应用于电气化铁路电能治理的谐波控制装置的制作方法

本实用新型属于电气化铁路领域，涉及一种谐波控制装置，尤其是涉及一种应用于电气化铁路电能治理的谐波控制装置。

背景技术：

电气化铁路牵引供电网的供电可靠和安全性是电力机车安全、可靠、经济运行的重要保障。而电力机车作为一种特殊的电力负荷，其采用单相供电方式，在未采取补偿措施时不可避免地向上级电力系统注入负序电流；由于电力机车负荷为整流驱动和具有随机性，同时带来了无功、谐波、电压波动等电能质量问题严重恶化了牵引供电网及其上级电力系统的电能质量。其中，负序电流增大同步电机的附加损耗、降低变压器出力、引起继电保护装置误动等；谐波电流引起发电机、变压器、输电线路附加损耗，并可能产生谐波放大烧毁电力设备；无功功率不足增加输电线路损耗，降低电压水平，给电力系统和牵引网的安全可靠供电带来了挑战。因此，必须采取有效的治理措施，对牵引供电网的电能质量进行控制，使其处于允许范围内，以保证电力系统和牵引网安全可靠供电。

目前国内外提出的电气化铁路负序、谐波和无功综合补偿方法可以分为主动治理和被动治理两类。主动治理方法主要有：(1)规划时增大牵引网容量，提高牵引网电能质量问题容忍能力；(2)牵引变电所进线换相接入，可明显降低因牵引网单相供电产生的负序；(3)采用平衡牵引变压器降低负序；(4)采用交直交型电力机车，可有效降低机车谐波含量，且功率因数接近1，但不能解决负序问题。被动治理方法主要有：(1)无源补偿器，主要是静止无功补偿器(Static VarCompensator， SVC)；(2)有源补偿器，主要有单相接入的有源电力滤波器(ActivePower Filter， APF)、三相接入的静止同步补偿器(Static Compensator，STATCOM)、两相接入的铁路功率调节器(Railway Power Conditioner，负序动态调节装置)及各种变型结构。但是这些方式或技术只能部分改善电能质量，无法有效解决电气化铁路中严重存在的负序问题。

基于上述原因和现有市场产品的缺陷和不足，学者及企业开始研究电气化铁路电能治理调节装置，它具有有功电流转移、无功补偿、稳定牵引网电压和滤波谐波等功能，取代目前市场产品及技术。但该装置的难点是选择合理的电流环参数，尤其是当牵引电网存在谐波时，电流环比例参数变换带宽的大小将受影响，较大的带宽可以实现对谐波分量的抑制，但参考指令中将含有一定的谐波分量，一定程度上会恶化系统的控制效果，可是带宽的减小必然会造成响应速度的变慢等问题，本专利将实现参数选择带宽与谐波治理效果的优化。

传统方法是采用多PI控制策略，建立多个同步旋转坐标系对各次谐波分量进行单独控制，这需要大量的谐波分解、滤波器设计和坐标变换；还有采用比例-积分-谐振(PIR)控制策略，通过在PI控制器上添加比例谐振控制器(PR)实现对谐波抑制。但在实际设计应用中发现PIR与PR控制器存在两个问题：①比例项的存在将控制器整个频段的增益都提高，很难实现对谐波分量的抑制。②控制器的谐振部分都是由一阶分子和二阶分母组成，无法实现谐振点处的闭环传递函数零相位响应，不利于对谐波分量的抑制。

技术实现要素：

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种应用于电气化铁路电能治理的谐波控制装置。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种应用于电气化铁路电能治理的谐波控制装置，包括主电路和控制电路，所述控制电路包括DSP控制模块，所述DSP控制模块根据采集的电网信号产生相应的PWM脉冲，控制主电路进行无功与谐波补偿，所述DSP控制模块包括改进型谐波抑制控制结构，该改进型谐波抑制控制结构包括基波控制器、谐波控制器和耦合控制器，所述谐波控制器设置有多个，与所述基波控制器分离设置，所述耦合控制器分别连接基波控制器和谐波控制器。

