專利名稱：電氣化鐵路列車牽引整流系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電氣化鐵路列車牽引系統(tǒng)，特別涉及一種單相整流單元調(diào)制方法。
背景技術(shù)：
電氣化鐵路供電由沿線牽引變電站分段提供，線路長(zhǎng)、容量大、負(fù)荷波動(dòng)嚴(yán)重。為了減少高壓、大電流開關(guān)器件的工作損耗，提高開關(guān)器件的電流利用率和功率發(fā)揮水平，列車采用的大功率牽引整流系統(tǒng)是一種單相整流系統(tǒng)。此整流系統(tǒng)必須采用較低的開關(guān)頻率，在數(shù)兆瓦級(jí)的變流器系統(tǒng)中，開關(guān)頻率通常小于幾百赫茲，供電工作頻率為50赫茲，低載頻比將使波形諧波含量增加，增加了供電網(wǎng)絡(luò)振蕩的可能性，嚴(yán)重時(shí)影響安全運(yùn)行。優(yōu)化的PWM調(diào)制方法，不同于傳統(tǒng)的比較器產(chǎn)生的正弦PWM (SPWM SinusoidalPulse Width Modulation)調(diào)制方式,根據(jù)電壓相位與幅值固定產(chǎn)生開關(guān)角的調(diào)制方式， 也稱為可編程的PWM調(diào)制方法(Progra_edPWM)。可以分為兩類，定諧波消除脈寬調(diào)制(SHEPWM Selective Harmonic Elemination Pulse Width Modulation)與優(yōu)化 PWM (0PWMoptimized Pulse Width Modulation)。SHEPWM 方法最早由 Hasmukh S. Patel 與 RichardG. Hoft提出(Generalized Techniques of Harmonic Elimination and Voltage Controlin Thyristor Inverters (1973))原理為通過(guò)設(shè)定PWM波形開關(guān)角的方法，消除特定次電壓諧波。該方法首先對(duì)PWM電壓波形進(jìn)傅立葉分解，得到基波與各次電壓諧波分量的表達(dá)式，然后令基波分量等于需要的電壓基波值，令諧波分量為零即可消除某次諧波，從而得到一組方程組，求出這個(gè)非線性方程組的多組解后，將開關(guān)角按照從小到大順序排列，并按照線電壓極性準(zhǔn)則等進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化選取，得到SHEPWM開關(guān)角，調(diào)制時(shí)根據(jù)所需要的電壓基值，在線調(diào)用這些事先計(jì)算的開關(guān)角生成電壓波形輸出。SHEP麗方法能夠消除輸出電壓中的較低次電壓諧波，但是會(huì)導(dǎo)致較高次諧波含量的增加(D. G. Holmes, T. A. Lipo. PulseWidth Modulation for Power Converters IEEE press2003),而電氣系統(tǒng)高次諧波易于引起鐵路供電網(wǎng)振蕩(交直交電力牽引諧波的影響與改進(jìn)電氣化鐵道2010. 3 ;基于小波變換的電氣化鐵道牽引負(fù)荷諧波分析鐵道學(xué)報(bào)2011. 6)。這些已有文獻(xiàn)或?qū)＠械姆椒ǘ际轻槍?duì)三相交流系統(tǒng)，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)的逆變側(cè)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)制，未能有效減少單相整流單元網(wǎng)側(cè)諧波含量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有的電氣化鐵路列車牽引整流系統(tǒng)低開關(guān)頻率工作方式下諧波含量較高的問(wèn)題，提出一種采用基于雙閉環(huán)的PWM整流控制方法。本發(fā)明PWM調(diào)制方法通過(guò)優(yōu)化的開關(guān)角產(chǎn)生環(huán)節(jié)與前饋補(bǔ)償控制，實(shí)現(xiàn)高性能的單相整流控制，在低開關(guān)頻率下，降低系統(tǒng)的總體諧波含量，減少對(duì)網(wǎng)供電網(wǎng)絡(luò)的影響與干擾。本發(fā)明優(yōu)化PWM調(diào)制策略適用于解決降低電氣鐵路列車牽引動(dòng)力系統(tǒng)整流單元的諧波含量。采用優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的PWM開關(guān)角計(jì)算方法，按照總諧波電流最小的優(yōu)化準(zhǔn)則計(jì)算PWM開關(guān)角，通過(guò)尋優(yōu)獲得滿意的輸出電壓、電流波形，降低電壓、電流的總諧波含量(THD)含量。本發(fā)明能夠降低總體諧波電流含量與諧波功率，從而降低電氣化鐵路列車牽引整流系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)電流諧波含量。本發(fā)明技術(shù)方案主要包括優(yōu)化開關(guān)角的離線計(jì)算以及雙閉環(huán)PWM整流算法的實(shí)時(shí)控制實(shí)現(xiàn)兩部分所述的優(yōu)化開關(guān)角的離線計(jì)算方法是每周波產(chǎn)生固定的開關(guān)個(gè)數(shù)，在不同電壓調(diào)制比下，改變開關(guān)角的數(shù)值，計(jì)算網(wǎng)側(cè)電流的各次諧波之和；當(dāng)網(wǎng)側(cè)電流諧波和最低時(shí)得到的開關(guān)角為求取的最優(yōu)開關(guān)角；
