一种网压波动工况下的动车组网侧变流器的并网控制策略的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种网压波动工况下的动车组网侧变流器的并网控制策略，基于三相VSR旋转坐标系理论基础建立单相VSR旋转坐标系数学模型；采用快速虚拟轴算法改善电流控制内模的延时问题；实现对有功功率和无功功率分别独立调节；通过电流内环解耦控制设计解决VSR的dq分量相互耦合问题；运用载波移相技术抑制网侧电流中的谐波分量。本发明，采用基于旋转坐标系的控制方法和快速虚拟轴的核心算法，不仅可实现对电网电流无静差跟踪，有功和无功功率独立控制，还解决了单纯用虚拟轴控制方法中电流环控制存在的延时问题，极大提高了系统的动态性能，并通过载波移相技术抑制网侧电流中的谐波分量。
【专利说明】
一种网压波动工况下的动车组网侧变流器的并网控制策略
技术领域
[0001]本发明涉及电力电子与电力传动及新能源技术领域，具体说是一种网压波动工况 下的动车组网侧变流器的并网控制策略。
【背景技术】
[0002] P WM (脉冲宽度调制）整流器作为动车组网侧变流器，是整个牵引传动系统的重要 组成部分。它的结构形式及控制方式，对于提高电网功率数、降低电网电流谐波含量、稳定 中间直流回路电压以及保证电机侧电压型逆变器的正常工作有着决定性的影响。要实现 PWM整流器良好的工作特性，其关键在于对整流器输入电流的控制。为使PWM整流器实现单 位功率因数和输入电流中的谐波含量较小，必须控制整流器输入电流呈现正弦特性，也就 需要有对整流器良好的控制策略。
[0003] VSR型PWM整流器（电压型PWM整流器）网侧电流的控制策略一般采用直接电流控制 策略。该策略是通过对交流电流进行直接控制，使其跟随指令电流的控制方法。一般采用直 流电压外环，交流电流内环的控制策略，既可稳定直流电压，又可实现单位功率因数控制， 并且动态响应快，控制精度高，在实际系统中得到广泛应用。
[0004] 直接电流控制策略包括:滞环电流控制策略、无差拍电流控制策略、比例谐振控制 策略等。
[0005] 滞环电流控制策略具有动态响应快，控制精度高等优点，但是开关频率不固定，不 利于系统的设计。
[0006] 无差拍电流控制策略动态响应快，电流跟踪快速、算法易于数字实现，但是系统的 鲁棒性较低，需要较精确地得到PWM整流器交流滤波电感的参数，否则将可能导致系统不稳 定。
[0007] 比例谐振控制策略是基于内模原理的控制技术，可以在静止坐标系下实现PWM整 流器电网电流的无稳态误差跟踪，不需要进行多次坐标变换。但比例谐振控制器必须选择 合适的离散化方式，不同的离散化方式会导致比例谐振控制器频率特性发生偏移。
【发明内容】
[0008] 针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种网压波动工况下的动车 组网侧变流器的并网控制策略，采用基于旋转坐标系的控制方法和快速虚拟轴的核心算 法，不仅可实现对电网电流无静差跟踪，有功和无功功率独立控制，还解决了单纯用虚拟轴 控制方法中电流环控制存在的延时问题，极大提高了系统的动态性能，并通过载波移相技 术抑制网侧电流中的谐波分量。
[0009] 为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
[0010] -种网压波动工况下的动车组网侧变流器的并网控制策略，其特征在于：
[0011] 基于三相VSR旋转坐标系理论基础建立单相VSR旋转坐标系数学模型；
[0012] 采用快速虚拟轴算法改善电流控制内模的延时问题；
[0013] 实现对有功功率和无功功率分别独立调节；
[0014] 通过电流内环解耦控制设计解决VSR的dq分量相互耦合问题；
[0015] 运用载波移相技术抑制网侧电流中的谐波分量。
[0016] 在上述技术方案的基础上，基于三相VSR旋转坐标系理论基础建立单相VSR旋转坐 标系数学模型的具体步骤如下：
[0017] 采用软/硬件锁相环技术实时跟踪电网相位c〇t，AD数字采样系统实时跟踪网压幅 值E与网侧交流电流幅值I;