所述耦合控制器还连接有扰动输入端。

所述主电路包括VV变压器、降压变压器、第一PWM变换器和第二PWM变换器，所述VV变压器分别连接三相高压电源和电力机车，所述降压变压器设有两个，其中一个分别连接电力机车的一供电臂和第一PWM变换器，另一个分别连接电力机车的另一供电臂和第二PWM变换器，所述第一PWM变换器和第二PWM 变换器通过一直流电容串联，所述第一PWM变换器和第二PWM变换器分别与 DSP控制模块连接。

所述控制电路还包括分别与DSP控制模块连接的电压电流采样电路、驱动电路、显示输入电路和保护电路，所述DSP控制模块为DSP芯片，所述改进型谐波抑制控制结构集成于DSP芯片中，所述驱动电路与主电路连接。

所述DSP芯片为DSP28335集成控制板。

所述DSP芯片通过通讯模块连接有上位机。

所述通讯模块为隔离型RS-485全双工收发器。

所述驱动电路为DR-POW2驱动芯片。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1)本实用新型对基波控制器和谐波控制器进行分离设置，对各次谐波分量进行单独控制，基波控制器的输入为参考量与反馈量的差值，谐波控制器的输入只有反馈信号，且省去QPR控制器的比例项，在谐振部分增加零点，不仅能够最大化程度治理电气化铁路牵引供电电网谐波及无功补偿，还可以使得控制策略及结构设计达到简化，减少计算量。

2)本实用新型的主电路主要由两个单相降压变压器、两个电压源型变流器 (PWM)组成背靠背的四象限运行结构，直流侧共用电容，交流侧分接于牵引变电所两供电臂，具有有功电流转移、无功补偿、稳定牵引网电压和滤波高次谐波等功能。

3)本实用新型DSP控制模块的硬件设计中，DSP芯片采用DSP28335集成控制板，集成了众多接口，简化了外围电路的设计；通讯模块采用隔离型RS-485全双工收发器，将隔离通道与收发器集成在一个芯片上，省去了中间额外的设计环节并缩小体积；驱动电路采用DR-POW2驱动芯片，具有电隔离功能，可以实现主电路中两个互补的IGBT管的驱动。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型控制电路的硬件总体设计图；

图3为隔离型RS-485全双工收发器ISO3082的电路示意图；

图4为DR-POW2驱动芯片的电路示意图；

图5为本实用新型的负序补偿矢量原理图；

图6为本实用新型改进型控制器与传统QPR控制器的开环伯德图比较；

图7为本实用新型改进型谐波抑制控制结构的框图；

图8为参考信号对输出的闭环伯德图；

图9为采用传统谐波消除技术后电气化铁路电能治理调节装置输出电流谐波频谱；

图10为采用改进型谐波消除技术后电气化铁路电能治理调节装置输出电流谐波频谱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例提供一种应用于电气化铁路电能治理的谐波控制装置，包括主电路和控制电路，如图1所示。其中，主电路包括VV变压器、降压变压器、第一PWM 变换器和第二PWM变换器，VV变压器分别连接三相高压电源和电力机车，降压变压器设有两个，其中一个分别连接电力机车的一供电臂和第一PWM变换器，另一个分别连接电力机车的另一供电臂和第二PWM变换器，第一PWM变换器和第二PWM变换器通过一直流电容串联，第一PWM变换器和第二PWM变换器分别与DSP控制模块连接。第一PWM变换器主要是对牵引变左桥臂进行流入和流出控制；第二PWM变换器主要是对牵引变右桥臂进行流入和流出控制；降压变压器主要起到降压和隔离作用；VV变压器主要起到降压及供电给机车；第一PWM变换器与第发给PWM变换器之间的直流电容C_d起储能和平波作用，使两变换器相互之间实现解耦而互不影响。

