一種動(dòng)車組網(wǎng)側(cè)變流器的網(wǎng)壓中斷檢測及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種適用鐵路上動(dòng)車組網(wǎng)側(cè)變流器針對牽引網(wǎng)網(wǎng)壓中斷檢測及控制方法。其中網(wǎng)壓中斷的檢測條件是網(wǎng)壓En經(jīng)過坐標(biāo)變化后得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d、q軸分量Ed和Eq，當(dāng)Ed和Eq的值同時(shí)小于某個(gè)設(shè)定值X時(shí)，即發(fā)生了中斷；然后通過控制方法將網(wǎng)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(wǎng)壓En保持一致，保證了網(wǎng)側(cè)變流器能夠正常運(yùn)行不會(huì)引起故障。根據(jù)本發(fā)明中提出的動(dòng)車組網(wǎng)側(cè)變流器針對牽引網(wǎng)網(wǎng)壓中斷的檢測手段和控制策略，能夠快速檢測到牽引網(wǎng)的電壓中斷，并使網(wǎng)側(cè)變流器作出正確的控制響應(yīng)，保證了設(shè)備能夠正常安全運(yùn)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(dòng)車組網(wǎng)側(cè)變流器的網(wǎng)壓中斷檢測及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種網(wǎng)壓中斷的檢測和控制方法，尤其涉及一種適用鐵路上動(dòng)車組網(wǎng)側(cè)變流器針對牽引網(wǎng)網(wǎng)壓中斷的檢測及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]對于電氣化鐵路的牽引供電系統(tǒng)，列車主要是通過頂部的受電弓與接觸網(wǎng)的滑動(dòng)接觸來取電。接觸網(wǎng)不僅是列車牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分，同時(shí)也是一種較為薄弱的供電裝置，受電弓與接觸網(wǎng)的接觸狀態(tài)將直接影響列車的取電質(zhì)量，進(jìn)而影響列車的運(yùn)行狀態(tài)。
[0003]低速運(yùn)行的電力機(jī)車，由于受電弓與接觸網(wǎng)的接觸比較平穩(wěn)，一般列車能夠獲得穩(wěn)定的電流。但對于高速運(yùn)行的動(dòng)車組來說，過高的速度引起受電弓震動(dòng)加劇，不可避免的就會(huì)發(fā)生弓網(wǎng)分離的現(xiàn)象。弓網(wǎng)分離時(shí)，弓網(wǎng)之間的高壓會(huì)擊穿空氣間隙，產(chǎn)生電弧，隨著空氣間隙增大，當(dāng)擊穿電壓大于供電電壓時(shí)，電弧熄滅，受電弓與接觸網(wǎng)之間呈高阻狀態(tài)，造成供電中斷。如果網(wǎng)側(cè)變流器無法檢測到供電中斷，或者在控制上不進(jìn)行任何處理，當(dāng)恢復(fù)供電后，很可能會(huì)引起網(wǎng)側(cè)變流器交流側(cè)過流，引起誤保護(hù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供一種適用鐵路上動(dòng)車組網(wǎng)側(cè)變流器針對牽引網(wǎng)網(wǎng)壓中斷的檢測方法，并制定相應(yīng)的網(wǎng)側(cè)變流器控制策略，使其能夠快速檢測牽引網(wǎng)電壓中斷，作出正確的動(dòng)作，保證設(shè)備能夠正常運(yùn)行。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0006]—種動(dòng)車組網(wǎng)側(cè)變流器的網(wǎng)壓中斷檢測及控制方法，包括如下步驟:
[0007]S1、將網(wǎng)壓EnS過移相90°后得到虛擬電SEm，網(wǎng)壓En和虛擬電壓Em經(jīng)過鎖相環(huán)和dq坐標(biāo)變換得到網(wǎng)壓同步相角Θ及同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的dq軸分量Ed和Eq;
[0008]S2、將dq軸分量Ed和Eq的標(biāo)幺值分別設(shè)為I和O;
[0009]S3、當(dāng)dq軸分量Ed和Eq的值同時(shí)小于某個(gè)設(shè)定值X時(shí)，網(wǎng)壓同步相角Θ也發(fā)生了變化，即發(fā)生了網(wǎng)壓中斷；