[0018] 当电网相位cot为0时，网压设定为静止坐标系的α轴分量E。，对网压进行旋转得到 虚拟轴Εβ，建立静止坐标系，有Ea = Esin ω t，Ep = _Ecos ω t;
[0019] d轴为有功轴，与a轴的夹角为θ，有Ea = Edsin ω t+EqC〇s ω t，Ep = _Edcos ω t+Eqsin wt之关系。
[0020] 在上述技术方案的基础上，采用快速虚拟轴算法改善电流控制内模的延时问题 中，所述快速虚拟轴算法主要是推导Ie的表达式，具体推导如下：
[0021] P丽整流器矢量稳态方程有
[0022]转换为dq旋转坐标系方程：
[0023] 则有
[0024] 在上述技术方案的基础上，根据PWM整流器矢量稳态方程以及dq旋转坐标系方程， 可得到网侧电流、电压参考值及控制方程：
[0025] 给定网侧电流参考值:Is(t)*=Ia = Idsin〇 t+lqcos ω t;
[0026] 给定网压参考值:1^(1:)* = 1](1 = 1](^;[11<^+1](1(3〇8〇1：;
[0027] 控制方程
[0028] 在上述技术方案的基础上，通过电流内环解耦控制设计解决VSR的dq分量相互耦 合问题的具体步骤如下：
[0029] Id、Iq为单相VSR交流侧电流矢量Is的d、q分量，
[0030] 工/山^为^山的指令值，
[0031] Ud、Uq为单相VSR交流侧电压矢量Us的d、q分量，
[0032] p为微分算子；
[0033]基于 P 丽稳态矢量方程得到 Ud = Ed+c〇LIq-(R+Lp)I<^Uq = Eq-c〇LId-(R+Lp)Id，
[0034] dq模型方程式中存在变量相互耦合的问题，采用电流环解耦算法解决，即：
[0035]
[0036]
[0037] 式中KiP和Κπ分别为电流内环比例调节增益和积分调节增益。
[0038]在上述技术方案的基础上，所述运用载波移相技术抑制网侧电流中的谐波分量 中，各单元整流器采用共同的调制波，采用移相控制方法，将各单元整流器的三角载波相位 相互依次错开一个相同的相位角VN，N为整流器的单元数，然后利用PWM技术中的波形生成 方式和载波移相技术中的移相叠加得到阶状波。
[0039] 本发明所述的网压波动工况下的动车组网侧变流器的并网控制策略，采用基于旋 转坐标系的控制方法和快速虚拟轴的核心算法，不仅可实现对电网电流无静差跟踪，有功 和无功功率独立控制，还解决了单纯用虚拟轴控制方法中电流环控制存在的延时问题，极 大提高了系统的动态性能，并通过载波移相技术抑制网侧电流中的谐波分量。
[0040] 本发明所述的网压波动工况下的动车组网侧变流器的并网控制策略，具有以下有 益效果：
[0041] 1、采用单相VSR旋转坐标系数学模型，可提高网侧并网控制策略的控制精度。
[0042] 2、采用快速虚拟轴算法，可改善电流控制内模的延时问题，提高指令的响应速度， 切实保证列车控制的快速性。
[0043] 3、由于电网在遭受雷击，或相间短路等情况下会导致网压波动（即本发明所述的 网压波动工况），危害高铁的安全运行，而通过对无功功率进行的独立调节，补偿部分无功 可有效应对此类情况，抑制网压波动幅度，为列车安全稳定运行保驾护航。
[0044] 4、通过电流内环解耦控制设计，可解决VSR的dq分量相互耦合问题，保证了网侧并 网控制策略的准确实施与控制。
[0045] 5、采用多重化的载波移相技术抑制网侧电流中的谐波分量，避免谐波可能导致的 危害，例如设备损坏，弓网谐振等。有效降低故障率，有力提升高铁安全运行的稳定性。
【附图说明】
[0046] 本发明有如下附图：
[0047] 图1本发明提供的虚拟α轴与建立(d，q)同步旋转坐标系的原理图；
[0048]图2本发明提供的一个基本网侧变流器的结构原理图；
[0049] 图3本发明提供的快速虚拟轴算法的设计框图；
[0050] 图4本发明提供的基于快速虚拟轴算法的前馈解耦控制的设计框图；
[0051] 图5本发明提供的基于快速虚拟轴算法的网侧变流器dq旋转坐标系控制方法的设 计框图；
[0052]图6本发明提供的一个4重化载波移相控制的范例图。
【具体实施方式】
[0053]以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0054]本发明所述的网压波动工况下的动车组网侧变流器的并网控制策略，其所述方法 包括：