控制电路包括DSP控制模块、电压电流采样电路、显示输入电路、驱动电路和保护电路，DSP控制模块根据采集的电网信号产生相应的PWM脉冲，控制主电路进行无功与谐波补偿；DSP控制模块为DSP芯片；电压电流采样电路的主要功能是对电网电流的有功、无功、谐波和电网电压相位检测，从而控制平衡以及能量流动方向；保护电路主要是过压、欠压、过流等信号的检测，用于保护电气化铁路电能质量综合治理装置的功率器件；显示输入电路为外围电路，用于显示和参数设定。控制电路可采用合适的控制方法，联合两逆变器实现有功功率从一供电臂转移至另一供电臂，同时能各自进行无功与谐波补偿，从而达到负序和谐波补偿的目的；驱动电路用于根据DSP芯片输出PWM波驱动主电路中的IGBT工作。

控制电路的硬件总体设计如图2所示，其中DSP芯片采用集成了众多接口的 DSP28335集成控制板，接口包括DSP、SRAM、EPROM、A/D、PWM、CAN等。该DSP芯片简化了外围电路设计，只需信号采样电路、PWM脉冲驱动电路和过压过流保护电路即可。

DSP芯片通过通讯模块连接有上位机，通讯模块采用485串口通信，相比较于RS-232通信而言。具有传输速度快、传输距离长和抗干扰性能强的特点。在较远距离的传输时往往会有接地环路、瞬态电压等干扰，为了保证系统的安全与可靠，一个可靠的隔离设计非常重要，以往都是在控制器与收发器的中间接入一个光耦或数字隔离器进行隔离，这造成设计难度与产品体积的增加，尤其是配置成全双工通信时这种情况更为明显，本实施例通讯模块采用电容隔离式的隔离型RS-485全双工收发器ISO3082，能有效的改善这两个问题，它将隔离通道与收发器集成在一个芯片上，省去了中间额外的设计环节并缩小体积，其电路结构如图3所示。

IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。它既有MOSFET易驱动的特点，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。IGBT是电压控制型器件，在它的栅极-发射极间施加十几V 的直流电压，只有μA级的漏电流流过，基本上不消耗功率。但IGBT的栅极-发射极间存在着较大的寄生电容(几千至上万pF)，在驱动脉冲电压的上升及下降沿需要提供数A的充放电电流，才能满足开通和关断的动态要求，这使得它的驱动电路也必须输出一定的峰值电流。IGBT作为一种大功率的复合器件，存在着过流时可能发生锁定现象而造成损坏的问题。在过流时如采用一般的速度封锁栅极电压，过高的电流变化率会引起过电压，为此需要采用软关断技术，因而IGBT的驱动是十分必要的。

IGBT的驱动电路必须具备2个功能：一是实现控制电路与被驱动IGBT栅极的电隔离；二是提供合适的栅极驱动脉冲。实现电隔离可采用脉冲变压器、微分变压器及光电耦合器。本实施例中，驱动电路采用DR-POW2驱动芯片，可以同时驱动两个互补的IGBT管。DR-POW2驱动芯片的电路结构如图4所示。

由于高速铁路机车一般为交直交电力机车，采取四象限脉宽调制(pulse width modulation，PWM)脉冲整流控制方式，功率因数接近1。为便于分析，假设V/V 牵引变压器变比KB＝1，α相供电臂有机车负载电流为I_αL，而β相供电臂机车负载电流为I_βL。

如图5所示，UA、UB、UC为原边三相电压，Uα、Uβ为牵引变压器副边电压，其相角相差π/3。在负序动态调节装置补偿前，两桥臂分别有有功机车负载电流I_αL和I_βL，首先通过负序动态调节装置将两牵引臂有功电流差值的1/2(即为 (I_αL-I_βL)/2)，从轻载侧转移到重载侧，此时两桥臂电流的幅值分别为I_α和I_β，其幅值相等，相角相差π/3，但此时可计算得到电流不平衡度为50％。在此基础上，在α桥臂补偿一定的容性无功电流I_cα，使电流I_cβ滞后该桥臂电压π/6，此时有