[0010]S4、當(dāng)檢測到網(wǎng)壓中斷后，屏蔽閉環(huán)控制；
[0011]S5、將網(wǎng)壓中斷期間生成的橋臂電壓Us*經(jīng)過dq坐標(biāo)變換后得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d、q軸分量Ud和Uq;
[0012]對分量Ud和Uq的值進(jìn)行強(qiáng)制賦值:Ud= Ed，Uq = Eq，使網(wǎng)壓中斷期間內(nèi)生成的橋臂電壓U/與斷電前的網(wǎng)壓En重合；
[0013]S6、網(wǎng)壓恢復(fù)后，開啟閉環(huán)控制，經(jīng)直流電壓環(huán)和交流電流環(huán)重新計(jì)算得到正常的橋臂電壓仏和網(wǎng)壓同步相角Θ，即可自動(dòng)調(diào)節(jié)恢復(fù)正常。
[0014]在上述方案的基礎(chǔ)上，某個(gè)設(shè)定值X遠(yuǎn)小于網(wǎng)壓正常波動(dòng)時(shí)可能達(dá)到的最低電壓
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[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的有益效果:
[0016]根據(jù)本發(fā)明中提出的動(dòng)車組網(wǎng)側(cè)變流器針對牽引網(wǎng)網(wǎng)壓中斷的檢測手段和控制策略，能夠快速檢測到牽引網(wǎng)的電壓中斷，并使變流器作出正確的控制響應(yīng)，保證了設(shè)備能夠正常安全運(yùn)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(dòng)車組網(wǎng)側(cè)變流器主電路示意圖；
[0018]圖2PffM整流器對應(yīng)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(huán)的控制框圖；
[0021 ]圖5—種網(wǎng)壓中斷時(shí)網(wǎng)側(cè)變流器主電路工作原理示意圖；
[0022]圖6網(wǎng)壓中斷期間電壓矢量變化示意圖；
[0023]圖7采用網(wǎng)壓中斷控制策略后矢量三角形恢復(fù)建立的過程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
[0025]圖1為本發(fā)明提供的一種動(dòng)車組網(wǎng)側(cè)變流器主電路示意圖。網(wǎng)側(cè)變流器包括兩個(gè)并聯(lián)的單相PWM整流器，PWM整流器的交流側(cè)分別與牽引變壓器的兩個(gè)副邊繞組直接連接，直流側(cè)并聯(lián)。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(wǎng)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(qū)動(dòng)、保護(hù)和電流測量等功能于一體，能簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高設(shè)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(qiáng)，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(cè)存在的二次頻率直流脈動(dòng)，穩(wěn)定輸出電壓。
[0026]兩重化主電路結(jié)構(gòu)采用移相脈寬調(diào)制技術(shù)，兩個(gè)并聯(lián)的HVM整流器的等效開關(guān)頻率是單個(gè)PWM整流器開關(guān)頻率的2倍，大大減小了整個(gè)PffM整流器的電流諧波。列車牽引時(shí)，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(wěn)定的中間直流電壓；當(dāng)列車制動(dòng)時(shí)，列車的制動(dòng)能量經(jīng)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(wǎng)。
[0027]下面具體說明動(dòng)車組網(wǎng)側(cè)變流器的控制原理及過程:
[0028]上述提供的網(wǎng)側(cè)變流器，可以采用控制單元對PffM整流器進(jìn)行控制。具體地，圖2為本發(fā)明提供的PWM整流器對應(yīng)的控制單元框圖。如圖2所示，直流側(cè)電壓Vd。經(jīng)過閉環(huán)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(wǎng)壓Er^過移相90°后得到虛擬電壓Em，網(wǎng)壓En和虛擬電壓Em經(jīng)過鎖相環(huán)和dq坐標(biāo)變換得到網(wǎng)壓同步相角Θ及旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下網(wǎng)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(shí)90°后得到的虛擬正交電流Ib共同輸入交流電流環(huán)(Ι_100ρ)，經(jīng)過運(yùn)算輸出控制PWM整流器的開關(guān)脈沖gl?g8。
[0029]圖3為本發(fā)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(huán)和交流電流環(huán)。直流電壓環(huán)的輸入包括直流電壓的指令值Vdc；*、PffM整流器輸出的直流側(cè)電壓Vd。，直流電壓環(huán)的輸出為PffM整流器的有功電流指令值I d*;交流電流環(huán)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(wǎng)壓同步相角Θ、PWM整流器交流電流13以及延時(shí)90°后得到的虛擬正交電流Ib，交流電流環(huán)的輸出為控制PffM整流器的開關(guān)脈沖
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[0030]圖4為本發(fā)明提供的交流電流環(huán)控制框圖。如圖4所示，網(wǎng)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(jīng)過前饋解耦運(yùn)算，可以得到P麗整流器的指令輸出電壓，進(jìn)而通過SP麗脈寬調(diào)制得到控$爐麗整流器的開關(guān)脈沖gl?g8。
[0031]下面具體說明動(dòng)車組網(wǎng)側(cè)變流器檢測網(wǎng)壓中斷的控制原理及過程:
[0032]圖5為本發(fā)明提供的一種網(wǎng)壓中斷時(shí)網(wǎng)側(cè)變流器主電路工作原理示意圖。這里需要指出的是，網(wǎng)壓中斷后，原邊電壓并不是想當(dāng)然的認(rèn)為立即變成了 O。這是由于供電中斷點(diǎn)發(fā)生在牽引變壓器原邊之前，當(dāng)出現(xiàn)供電中斷時(shí)，由于網(wǎng)側(cè)變流器仍在工作，根據(jù)牽引變壓器的等效模型，此時(shí)橋臂電壓Us成為了電源端，經(jīng)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(rèn)為供電中斷后，牽引變壓器原邊的實(shí)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(huán)節(jié)，能很好的還原Us。
[0033]而對于中斷時(shí)交流電流的變化，可從如下角度來考慮，網(wǎng)壓中斷瞬間，相當(dāng)于原邊空載，負(fù)載側(cè)作為電源，因此此時(shí)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(wǎng)壓中斷期間電壓矢量變化示意圖。網(wǎng)壓中斷期間，沒有了交流電源提供能量，直流側(cè)電壓會(huì)不斷下降，由于橋臂電壓Us與直流電壓成比例關(guān)系，因此橋臂電壓Us也在不斷下降。同時(shí)，網(wǎng)壓中斷期間鎖相環(huán)無法再跟蹤網(wǎng)壓相位，使得Us的相位在掉電期間會(huì)不斷偏離。Us的幅值和相位的改變導(dǎo)致重新上電瞬間，Us與En之間會(huì)有一個(gè)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(tǒng)保護(hù)乃至停機(jī)。
[0035]正常情況下，Ed、Eq分別為網(wǎng)壓信號EnS過坐標(biāo)變換在dq坐標(biāo)系下的d、q軸分量，標(biāo)幺值分別為I和O。網(wǎng)壓中斷瞬間，Ed的值會(huì)立即減小，Eq也不再為0，會(huì)發(fā)生劇烈變動(dòng)。從圖6可以分析得到，網(wǎng)壓信號En掉電瞬間的一段時(shí)間內(nèi)，假設(shè)直流電壓沒有下降，鎖相環(huán)的相位也沒有發(fā)生變化，由于檢測的網(wǎng)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(huì)立刻發(fā)生變化。因此可利用Ed、Eq的突變作為判斷網(wǎng)壓中斷的依據(jù)。