[0055] 基于三相VSR旋转坐标系理论基础建立单相VSR旋转坐标系数学模型；
[0056] 采用快速虚拟轴算法改善电流控制内模的延时问题；
[0057] 实现对有功功率和无功功率分别独立调节；
[0058] 通过电流内环解耦控制设计解决VSR的dq分量相互耦合问题；
[0059]运用载波移相技术抑制网侧电流中的谐波分量。
[0060] 在上述技术方案的基础上，如图1所示，基于三相VSR旋转坐标系理论基础建立单 相VSR旋转坐标系数学模型的具体步骤如下：
[0061] 采用软/硬件锁相环技术实时跟踪电网相位cot，AD数字采样系统实时跟踪网压幅 值E与网侧交流电流幅值I，
[0062] 当电网相位cot为0时，网压设定为静止坐标系的α轴分量E。，对网压进行旋转得到 虚拟轴Εβ，建立静止坐标系，有Ea = Esin ω t，Ep = _Ecos ω t;
[0063] d轴为有功轴，与a轴的夹角为θ，有Ea = Edsin ω t+EqC〇s ω t，Ep = _Edcos ω t+Eqsin wt之关系。
[0064] 在上述技术方案的基础上，本发明中，创新地设计了快速虚拟轴算法，解决传统dq 旋转坐标系下控制存在的电流环延时问题，有别于传统地直接将L·延时90°以得到Ie，快速 虚拟轴算法选用网压Εα、Ε?!分量为基础进而推导Ie;
[0065] 采用快速虚拟轴算法改善电流控制内模的延时问题中，所述快速虚拟轴算法主要 是推导Ie的表达式，具体推导如下：
[0066] P丽整流器矢量稳态方程有：
[0067] 转换为dq旋转坐标系方程（静止坐标下的表达式）：
a和
[0068] 网压较交流侧电流Is(t)更稳定，基于此算法可有效改善电流环控制的延时问题， 保证变流器输出稳定可靠的直流电压，交流侧电流电能质量良好。
[0069] 根据PWM整流器矢量稳态方程以及dq旋转坐标系方程，可得到网侧电流、电压参考 值及控制方程：
[0070] 给定网侧电流参考值:Is(t)*=Ia = Idsin〇 t+lqcos ω t;
[0071 ]给定网压参考值:1^(1:)* = 1](1 = 1](^;[11<^+1](1(3〇8〇1：;
[0072] 控制方程：
[0073] 在上述技术方案的基础上，通过电流内环解耦控制设计解决VSR的dq分量相互耦 合问题的具体步骤如下：
[0074] Id、Iq为单相VSR交流侧电流矢量Is的d、q分量，
[0075]工/山^为^山的指令值，
[0076] Ud、Uq为单相VSR交流侧电压矢量Us的d、q分量，
[0077] p为微分算子；
[0078]基于 P 丽稳态矢量方程得到 Ud = Ed+c〇LIq-(R+Lp)I<^Uq = Eq-c〇LId-(R+Lp)Id，
[0079] dq模型方程式中存在变量相互耦合的问题，采用电流环解耦算法解决，即：
[0080]
[0081]
[0082] 式中KiP和Κπ分别为电流内环比例调节增益和积分调节增益。
[0083] 在上述技术方案的基础上，所述运用载波移相技术抑制网侧电流中的谐波分量 中，各单元整流器采用共同的调制波，采用移相控制方法，将各单元整流器的三角载波相位 相互依次错开一个相同的相位角VN，N为整流器的单元数，然后利用PWM技术中的波形生成 方式和载波移相技术中的移相叠加得到阶状波。
[0084] 本发明所述的网压波动工况下的动车组网侧变流器的并网控制策略，包括如下控 制特点：
[0085] (1)采用软/硬件锁相环技术实时跟踪电网相位cot，AD数字采样系统实时跟踪网 压幅值E与网侧交流电流幅值I;
[0086] (2)当电网相位ω t为0时，将网压设定为静止坐标系的α轴分量Εα，将α轴分量Εα逆 时针旋转90°得到虚拟的轴，定义为Ee，则建立α-β静止坐标系，该α-β静止坐标系含电网电 压与网侧电流；
[0087] (3)建立d_q旋转坐标系，d轴为有功轴，与α轴的夹角为Θ，由电网相位cot与Θ间的 数学关系计算得到α-β静止坐标系与d_q旋转坐标系的变换关系；
[0088] (4)采用电流环解耦算法解决了 dq模型方程式中存在变量相互耦合的问题，并提 出了电压外环电流内环的控制内模设计方案；