·
所述的雙閉環(huán)PWM整流算法的實(shí)時(shí)控制方法是根據(jù)給定電壓的相位與幅值，得到整流單元功率器件的最優(yōu)開關(guān)角的數(shù)值，由單相大功率整流系統(tǒng)的控制器輸出驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的開關(guān)器件動(dòng)作，進(jìn)行在線實(shí)時(shí)控制。其特征可具體分為以下六方面I、在開關(guān)角的離線計(jì)算中，本發(fā)明采用針對(duì)單相大功率整流系統(tǒng)功率器件開關(guān)角的多維尋優(yōu)算法。每周波產(chǎn)生固定的開關(guān)個(gè)數(shù)，在不同電壓調(diào)制比下，改變開關(guān)角的數(shù)值，計(jì)算網(wǎng)側(cè)電流的各次諧波之和。當(dāng)網(wǎng)側(cè)電流諧波和最低時(shí)得到的開關(guān)角就是求取的最優(yōu)開關(guān)角。這一尋優(yōu)過(guò)程實(shí)際上是條件約束下的非線性全局尋優(yōu)問(wèn)題，通常采用迭代法、爬山法、單純形法等方法計(jì)算。2、在多維尋優(yōu)計(jì)算中，需要通過(guò)合理選取起始值，避免算法無(wú)法收斂以及陷入局部最優(yōu)的情況。本發(fā)明采用新的方法確定初始值，比如按照一定間隔確立不同開關(guān)角起始值、隨即確立起始值或者根據(jù)上次尋優(yōu)結(jié)果作為此次尋優(yōu)起始值的方法。在保證尋優(yōu)效率的同時(shí)，提高算法收斂性。能夠計(jì)算得到全調(diào)制范圍的優(yōu)化開關(guān)角。3、本發(fā)明針對(duì)兩電平功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用多個(gè)整流單元共同提供直流母線電壓。本發(fā)明在單整流單元的優(yōu)化計(jì)算方法基礎(chǔ)上，針對(duì)多整流單元工作方式，提出了優(yōu)化開關(guān)角的新的計(jì)算方法，該方法以兩整流單元合成的網(wǎng)側(cè)總電流諧波最小為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)各整流單元的功率器件開關(guān)角進(jìn)行聯(lián)合尋優(yōu)，離線計(jì)算各整流單元的優(yōu)化開關(guān)角。在PWM整流算法的實(shí)時(shí)控制實(shí)現(xiàn)時(shí)，單相大功率整流系統(tǒng)將所述離線尋優(yōu)計(jì)算得到的優(yōu)化開關(guān)角的數(shù)值存儲(chǔ)在其控制器中。本發(fā)明PWM整流算法的實(shí)時(shí)控制包括傳統(tǒng)的對(duì)直流母線電壓的電壓外環(huán)控制和整流單元的電流內(nèi)環(huán)控制，即外環(huán)按照給定值控制直流母線電壓，內(nèi)環(huán)根據(jù)外環(huán)輸出確定給定電流，進(jìn)行閉環(huán)控制。本發(fā)明方法與功率前饋環(huán)節(jié)補(bǔ)償、電壓前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)共同構(gòu)成整個(gè)雙閉環(huán)整流控制方法。本發(fā)明的特征在于脈沖發(fā)生環(huán)節(jié)中，包含開關(guān)角修正與死區(qū)補(bǔ)償，進(jìn)一步提高控制性能。PWM整流算法的實(shí)時(shí)控制實(shí)現(xiàn)包括以下內(nèi)容I、功率前饋補(bǔ)償是本發(fā)明對(duì)單相大功率整流系統(tǒng)整流輸出功率的前饋補(bǔ)償；電壓前饋補(bǔ)償是根據(jù)單相大功率整流系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)計(jì)算，與電流跟蹤控制環(huán)節(jié)聯(lián)合控制，提高電流環(huán)的控制能力與動(dòng)態(tài)特性，克服高速列車大慣量電氣牽引系統(tǒng)輸出功率波動(dòng)的影響，提高高速列車電氣牽引系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。