这样补偿之后得到的两桥臂电流I_α、I_β分别与IA和IB重合，相角相差2π/3，并可以求得原边C相电流。此时原边三相电流完全对称，负序电流为0，并且可推知原边三相功率因数都为1，此时就到达了综合补偿的目的。对于其他任何负载情况下的V/V牵引系统，负序动态调节装置都遵循上述的负序补偿原理。

本实施例的DSP控制模块包括改进型谐波抑制控制结构，该改进型谐波抑制控制结构包括：

基波控制器，以参考信号与反馈信号的差值作为输入，反馈信号为从主电路采集的逆变器输出电流；

谐波控制器，设置有多个，与基波控制器分离设置，以反馈信号作为输入；

耦合控制器，分别连接基波控制器和谐波控制器，根据基波控制器和谐波控制器的输出及扰动生成输出控制信号，耦合控制器还连接有扰动输入端。

基波控制器和谐波控制器的传递函数为：

其中，h表示谐波次数，Kr_h表示h次谐波下控制器的增益系数，ω_ch表示h次谐波带宽系数，ω_h表示h次谐振点角频率，L和R表示电气化铁路电能治理调节装置的电感和等效电阻。

本实用新型的基波控制器和谐波控制器基于传统QPR控制器改进，省去比例项，并在谐振项添加一个零点，与耦合项1/(Ls+R)抵消，进而消除由于控制对象对控制器性能的影响，减小非谐振点增益。其开环伯德图(以基频50Hz为例)如图 6所示。

图6中NPR和QPR分别表示本实用新型的改进型控制器和准比例谐振控制器。首先分析幅频特性，NPR在谐振点(50H)处增益近似无穷大，而在非谐振点部分的增益非常小，可以无静差的跟踪谐振点电流，同时抑制非谐振点电流。QPR 控制器在谐振点同样具有无穷大增益，但是比例项的存在导致在非谐振频段也具有较大的增益，不利于抑制非谐振频段的信号。分析相频特性可得，NPR控制器在谐振点的相位响应为90℃，考虑到逆变器滤波器以及信号采样和数字处理所造成的延时效应，合理的设计控制器参数可以实现对谐振信号的零相位响应。而QPR 控制器在谐振点处的相位响应为0℃，与控制对象串联后很难实现对谐振点信号零相位响应。

本实施例的改进型谐波抑制控制结构如图7所示，将基波控制器与谐波控制器分离，其中基波控制器的输入为参考信号与反馈信号的差值，谐波控制器的输入只有反馈信号。其中，i_{α_ref}^*为参考变量，i_{α_out}为两相静止坐标系下逆变器输出电流， G_{npr_h}为改进型控制器，N为扰动变量，G_sys＝1/(Ls+R)。

可以分别得到参考变量和扰动变量对输出的传递函数为：

对应的伯德图如图8所示，可以看出，参考量对输出的闭环传递函数在基波附近增益为1，相位响应为零，在非谐振频段增益较低，且在5、7等谐波处增益接近0。

改进型谐波抑制结构的本质是：谐波控制器只作用在输出扰动端。所以，改进后的控制系统不但可以无静差的跟踪参考指令中的基波部分，而且可以有效的抑制扰动量所引入的谐波信号。

图9为采用传统谐波消除技术后电气化铁路电能治理调节装置输出电流谐波频谱，电流的THD含量为2.12％，虽然满足并网要求5％，但同时可以看出其5、 7等谐波含量较高，对谐波治理还是有限。

图10为采用改进型谐波消除技术后电气化铁路电能治理调节装置输出电流谐波频谱，电流的THD为1.15％，由于控制系统中引入了基波、5、7、11次谐振控制器，所以对应次谐波含量都低于传统方法，更有效的拟制电网谐波。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。