[0089] (5)基于本发明所提出的快速虚拟轴原理及算法，提出了较传统方案更为完善的 静止坐标系构建方法，寻找到了更优的α-β静止坐标系与d_q旋转坐标系的变换关系，解决 了网侧电流控制上存在的延时问题，极大提升了系统动态响应速度和控制稳定性。
[0090] (6)因为PWM整流器可以工作于整流和逆变工况，在逆变工况时，要将直流母线电 压逆变成网侧电压并送回电网，从而便是并网的过程。
[0091] 本发明所述的网压波动工况下的动车组网侧变流器的并网控制策略，包括如下步 骤：
[0092]首先，采用软件锁相算法或硬件锁相电路实时跟踪电网相位cot，采用AD数字采样 系统实时跟踪网压幅值E与网侧交流电流幅值I;
[0093]当电网相位ω t为0时，将网压设定为静止坐标系的α轴分量Εα，将α轴分量Εα逆时针 旋转90°得到虚拟的轴，定义为Ee，则建立α-β静止坐标系，如图1所示，该α-β静止坐标系含 电网电压与网侧电流；
[0094]其次，建立d_q旋转坐标系，d轴为有功轴，与α轴的夹角为0，Ed为网压的有功分量， Eq为网压的无功分量，Εα为网压，Ee为网压延时90°得到的量，则有：
[0095]
[0096]
[0097] 软件锁相算法从网压过零点开始计算ω t，即:En(t)=Esinc〇 t
[0098] 代入式（1)(2)即有：
[0099]
[0100](4) ^ q a -
- p
[0101] 又因为θ=〇η-90°，可得：
[0102]
(5)[0103] 由Θ与cot的关系，可以导出下列变换关系：
[0104] (6)
[0105] (7)
[0106] 由此推导出d、q分量与α、β分量之间的数学转换关系；
[0107] 对于d、q分量，由式(6)变换可得：
[0108](8) k y. ^
μ
[0109] 对于α、β分量，由式(8)变换可得：
[0110]
(9)
[0111] 传统方法(单纯用虚拟轴控制方法)和本发明所述控制策略在公式（1)~(9)中都 是一样的。
[0112] 有别于单纯用虚拟轴控制方法中，本发明直接将L·延时90°构建Ie，对于网侧电流 的静止坐标系和旋转坐标系的建立，提出了快速虚拟轴算法。该算法可有效解决延时问题， 提高系统动态响应速度。电网电压E n(t)相对于网侧电流Is(t)而言比较稳定，通过将电网电 压延时四分之一周期来构建虚拟的坐标轴Ee，进而推导Ie。
[0113] 如图2所示，为一个基本网侧变流器的结构原理图，由PWM整流器矢量稳态方程为：
[0114]
(1Q)
[0118]则Ιβ的推导式为：[0119]
(13)
[0115] 忽略网侧电阻R的影响，并将上式转换为静止坐标下的表达式：
[0116] (11)
[0117] (15)
[0120] 如图3所示。进而可用L·和Ie建立网侧电流的静止坐标系和旋转坐标系。
[0121] 单相VSR的dq坐标系中，其dq模型可描述为：
[0122]
(14)
[0123] Id、Iq为单相VSR交流侧电流矢量Is的d、q分量，Ud、Uq为单相VSR交流侧电压矢量U s 的d、q分量，p为微分算子。
[0124] 由于d、q轴变量相互耦合，采用前馈解耦控制算法。当电流调节采用PI调节时，则 Ud、Uq的控制方程如下：
[0125]
[0126]
[0127] 式中，KlP和Κπ分别为电流内环比例调节增益和积分调节增益；1/、1，为Id、Iq的指 令值。
[0128] 如图4所示，前馈解耦控制算法如下：
[0129]
(Π)
[0130] 由图1还可类似推导出：
[0131]
[0132]
[0133] 给定值参考值为：
[0134] Is(t)*= Ia = Idsin ω t+Iqcos ω t (20)
[0135] Us(t)* = Ua = Udsin ω t+Uqcos ω t (21)
[0136] 则控制方程为(忽略网侧电阻R的影响）：
[0137]
(22)
[0138] 如图5所示，为基于快速虚拟轴算法的dq旋转坐标系控制方法的设计框图。