2、經(jīng)過(guò)上述功率前饋與閉環(huán)控制環(huán)節(jié)得到電壓幅度與相位，進(jìn)入脈沖發(fā)生環(huán)節(jié)。不同于傳統(tǒng)的正弦或者空間矢量調(diào)制策略的是，本發(fā)明在脈沖發(fā)生環(huán)節(jié)中根據(jù)所述的優(yōu)化開關(guān)角離線計(jì)算的結(jié)果，輸出對(duì)相應(yīng)功率器件的觸發(fā)脈沖，驅(qū)動(dòng)整流系統(tǒng)的整流器工作。3、在上述脈沖發(fā)生環(huán)節(jié)的觸發(fā)脈沖產(chǎn)生時(shí)，本發(fā)明進(jìn)一步對(duì)功率器件死區(qū)特性進(jìn)行補(bǔ)償，引入脈寬補(bǔ)償環(huán)節(jié)，對(duì)開關(guān)角進(jìn)行修正，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的輸出特性。本發(fā)明采用多維尋優(yōu)算法，以網(wǎng)側(cè)電流諧波含量最小為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)牽引系統(tǒng)單相整流供電單元的半導(dǎo)體功率器件開關(guān)角進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，在低開關(guān)頻率下，采用優(yōu)化計(jì)算得到的角度對(duì)各整流單元功率器件進(jìn)行編程型調(diào)制觸發(fā)。通過(guò)改進(jìn)觸發(fā)脈沖發(fā)生環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。本發(fā)明采用前饋預(yù)測(cè)控制方法，克服系統(tǒng)功率波動(dòng)的影響，提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。本發(fā)明可以使電氣化鐵路列車牽引系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)輸入電流的總諧波電流含量最小，降低網(wǎng)側(cè)輸入電壓畸變，改善接觸網(wǎng)供電環(huán)境，減小損耗，降低接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)由于諧波激勵(lì)造成電網(wǎng)振蕩與環(huán)流的風(fēng)險(xiǎn)。本發(fā)明還適用于其它類型功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)力單元中。


圖I電氣牽引整流系統(tǒng)及控制流程；圖2第一整流單元I的PWM波形圖；
圖3第二整流單元2的PWM波形圖；圖4優(yōu)化角計(jì)算結(jié)果；圖5整流電路模型；圖6整流單元結(jié)構(gòu)圖；圖7開關(guān)模式示意圖；圖8死區(qū)補(bǔ)償模式I示意圖；圖9死區(qū)補(bǔ)償模式2示意圖；圖10死區(qū)補(bǔ)償模式3示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
進(jìn)一步具體說(shuō)明本發(fā)明。本發(fā)明整流系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)制方法包括以下步驟 I、計(jì)算單整流單元優(yōu)化PWM開關(guān)角
單整流單元優(yōu)化PWM開關(guān)角的離線計(jì)算方法如下當(dāng)PWM波形分別以每半周波以及四分之一周波保持對(duì)稱時(shí)，即波形以π /2為對(duì)稱點(diǎn)偶對(duì)稱，以H為對(duì)稱點(diǎn)奇對(duì)稱時(shí)，諧波含量最小。這樣，只需求出(Γπ/2優(yōu)化開關(guān)角，進(jìn)行傅立葉系數(shù)計(jì)算時(shí)，只需要對(duì)四分之一周期進(jìn)行計(jì)算即可。本發(fā)明采用7脈波單極性調(diào)制的方法，即每四分之一周波內(nèi)，開關(guān)動(dòng)作7次。單整流單元的調(diào)制波形如圖2所示。圖2中，a i、α 2、α 3、α 4、α 5、α 6、α 7為開關(guān)動(dòng)作時(shí)刻，稱為開關(guān)角，Ud為直流母線電壓,假定各開關(guān)角按大小順序排列，計(jì)算不同開關(guān)角的傅立葉系數(shù)，得到各次電壓諧波含量。各次電壓諧波系數(shù)bn的計(jì)算公式如下，η為諧波次數(shù)
4Ubn = —iL(cosna] — cos/7iX、-f cos/ζα, — cos服，-f cos- cos服( + cos/狀) (I)
ηπ^'圖5為整流系統(tǒng)的簡(jiǎn)化電路模型，圖中，Usk為折算到變壓器二次側(cè)的電壓分量，
I。為變壓器漏感，R為繞組內(nèi)阻，Ua即為整流側(cè)輸入電壓，可見該回路為串聯(lián)拓?fù)?。在得到電壓諧波系數(shù)后，根據(jù)圖5所示電路模型，可得到η次諧波電流in的加權(quán)表達(dá)式為；
