基礎建立單相VSR旋轉坐標系數學模型； 采用快速虛擬軸算法改善電流控制內模的延時問題； 實現對有功功率和無功功率分別獨立調節； 通過電流內環解耦控制設計解決VSR的dq分量相互耦合問題； 運用載波移相技術抑制網側電流中的諧波分量。2. 如權利要求1所述的網壓波動工況下的動車組網側變流器的并網控制策略，其特征 在于：基于三相VSR旋轉坐標系理論基礎建立單相VSR旋轉坐標系數學模型的具體步驟如 下： 采用軟/硬件鎖相環技術實時跟蹤電網相位《t，AD數字采樣系統實時跟蹤網壓幅值E 與網側交流電流幅值I; 當電網相位為O時，網壓設定為靜止坐標系的α軸分量E。，對網壓進行旋轉得到虛擬 軸Eβ，建立靜止坐標系，有Eα = Esinωt，Eβ = -Ecosωt; d軸為有功軸，與a軸的夾角為Θ，有Ea = Edsin ω t+EqC〇s ω t，Ep = _Edcos ω t+Eqsin ω t之 關系。3. 如權利要求1所述的網壓波動工況下的動車組網側變流器的并網控制策略，其特征 在于:米用快速虛擬軸算法改善電流控制內模的延時問題中，所述快速虛擬軸算法主要是 推導Ie的表達式，具體推導如下：4. 如權利要求4所述的網壓波動工況下的動車組網側變流器的并網控制策略，其特征 在于:根據PWM整流器矢量穩態方程以及dq旋轉坐標系方程，可得到網側電流、電壓參考值 及控制方程： 給定網側電流參考值:Is(t)*= Ia= Idsin ω t+lqcos ω t; 給定網壓參考值:Us(t)*=Ua = Udsino t+UqC〇s ω t; 控制方程:(人(/) = 〇..(')。5. 如權利要求1所述的網壓波動工況下的動車組網側變流器的并網控制策略，其特征 在于:通過電流內環解耦控制設計解決VSR的dq分量相互耦合問題的具體步驟如下： Id、Iq為單相VSR交流側電流矢量U^cUq分量， 為比Iq的指令值， Ud、Uq為單相VSR交流側電壓矢量Us的d、q分量， P為微分算子； 基于 PffM 穩態矢量方程得到Ud = Ed+ω LIq-(R+Lp)Id 與 Uq=Eq-ω LId-(R+Lp) Id， dq模型方程式中存在變量相互耦合的問題，采用電流環解耦算法解決，即：式中KlP和Kn分別為電流內環比例調節增益和積分調節增益。6.如權利要求1所述的網壓波動工況下的動車組網側變流器的并網控制策略，其特征 在于:所述運用載波移相技術抑制網側電流中的諧波分量中，各單元整流器采用共同的調 制波，采用移相控制方法，將各單元整流器的三角載波相位相互依次錯開一個相同的相位 角π/Ν，Ν為整流器的單元數，然后利用PWM技術中的波形生成方式和載波移相技術中的移相 疊加得到階狀波。
【文檔編號】H02J3/16GK105896606SQ201610379482
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月1日
【發明人】刁利軍, 陳大分, 阮白水, 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