一种单相变流器的直流电压闭环控制方法及系统与流程

本发明涉及电力电子与电力传动领域，特别涉及一种单相变流器的直流电压闭环控制方法及系统。

背景技术：

单相变流器的应用较广泛，例如具体用于列车供电。列车供电牵引变流器网侧部分(又称四象限变流器)主要实现将铁路供电接触网电能通过受电弓引入车内，为列车提供电能。

四象限变流器将经过主变压器降压后的单相交流输入电压转换为直流电压供给中间直流回路。对于单相交流系统，四象限变流器输入功率的二次脉动会造成直流侧电压产生二次脉动。

为消除直流电压二次脉动的影响，工程上一般通过在采样电路增加硬件rc低通滤波环节、控制系统中添加数字陷波器或低通滤波器等方法滤除二次脉动分量。但是，rc滤波环节使采样电路复杂化，且滤波效果受元件一致性、温漂等影响较大；数字陷波器通常陷波频率单一，不能滤除二次脉动以外的谐波；数字二阶低通滤波器则由于频带较窄，易造成动态滞后降低系统稳定性。综上所述，如何有效地消除单相交流器系统直流侧二次脉动的不利影响且保证系统控制稳定性是本领域亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种单相变流器的直流电压闭环控制方法及系统，目的在于解决现有技术不能有效地消除单相交流器系统直流侧二次脉动的不利影响的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种单相变流器的直流电压闭环控制方法，该方法包括：

采集经过作为单相变流器电压外环闭环系统反馈环节的滑动平均滤波器的单相变流器直流侧的电压反馈信号；

基于预建立的所述单相变流器电压外环闭环系统的传递模型，根据所述电压反馈信号和预设电压，对所述单相变流器电压外环闭环系统进行闭环控制；

其中，所述传递模型为包括所述滑动平均滤波器引入的一阶等效惯性反馈延时环节、pi控制器、电流内环闭环系统传递模型以及被控对象模型的传递模型；所述pi控制器的积分时间常数大于所述一阶等效惯性反馈延时环节的积分时间常数；所述传递模型的开环截止频率为基于电流内环响应速度远大于电压外环响应速度而设定的频率。

可选地，所述采集经过作为单相变流器电压外环闭环系统反馈环节的滑动平均滤波器的单相变流器直流侧的电压反馈信号包括：

获取所述滑动平均滤波器的预设滑窗时间；

根据所述预设滑窗时间，采集所述电压反馈信号；

其中，所述预设滑窗时间为0.01s或0.02s。

可选地，所述一阶等效惯性反馈延时环节为其中，tw为所述预设滑窗时间。

可选地，所述传递模型为其中，所述pi控制器为所述被控对象模型为udcref为所述预设电压，us为相电压幅值，cdc为直流侧总电容容量。

可选地，所述pi控制器的积分时间常数ti为将所述一阶等效惯性反馈延时环节的积分时间常数tf乘于预设数值计算得出的数值，所述预设数值的取值范围为[2，5]。

此外，本发明还提供了一种单相变流器的直流电压闭环控制系统，该系统包括：

电压反馈信号采集模块，用于采集经过作为单相变流器电压外环闭环系统反馈环节的滑动平均滤波器的单相变流器直流侧的电压反馈信号；

控制模块，用于基于预建立的所述单相变流器电压外环闭环系统的传递模型，根据所述电压反馈信号和预设电压，对所述单相变流器电压外环闭环系统进行闭环控制；

其中，所述传递模型为包括所述滑动平均滤波器引入的一阶等效惯性反馈延时环节、pi控制器、电流内环闭环系统传递模型以及被控对象模型的传递模型；所述pi控制器的积分时间常数大于所述一阶等效惯性反馈延时环节的积分时间常数；所述传递模型的开环截止频率为基于电流内环响应速度远大于电压外环响应速度而设定的频率。