[0139] 对于多重化脉冲整流器的调制，采用载波移相技术。各单元整流器采用共同的调 制波，采用移相控制方法，将各单元整流器的三角载波相位相互依次错开一个相同的相位 角π/Ν(Ν为整流器的单元数），然后利用PWM技术中的波形生成方式和载波移相技术中的移 相叠加得到阶状波，图6揭示了4重化载波移相控制的基本原理，从矢量图中可以看出，4对 载波在一个360°周期内均匀相错，使得4个整流器的输出脉冲平均错开。这相当于将原来的 载波频率等效提高了 Ν倍，能有效降低谐波含量。
[0140]最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制;尽管 参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可 以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换； 而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。 [0141]本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
【主权项】
1. 一种网压波动工况下的动车组网侧变流器的并网控制策略，其特征在于： 基于三相VSR旋转坐标系理论基础建立单相VSR旋转坐标系数学模型； 采用快速虚拟轴算法改善电流控制内模的延时问题； 实现对有功功率和无功功率分别独立调节； 通过电流内环解耦控制设计解决VSR的dq分量相互耦合问题； 运用载波移相技术抑制网侧电流中的谐波分量。2. 如权利要求1所述的网压波动工况下的动车组网侧变流器的并网控制策略，其特征 在于：基于三相VSR旋转坐标系理论基础建立单相VSR旋转坐标系数学模型的具体步骤如 下： 采用软/硬件锁相环技术实时跟踪电网相位《t，AD数字采样系统实时跟踪网压幅值E 与网侧交流电流幅值I; 当电网相位为O时，网压设定为静止坐标系的α轴分量E。，对网压进行旋转得到虚拟 轴Eβ，建立静止坐标系，有Eα = Esinωt，Eβ = -Ecosωt; d轴为有功轴，与a轴的夹角为Θ，有Ea = Edsin ω t+EqC〇s ω t，Ep = _Edcos ω t+Eqsin ω t之 关系。3. 如权利要求1所述的网压波动工况下的动车组网侧变流器的并网控制策略，其特征 在于:米用快速虚拟轴算法改善电流控制内模的延时问题中，所述快速虚拟轴算法主要是 推导Ie的表达式，具体推导如下：4. 如权利要求4所述的网压波动工况下的动车组网侧变流器的并网控制策略，其特征 在于:根据PWM整流器矢量稳态方程以及dq旋转坐标系方程，可得到网侧电流、电压参考值 及控制方程： 给定网侧电流参考值:Is(t)*= Ia= Idsin ω t+lqcos ω t; 给定网压参考值:Us(t)*=Ua = Udsino t+UqC〇s ω t; 控制方程:(人(/) = 〇..(')。5. 如权利要求1所述的网压波动工况下的动车组网侧变流器的并网控制策略，其特征 在于:通过电流内环解耦控制设计解决VSR的dq分量相互耦合问题的具体步骤如下： Id、Iq为单相VSR交流侧电流矢量U^cUq分量， 为比Iq的指令值， Ud、Uq为单相VSR交流侧电压矢量Us的d、q分量， P为微分算子； 基于 PffM 稳态矢量方程得到Ud = Ed+ω LIq-(R+Lp)Id 与 Uq=Eq-ω LId-(R+Lp) Id， dq模型方程式中存在变量相互耦合的问题，采用电流环解耦算法解决，即：式中KlP和Kn分别为电流内环比例调节增益和积分调节增益。6.如权利要求1所述的网压波动工况下的动车组网侧变流器的并网控制策略，其特征 在于:所述运用载波移相技术抑制网侧电流中的谐波分量中，各单元整流器采用共同的调 制波，采用移相控制方法，将各单元整流器的三角载波相位相互依次错开一个相同的相位 角π/Ν，Ν为整流器的单元数，然后利用PWM技术中的波形生成方式和载波移相技术中的移相 叠加得到阶状波。
【文档编号】H02J3/16GK105896606SQ201610379482
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月1日
【发明人】刁利军, 陈大分, 阮白水, 张馨予, 刘志刚, 王磊, 陈杰
【申请人】北京交通大学, 北京千驷驭电气有限公司