一种实现逆变器参考电压相位快速调整的相位切换方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及不断电过电分相，使用逆变器为中性段供电的应用场合。
【背景技术】
[0002]电力机车(动车组)过电分相的方法有多种，早期列车速度较慢，通常采用手动过电分相，在分相区设有分相标志指挥司机过电分相操作。到中性段前，司机先将牵引级位降到0，断开辅助系统，再将牵引变压器原边主断路器断开，使机车不带电通过中性段。机车进入下一相供电臂的供电区后，司机合上主断路、并启动辅助系统、逐步恢复牵引级位。手动过电分相司机劳动强度大，在过分相时必须由司机断电，如果没断电过电分相，会在进入中性段时牵引网与受电弓产生过电压拉弧，烧坏牵引网和受电弓，甚至两相短路等严重事故，随着列车运行速度的不断提高这一问题将更为突出。
[0003]目前，电力机车(动车组)通常采用自动过电分相方法，主要有二种方法:地面自动过分相和车上自动过分相。采用地面过电分相时，电力机车(动车组)不需要任何动作，主电路断电时间很短，适合坡度较大的和运量大的困难地段，日本将这种方法用于高速动车组。
[0004]附图1为传统地面自动过分相装置的工作原理图，其工作过程如下:当电力机车(动车组)运行到CGl时(列车运行方向如图所示；CGl?CG4为机车位置传感器，用于产生开关切换信号，列车运行到某一位置时，相应的开关动作)，开关Kl闭合，中性段接触网由A相供电，待机车进入中性段，到达CG3时，Kl断开，K2迅速合上，完成中性段供电的换相变换。由于此时中性段已由B相供电，电力机车(动车组)可以在不用任何附加操作，负荷基本不变的情况下通过分相段，待机车驶离CG4处时，K2断开，各个设备恢复原始状态。反向行驶时，由控制系统控制两个开关以相反顺序轮流断开与闭合。地面过电分相时，电力机车(动车组)在中性段进行电压转换，是带载断开分相开关，会生产截流过电压，对开关要求较高；同时是满载闭合另一个分相开关，机车上有牵引变压器，因为两相相位不一样，变压器的稳态磁通有相差，合闸时会因为动态磁通饱和导致合闸浪涌过电流。对于旋转电机并从牵引变压器取电的机车，合闸时还会导致辅助系统过流。
[0005]针对传统地面过电分相装置的缺点，有研究人员提出了改进措施，改进后的地面过电分相装置如附图2所示，其工作原理如下:当电力机车(动车组)运行到CGl时(列车运行方向如图所示；CG1?CG4为机车位置传感器，用于产生开关切换信号，列车运行到某一位置时，相应的开关动作)，控制器发出控制信号使晶闸管SCR1、SCR2导通。A相电压通过降压变压器TX1，晶闸管SCR1、SCR2，升压变压器TX3到达中性段。晶闸管SCR1、SCR2的触发采用电压过零触发。当机车行驶到CG3时，控制器发出控制信号使晶闸管SCR1、SCR2关断，同时控制器发出控制信号使SCR3、SCR4导通。这样中性段就由A相供电转变为B相供电。B相电压通过降压变压器TX2，晶闸管SCR3、SCR4，升压变压器TX3到达中性段。当机车行驶到CG4处时，控制器发出控制信号使晶闸管SCRl、SCR2、SCR3、SCR4关断。系统恢复到原始状态。可见，改进后的方案仍然不能完全解决传统地面过电分相装置的缺点，由于需要采用升降压变压器，增加了系统的复杂程度和成本。