可选地，所述电压反馈信号采集模块包括：

预设滑窗时间获取单元，用于获取所述滑动平均滤波器的预设滑窗时间；

采集单元，用于根据所述预设滑窗时间，采集所述电压反馈信号；

其中，所述预设滑窗时间为0.01s或0.02s。

可选地，所述一阶等效惯性反馈延时环节为其中，tw为所述预设滑窗时间。

可选地，所述传递模型为其中，所述pi控制器为所述被控对象模型为udcref为所述预设电压，us为相电压幅值，cdc为直流侧总电容容量。

可选地，所述pi控制器的积分时间常数ti为将所述一阶等效惯性反馈延时环节的积分时间常数tf乘于预设数值计算得出的数值，所述预设数值的取值范围为[2，5]。

本发明实施例所提供的单相变流器的直流电压闭环控制方法及系统，通过采集经过作为单相变流器电压外环闭环系统反馈环节的滑动平均滤波器的单相变流器直流侧的电压反馈信号；基于预建立的单相变流器电压外环闭环系统的传递模型，根据电压反馈信号和预设电压，对单相变流器电压外环闭环系统进行闭环控制；其中，上述传递模型为包括滑动平均滤波器引入的一阶等效惯性反馈延时环节、pi控制器、电流内环闭环系统传递模型以及被控对象模型的传递模型；pi控制器的积分时间常数大于一阶等效惯性反馈延时环节的积分时间常数；传递模型的开环截止频率为基于电流内环响应速度远大于电压外环响应速度而设定的频率。本申请通过引入滑动平均滤波器作为电压环反馈环节，有效分离电压信号的二次脉动分量和其它阶次纹波，避免二次脉动分量进入电压环，消除了二次脉动的不利影响；且通过设定pi控制器积分时间常数和电压环开环截止频率，避免引入滑动平均滤波器对系统稳定性的影响，提高电压闭环控制的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的单相变流器的直流电压闭环控制方法的一种具体实施方式的流程示意图；

图2为本发明实施例所提供的列车供电四象限变流器电压和电流双环控制系统框图；

图3为本发明实施例所提供的滑动平均滤波器、等效惯性环节及陷波器频率特性曲线图；

图4为本发明实施例所提供的列车四象限变流器电压控制外环闭环框图；

图5为本发明实施例所提供的单相列车供电变流器主电路拓扑图；

图6为本发明实施例所提供的直流侧电压有、无滤波网侧波形和谐波含量分布图；

图7为本发明实施例所提供的直流侧总电压波形图；

图8为本发明实施例所提供的单相变流器的直流电压闭环控制系统框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为本发明实施例所提供的单相变流器的直流电压闭环控制方法的一种具体实施方式的流程示意图，该方法包括以下步骤：

步骤101：采集经过作为单相变流器电压外环闭环系统反馈环节的滑动平均滤波器的单相变流器直流侧的电压反馈信号。

可以理解，上述单相变流器电压外环闭环系统可以具体为列车供电四象限闭环控制系统，该控制系统为包括电压外环和电流内环的双环控制系统，具体可以参见图2，图2为本发明实施例所提供的列车供电四象限变流器电压和电流双环控制系统框图。

如图2所示，该控制系统包括内外环，外环为电压环，其中，udc为反馈直流侧电压，udcref为跟踪电压参考值，电压环pi控制器的输出作为电流内环参考值幅值is^*，乘以锁相环pll得到电网电压同步信号sinθ，得到电流参考瞬时值is^*，同时反馈网侧电流经比例谐振pr控制器进行跟踪；电流内环的输出和前馈电网电压作为变流器电压调制指令，再通过适当的调制策略得到驱动脉冲控制四象限变流器按照期望目标正常运行。可以将两个电容电压的差值作为电压平衡单比例p调节器的输入，将该调节器的输出引入到电流控制环中，实现中点电压的平衡；maf(movingaveragefilter)为引入的滑动平均滤波器。

当然，上述单相变流器电压外环闭环系统不仅可以具体为图2所示的基于二极管钳位型三电平拓扑的单相列车牵引变流器，也可以具体为应用于基于其它拓扑的单相变流器系统，在此不作限定。

具体地，maf的时域模型可以具体为x(t)、y(t)分别为滑动平均滤波器的输入信号和输出信号，tw为滑动平均滤波器单个滑窗时间。

对上述maf时域模型进行拉普拉斯变化可以得出maf的s域模型，具体为依此得出maf的s域传递函数为而maf传递函数中存在延时环节导致难以直观分析系统频率特性，故可以利用pade近似方程进行等效，得出等效后的传递函数为其中，

滑动平均滤波器和二阶陷波器对二次脉动的滤波性能基本相同，而滑动平均滤波器和等效环节在低频段基本重合，故滑动平均滤波器对低频段信号的延时影响完全可以用惯性环节等效。

为验证滑动平均滤波器对低频段的延时影响可以等效与惯性环节，可以分别画出各自的频率特性曲线图。具体可以参见图3，图3为本发明实施例所提供的滑动平均滤波器、等效惯性环节及陷波器频率特性曲线图。