[0036]由上，可以設(shè)定網(wǎng)壓中斷檢測條件如下:當(dāng)檢測到Ed和Eq同時(shí)小于某個(gè)設(shè)定值時(shí)，即認(rèn)為發(fā)生了網(wǎng)壓中斷。這個(gè)設(shè)定值可以設(shè)的遠(yuǎn)小于網(wǎng)壓正常波動(dòng)時(shí)可能達(dá)到的最低電壓，因?yàn)榫W(wǎng)壓中斷時(shí)Ed的變化速度非常快，可以瞬間越過正常網(wǎng)壓波動(dòng)范圍。且正常網(wǎng)壓波動(dòng)時(shí)Eq的值不會(huì)發(fā)生變化，幾乎一直維持在O附近，只有當(dāng)網(wǎng)壓中斷時(shí)Eq的值才會(huì)發(fā)生劇烈變化。
[0037]圖7為采用網(wǎng)壓中斷控制策略后矢量三角形恢復(fù)建立的過程示意圖。交流過流是由于網(wǎng)壓中斷期間Us的幅值和相位的不可控導(dǎo)致一個(gè)很大的電壓差加在交流電感L上，進(jìn)而引起過流。以此作為出發(fā)點(diǎn)，如果能夠保證在網(wǎng)壓中斷期間，控制合成的U/的幅值和相位與掉電前的網(wǎng)SEn相同，那么再次上電時(shí)，重合，此時(shí)矢量三角形將從d軸開始經(jīng)過閉環(huán)調(diào)制慢慢恢復(fù)建立起來，不會(huì)在電感上產(chǎn)生任何的壓降導(dǎo)致沖擊電流。
[0038]具體地，當(dāng)檢測到網(wǎng)壓中斷以后，屏蔽閉環(huán)工作，對網(wǎng)壓中斷期間生成的橋臂電壓Us*在d、q軸上的分量Ud、Uq進(jìn)行強(qiáng)制賦值:Ud = Ed，Uq = Eq,使斷電時(shí)間內(nèi)生成的Us*與斷電前的網(wǎng)壓En重合。網(wǎng)壓恢復(fù)后，再開啟正常的閉環(huán)控制，經(jīng)電壓環(huán)和電流環(huán)計(jì)算得到正常的橋臂電壓Us，即可自動(dòng)調(diào)節(jié)恢復(fù)正常。
[0039]最后應(yīng)說明的是:以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制;盡管參照前述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:其依然可以對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍。
[0040]本說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種動(dòng)車組網(wǎng)側(cè)變流器的網(wǎng)壓中斷檢測及控制方法，其特征在于，包括如下步驟: 51、將網(wǎng)壓En經(jīng)過移相90°后得到虛擬電壓Em，網(wǎng)壓En和虛擬電壓Em經(jīng)過鎖相環(huán)和dq坐標(biāo)變換得到網(wǎng)壓同步相角Θ及同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的dq軸分量Ed和Eq; 52、將dq軸分量Ed和Eq的標(biāo)幺值分別設(shè)為I和O; 53、當(dāng)dq軸分量Ed和Eq的值同時(shí)小于某個(gè)設(shè)定值X時(shí)，網(wǎng)壓同步相角Θ也發(fā)生了變化，SP發(fā)生了網(wǎng)壓中斷； 54、當(dāng)檢測到網(wǎng)壓中斷后，屏蔽閉環(huán)控制； 55、將網(wǎng)壓中斷期間生成的橋臂電壓Us*經(jīng)過dq坐標(biāo)變換后得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d、q軸分量Ud和Uq; 對分量Ud和Uq的值進(jìn)行強(qiáng)制賦值:Ud = Ed，Uq = Eq,使網(wǎng)壓中斷期間內(nèi)生成的橋臂電壓Us*與斷電前的網(wǎng)壓En重合； 56、網(wǎng)壓恢復(fù)后，開啟閉環(huán)控制，經(jīng)直流電壓環(huán)和交流電流環(huán)重新計(jì)算得到正常的橋臂電壓Us和網(wǎng)壓同步相角Θ，即可自動(dòng)調(diào)節(jié)恢復(fù)正常。2.如權(quán)利要求1所述的動(dòng)車組網(wǎng)側(cè)變流器的網(wǎng)壓中斷檢測及控制方法，其特征在于，所述某個(gè)設(shè)定值X遠(yuǎn)小于網(wǎng)壓正常波動(dòng)時(shí)可能達(dá)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(fā)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(xué), 北京千駟馭電氣有限公司