權(quán)利要求
1.一種電氣化鐵路列車牽引整流系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)制方法，其特征在于，所述的優(yōu)化調(diào)制方法包括優(yōu)化開關(guān)角的離線計(jì)算以及雙閉環(huán)PWM整流算法的實(shí)時(shí)控制； 所述的優(yōu)化開關(guān)角的離線計(jì)算方法是每周波產(chǎn)生固定的開關(guān)個(gè)數(shù)，在不同電壓調(diào)制比下，改變開關(guān)角的數(shù)值，計(jì)算網(wǎng)側(cè)電流的各次諧波之和；當(dāng)網(wǎng)側(cè)電流諧波和最低時(shí)得到的開關(guān)角為求取的最優(yōu)開關(guān)角； 所述的雙閉環(huán)PWM整流算法的實(shí)時(shí)控制方法是根據(jù)給定電壓的相位與幅值，得到整流單元功率器件的最優(yōu)開關(guān)角的數(shù)值，由單相整流系統(tǒng)的控制器輸出驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的開關(guān)器件動(dòng)作，進(jìn)行在線實(shí)時(shí)控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電氣化鐵路列車牽引整流系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)制方法，其特征在于，所述的優(yōu)化開關(guān)角的離線計(jì)算步驟為首先確立開關(guān)角的起始值，設(shè)立優(yōu)化準(zhǔn)則進(jìn)行開關(guān)角的多維尋優(yōu)計(jì)算，當(dāng)計(jì)算的網(wǎng)側(cè)電流諧波含量之和最小時(shí)，即確立優(yōu)化的開關(guān)角。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電氣化鐵路列車牽引整流系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)制方法，其特征在于，所述的確定開關(guān)角的起始值的方法為 1)采取按照一定間隔劃分網(wǎng)格的方法確定最初一組開關(guān)角的起始值，然后根據(jù)優(yōu)化函數(shù)值確定全局最優(yōu)值； 2)第一組開關(guān)角確定，將上一次尋優(yōu)結(jié)果，作為下一次尋優(yōu)的起始值，按照所述的方法I)然后逐次進(jìn)行有約束多維尋優(yōu)，得到全部?jī)?yōu)化角度； > 3)當(dāng)開關(guān)角較多時(shí)，采取隨機(jī)產(chǎn)生起始角度的方法進(jìn)行多次尋優(yōu)，然后再對(duì)各次尋優(yōu)結(jié)果比較，得到全局最優(yōu)的結(jié)果。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電氣化鐵路列車牽引整流系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)制方法，其特征在于，所述的優(yōu)化開關(guān)角的計(jì)算以兩整流單元合成的網(wǎng)側(cè)總電流諧波最小為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)整流單元的功率器件開關(guān)角進(jìn)行聯(lián)合尋優(yōu)，步驟如下 I)采用7脈波單極性調(diào)制的方法，即每四分之一周波內(nèi)，開關(guān)動(dòng)作7次；假定各開關(guān)角按大小順序排列，計(jì)算不同開關(guān)角的傅立葉系數(shù)，得到各次電壓諧波含量 bn :為η次諧波系數(shù) 4U bn =——-(cos Tial — cos na2 + cos na^ — cos na4 + cos na5 — cos na6 + cos ηα ) (I) ηπ一' n為諧波次數(shù)，η次諧波電流in的加權(quán)表達(dá)式為 Ubin = ^ (2) WCa nx Un為根據(jù)公式(I)計(jì)算得到的電壓諧波分量值，X。為整流變壓器漏感抗系數(shù)；因此，總諧波電流有效值Idn為 n Jn J N為根據(jù)需要設(shè)定的計(jì)算諧波次數(shù)上限，X0通常為常數(shù)； 建立以諧波電流為變量的加權(quán)優(yōu)化參數(shù)WTHD如下式