如图3所示，示出maf的频率特性曲线、hmaf的频率特性曲线及notch的频率特性曲线，分别对应滑动平均滤波器频率特性曲线、惯性环节频率特性曲线及二阶陷波器频率特性曲线。其中，滑动平均滤波器和二阶陷波器对二次脉动(100hz)的滤波性能基本相同，但二阶陷波器只在该频率处有陷波作用，而滑动平均滤波器在其它谐波频率处依然具有较强的滤波能力，而滑动平均滤波器和等效环节在低频段基本重合，故滑动平均滤波器对低频段信号的延时影响完全可以用惯性环节等效。

根据上述maf时域模型，可以得出maf的离散域模型，具体为其中，滑动平均滤波器的滑窗中包括n个采用点信息，即tw＝n×tsamp，tsamp为系统采样周期。

可以通过控制滑动平均滤波器的滑窗时间以滤除不同的分量。故作为一种具体实施方式，上述采集经过作为单相变流器电压外环闭环系统反馈环节的滑动平均滤波器的单相变流器直流侧的电压反馈信号的过程具体为：获取所述滑动平均滤波器的预设滑窗时间；根据所述预设滑窗时间，采集所述电压反馈信号；其中，所述预设滑窗时间为0.01s或0.02s。

直流侧的二次脉动分量的重复周期为工频周期的一半，故可以将滑动平均滤波器的滑窗时间设为工期周期的一半，即可滤除直流电压的二次脉动及其整数倍次纹波，即tw＝0.01s。

而当电网电压由于谐波或负载波动等因素，引起电网电压产生固定的其它阶次纹波时，可以通过将滑动平均滤波器滑窗时间设为工频周期，即tw＝0.02s，以消除各阶次谐波分量。

可以看出，通过设定不同的滑窗时间，滤除掉相应的分量，使得采集得到的直流侧电压反馈信号内没有二次脉动或其它阶次谐波分量，避免了二次脉动分量或其它阶次谐波分量产生的不利影响。

步骤102：基于预建立的所述单相变流器电压外环闭环系统的传递模型，根据所述电压反馈信号和预设电压，对所述单相变流器电压外环闭环系统进行闭环控制；

其中，所述传递模型为包括所述滑动平均滤波器引入的一阶等效惯性反馈延时环节、pi控制器、电流内环闭环系统传递模型以及被控对象模型的传递模型；所述pi控制器的积分时间常数大于所述一阶等效惯性反馈延时环节的积分时间常数；所述传递模型的开环截止频率为基于电流内环响应速度远大于电压外环响应速度而设定的频率。

基于图2中的列车供电四象限变流器电压和电流双环控制系统，可以得出图4中的列车四象限变流器电压控制外环闭环框图。

根据图4示出的系统框图，具体地，可以得出电压控制外环的闭环传递函数为其中，pi控制器为被控对象模型为udcref为预设电压，us为相电压幅值，cdc为直流侧总电容容量。

可以理解，为避免电压环干扰电流环，电流环响应时间远小于电压外环响应时间，故可以认为图4中的gs(s)等于1。进一步地，单相变流器直流侧电压外环的跟踪对象为直流分量，控制带宽不需要很高，可以将直流侧电压外环系统截止频率设定为二次脉动的1/4处，即可以将截止频率设定25hz左右。

基于上述传递函数，利用劳斯判据，计算上述电压控制外环控制稳定的充分必要条件，即特征方程2cdcudcreftitfs³+2cdcudcreftis²+kpkiuss+kpus＝0，特征方程中系数的2cdcudcreftikpkius-2cdcudcreftitfkpus＞0，继而可以计算出ti＞tf。

由上可知，只有当直流侧电压pi控制器积分时间常数ti大于滑动平均滤波器等效惯性环节时间常数tf时，系统稳定。

优选地，上述pi控制器的积分时间常数ti为将上述一阶等效惯性反馈延时环节的积分时间常数tf乘于预设数值计算得出的数值，上述预设数值的取值范围为[2，5]。即工程上可以将ti设定为2至5倍tf。

为验证实施例直流侧电压二次脉动滑动平均滤波的可行性以及电压闭环稳定控制设计方法的正确性，采用matlab/simulink软件搭建如图5所示单相列车供电变流器的仿真模型。其中，单相电网电压有效值1.5kv、基波频率50hz，直流侧总电压参考值3000v，直流侧电容c1＝c2＝10mf，网侧电阻和电感分别为0.1ω、2.0mf，负载电阻为9ω(额定功率1000kw)，三角载波频率2.5khz，系统采样、控制频率fsamp＝10khz。可以得出图6和图7所示的示意图。