[0006]另外有学者进一步提出不断电过分相方案，如采用电力电子变换装置实现列车带电自动过分相方法(中国专利CN102343835A)、电力机车无断电过分相-电能质量综合补偿装置及其方法(中国专利CN102035212A)、一种基于级联多电平的地面过电分相装置(中国专利，申请号201410036222.9)等，其基本原理都是利用逆变器给中性段供电，利用逆变器可调压调频的特点，实现列车柔性通过电分相。附图3是电力机车无断电过分相-电能质量综合补偿装置及其方法的原理图。图中两个通过共用直流侧电容实现背靠背的单相变流器VSCjP VSC B，以及分别与VSCjP VSC B交流侧相连的单相变压器T A^P T Β组成。变压器TJI边两个接线端子分别接于中性段和钢轨，T Β原边两个接线端子分别接于B相供电臂和钢轨。装置正常工作时，若没有机车通过中性段，那么变流器VSCb工作于空载并网状态，维持直流侧电压为给定的参考值，而VSCJlj脉冲封锁，中性段无电压。当CGl检测到有机车从A相进入中性段时，VSCa由脉冲封锁状态进入空载并网状态，变流器输出电压为A相供电臂电压Ua，然后以机车负载功率为控制目标，使机车负载功率完全由B相供电臂经背靠背变流器提供，而A相供电臂负载为零。待机车完全进入中性段后，中性段电压采用如图4所示的调频调相方法，经过一段时间后，中性段电压由Ua变为U β。待机车行驶出中性段时，即到达CG3的位置时，逐步减小背靠背变流器的输出功率，使机车功率逐步由B相供电臂直接提供。最终，VSCa重新进入封锁状态，装置恢复至初始状态。
[0007]综上所述，不断电过电分相方案具有比较优势，其核心技术之一就是相邻桥臂间的调相、调幅(如果两供电臂的电压幅值不相等)，即在电力机车或动车组运行于中性段时，通过参考电压的调整实现逆变器输出电压相位、幅值调整，从而使中性段可以与相应的供电臂实现并联，达到列车柔性通过电分相的目的。现有的相位调整技术是通过变频移相实现的，该方法需要采用两个锁相环而且还存在频率跳变、调频调相时间长等问题，对中性段逆变器供电系统和车载牵引传统有较大冲击。
【发明内容】
[0008]鉴于现有技术的以上缺点，本发明的目的就是针对传统的调频调相存在的缺点，提出了一种新型的相位切换方法，实现逆变器参考电压相位快速调整，具有调相速度快、频率波动范围小、系统无冲击的特点。
[0009]本发明的目的是通过如下的手段实现的。
[0010]一种实现逆变器参考电压相位快速调整的相位切换方法，采用由控制系统控制逆变器给中性段供电实现列车无断电柔性通过电分相，控制系统通过电压传感器及锁相环获得相应供电臂输入电压信号的相位信息并进一步得到相位差Λ Φ，利用相位调整系数Ke系统重构相位幅值调整过程中的参考电压信号，调整过程完成后进行参考电压切换；其具体过程为:
[0011]传感器采集分相两侧接触网的电压信号uA、uB,及列车的位置信号，控制系统通过电压传感器及锁相环获得相应供电臂输入电压信号的相位信息并进一步得到相位差Λ Φ ;进行相位切换时，利用锁相环输出的角度、相位差重构电压信号形成新的参考电压信号U’，其幅值为U’ ?，则重新构造的电压U’为:
[0012]U，= U，msin ( θ ;+Κθ Δ Φ )
[0013]式中，u’ ?为重构电压的幅值；Θ i为供电臂电压相位，i = A，B ;K e为相位调整速度系数，K0= (t-t es)/tea，其中，tes为电压开始调整的时刻，t “为相位调整过程的总时间，Kee [0,1] ;Δ Φ为两个供电臂相位差，Λ Φ = Θ g-0p，其中0g为目标供电臂电压相位，θ p为上一供电臂电压相位幅值；
[0014]当电力机车从供电臂A向B运动，在中性段进行相位幅值调整时，控制器发出指令，重新构造控制系统的参考电压:
[0015]U，= U，msin ( θ Α+Κθ Δ Φ )；
[0016]式中，ΛΦ = θ Β- θ Α；
[0017]当完成过渡过程，也即Ke= 1，将控制系统