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電氣化鐵路列車牽引整流系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)制方法，其特征在于，所述的雙閉環(huán)PWM整流算法的實(shí)時(shí)控制方法包括外環(huán)按照給定值控制直流母線電壓，對(duì)直流母線電壓進(jìn)行外環(huán)控制，內(nèi)環(huán)根據(jù)外環(huán)輸出確定給定電流，對(duì)整流單元的電流內(nèi)環(huán)進(jìn)行閉環(huán)控制；并包括功率前饋環(huán)節(jié)補(bǔ)償、電壓前饋環(huán)節(jié)補(bǔ)償；在脈沖發(fā)生環(huán)節(jié)中，通過(guò)對(duì)功率器件死區(qū)引起波形畸變進(jìn)行補(bǔ)償，在送入脈沖發(fā)生單元時(shí)，引入脈寬補(bǔ)償環(huán)節(jié)，并根據(jù)閉環(huán)控制環(huán)節(jié)得到電壓幅度與相位，通過(guò)在線查尋開關(guān)角，由單相整流系統(tǒng)的控制器輸出相應(yīng)功率器件的觸發(fā)脈沖，驅(qū)動(dòng)整流器工作，調(diào)整補(bǔ)償消除數(shù)字控制延遲影響。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電氣化鐵路列車牽引整流系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)制方法，其特征在于所述的對(duì)開關(guān)角進(jìn)行死區(qū)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄈ缦赂鶕?jù)開關(guān)觸發(fā)的時(shí)刻與方式，結(jié)合電流流向以及開關(guān)管狀態(tài)，對(duì)開關(guān)管進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)死區(qū)效應(yīng)的補(bǔ)償。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電氣化鐵路列車牽引整流系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)制方法，其特征在于所述的調(diào)制過(guò)程如下根據(jù)所給定的整流單元輸出直流母線電壓值CC，與實(shí)際測(cè)量得到的直流母線電壓值Ud。相減作差，送入恒電壓控制環(huán)節(jié)，之后與輸出功率P除以電壓有效值的前饋補(bǔ)償量求和得到電流幅值ism :同時(shí)測(cè)量網(wǎng)側(cè)輸入交流電壓Us，經(jīng)過(guò)鎖相環(huán)(PLL)得到電壓相位以及電壓給定量，與電流幅值相乘，除以2得到整流單元(I)的電流控制環(huán)節(jié)給定值與實(shí)際測(cè)量得到的整流單元輸入電流值isl相減作差，送入電流跟蹤控制環(huán)節(jié)，并進(jìn)行電壓補(bǔ)償；與網(wǎng)側(cè)電壓值Us按照比例相減計(jì)算后，得到整流給定電壓ε ，送入脈沖發(fā)生單 元，查詢根據(jù)離線計(jì)算得到的優(yōu)化開關(guān)角，同時(shí)結(jié)合動(dòng)態(tài)響應(yīng)需求，進(jìn)行脈寬補(bǔ)償，最終合成得到功率器件的開關(guān)角，經(jīng)觸發(fā)脈沖環(huán)節(jié)，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖1，驅(qū)動(dòng)整流單元(I)工作。
全文摘要
一種電氣化鐵路列車牽引整流系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)制方法，包括優(yōu)化開關(guān)角的離線計(jì)算以及雙閉環(huán)PWM整流算法的實(shí)時(shí)控制。優(yōu)化開關(guān)角的離線計(jì)算方法是每周波產(chǎn)生固定的開關(guān)個(gè)數(shù)，在不同電壓調(diào)制比下，改變開關(guān)角的數(shù)值，計(jì)算網(wǎng)側(cè)電流的各次諧波之和；當(dāng)網(wǎng)側(cè)電流諧波和最低時(shí)得到的開關(guān)角為求取的最優(yōu)開關(guān)角。雙閉環(huán)PWM整流算法的實(shí)時(shí)控制方法是根據(jù)給定電壓的相位與幅值，得到整流單元功率器件的最優(yōu)開關(guān)角的數(shù)值，由單相大功率整流系統(tǒng)的控制器輸出驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的開關(guān)器件動(dòng)作，進(jìn)行在線實(shí)時(shí)控制。
文檔編號(hào)H02J3/01GK102739083SQ20121023259
公開日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2012年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月5日
發(fā)明者任晉旗, 李耀華, 葛瓊璇, 趙魯 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所