图6所示为直流侧电压无滤波、采用滑动平均滤波时的网侧电流波形及谐波含量分布，可见采用滑动平均滤波后电流总的谐波畸变率(thd)由3.16％下降到1.59％，其中3、5、7次谐波分别由2.70％、0.64％、0.25％降低为0.46％、0.37％、0.13％，谐波优化效果明显。

图7所示为采用滑动平均滤波器时的直流侧总电压波形：在t＝0-0.2s时间段，ti保持为2tf，直流侧总体电压稳定；在时刻t＝0.2s，将ti切换为0.5tf且保持恒定，直流侧总体电压稳定性变差且有振荡趋势；直至时刻t＝0.7s，再将ti切换回2tf并保持不变，直流侧总体电压逐渐恢复稳定。

本实施例所提供的单相变流器的直流电压闭环控制方法，通过采集经过作为单相变流器电压外环闭环系统反馈环节的滑动平均滤波器的单相变流器直流侧的电压反馈信号；基于预建立的单相变流器电压外环闭环系统的传递模型，根据电压反馈信号和预设电压，对单相变流器电压外环闭环系统进行闭环控制；其中，上述传递模型为包括滑动平均滤波器引入的一阶等效惯性反馈延时环节、pi控制器、电流内环闭环系统传递模型以及被控对象模型的传递模型；pi控制器的积分时间常数大于一阶等效惯性反馈延时环节的积分时间常数；传递模型的开环截止频率为基于电流内环响应速度远大于电压外环响应速度而设定的频率。该方法通过引入滑动平均滤波器作为电压环反馈环节，有效分离电压信号的二次脉动分量和其它阶次纹波，避免二次脉动分量进入电压环，消除了二次脉动的不利影响；且通过设定pi控制器积分时间常数和电压环开环截止频率，避免引入滑动平均滤波器对系统稳定性的影响，提高电压闭环控制的稳定性。

下面对本发明实施例提供的一种单相变流器的直流电压闭环控制系统进行介绍，下文描述的一种单相变流器的直流电压闭环控制系统与上文描述的一种单相变流器的直流电压闭环控制方法可相互对应参照。

请参考图8，图8为本发明实施例所提供的单相变流器的直流电压闭环控制系统框图。

电压反馈信号采集模块81，用于采集经过作为单相变流器电压外环闭环系统反馈环节的滑动平均滤波器的单相变流器直流侧的电压反馈信号；

控制模块82，用于基于预建立的单相变流器电压外环闭环系统的传递模型，根据电压反馈信号和预设电压，对单相变流器电压外环闭环系统进行闭环控制；

其中，上述传递模型为包括滑动平均滤波器引入的一阶等效惯性反馈延时环节、pi控制器、电流内环闭环系统传递模型以及被控对象模型的传递模型；pi控制器的积分时间常数大于所述一阶等效惯性反馈延时环节的积分时间常数；传递模型的开环截止频率为基于电流内环响应速度远大于电压外环响应速度而设定的频率。

作为一种具体实施方式，上述电压反馈信号采集模块可以包括：

预设滑窗时间获取单元，用于获取滑动平均滤波器的预设滑窗时间；

采集单元，用于根据预设滑窗时间，采集电压反馈信号；

其中，所述预设滑窗时间为0.01s或0.02s。

作为一种具体实施方式，一阶等效惯性反馈延时环节为其中，tw为预设滑窗时间。

作为一种具体实施方式，传递模型为其中，pi控制器为被控对象模型为udcref为预设电压，us为相电压幅值，cdc为直流侧总电容容量。

作为一种具体实施方式，pi控制器的积分时间常数ti为将一阶等效惯性反馈延时环节的积分时间常数tf乘于预设数值计算得出的数值，预设数值的取值范围为[2，5]。

本实施例所提供的单相变流器的直流电压闭环控制系统，通过引入滑动平均滤波器作为电压环反馈环节，有效分离电压信号的二次脉动分量和其它阶次纹波，避免二次脉动分量进入电压环，消除了二次脉动的不利影响；且通过设定pi控制器积分时间常数和电压环开环截止频率，避免引入滑动平均滤波器对系统稳定性的影响，提高电压闭环控制的稳定性。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本发明所提供的单相变流器的直流电压闭环控制方法及系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。