专利名称：一种辅助变流器及其并联控制方法
技术领域：
本发明涉及一种列车设备，特别地，涉及一种高速动车组辅助变流器及其并联控制方法。
背景技术：
高速动车组上的辅助变流器是将牵引变流器中间环节的3000伏(V)直流电逆变为3相440V、60赫兹(Hz)的交流电并向高速动车组上的三相负载和充电机等供电的电力电子设备。辅助变流器是高速动车组上的主要供电设备，关系着高速动车组的运行性能，要求供电功率大，可靠性高，因此提高供电电源的可行性非常重要。
大功率辅助变流器供电系统有二种构成方式一是采用单台大功率辅助变流器集中供电，二是采用每节车厢安装一台辅助变流器对本车厢供电。单台大功率辅助变流器集中供电系统存在以下缺点一是大功率变流器的成本高；二是体积、重量大，安装困难；三是可靠性差，单点故障就会使系统瘫痪。每节车厢安装一台辅助变流器对本车厢供电，使得系统安装复杂，可靠性差。
现有辅助变流器也存在着很大的缺点。辅助变流器输出的是时变和正负交替变化的正弦波，并联时需要同时控制输出正弦波同幅值、同频率、同相位、和同相序。在并联系统中，如果辅助变流器输出的正弦波是同幅值、同频率、同相位的，但相序不相同，则无法实现并联。如果辅助变流器输出的正弦波是同幅值、同频率、和同相序的，但是存在相位差，那么部分辅助变流器工作在整流状态，形成较大的环流。如果辅助变流器输出的正弦波是同相位、同频率、和同相序的，但是幅值不同，那么部分辅助变流器既向负载供电，又向其它辅助变流器供电。另外，即使辅助变流器输出的正弦波同幅值、同频率、同相位、和同相序，但各自输出的正弦波谐波含量存在差异，这时各个辅助变流器之间存在谐波环流。因此辅助变流器并联系统的控制和设计相当复杂。目前，技术上迫切需要一种可靠的适于应用的变流器技术。发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，根据本发明的一个方面，提出I、一种辅助变流器，包括逆变器，将直流电转换成交流电；以及辅助变流器输出控制装置，对所述逆变器的输出进行采样、处理，并结合并联母线的输出电压采样信息，控制所述逆变器的器的输出电压。
进一步地，如上所述的辅助变流器，其中所述辅助变流器输出控制装置包括信号采样处理模块，其对输入到核心控制芯片内的模拟信号进行周期性地采样过程，把随时间连续变化的信号转换成在时间上断续、在幅度上等于采样时间内模拟信号大小的一串脉冲；以及幅值和频率给定模块，根据信号采样处理模块的结果，给定输出交流信号的幅值和频率。
进一步地，如上所述的辅助变流器，其中所述辅助变流器输出控制装置包括静止坐标变换模块，其把采样得到的三相输出电压、电流和交流母线电压做坐标变换得到两相坐标系下的电压和电流值；旋转坐标变换模块，其把通过静止坐标变换后的电压和电流值做坐标变换得到相对静止的直流量；以及反旋转坐标变换模块。把相对静止的直流信号通过坐标变换生成两相交流信号。
进一步地，如上所述的辅助变流器，其中所述辅助变流器输出控制装置包括相序检测模块，其通过检测并联辅助变流器三相正弦交流母线的相序，决定自身产生的正弦波的相序；以及锁相环模块，其通过检测并联辅助变流器交流母线的频率和相位，实现单台辅助变流器对并联交流母线相位和频率的跟踪。
进一步地，如上所述的辅助变流器，其中所述辅助变流器输出控制装置包括功率计算模块，其采样自身辅助变流器模块的输出电压和输出电流，通过功率运算算法求得输出的有功功率和无功功率；以及功率滤波模块，其对通过功率运算求得的有功功率和无功功率进行滤波，得到输出有功功率滤波值和无功功率滤波值。
进一步地，如上所述的辅助变流器，其中所述辅助变流器输出控制装置包括电压环调节模块。采用增量式数字比例一积分调节模块调节输出电压，使其能稳定达到给定的输出电压值，以及电流环调节环模块。采用增量式数字比例一积分调节模块调节输出滤波电感电流。
进一步地，如上所述的辅助变流器，其中所述辅助变流器输出控制装置包括空间矢量脉宽调制波发生模块。利用辅助变流器的输出电压的时间组合，形成多边形电压矢量轨迹，使辅助变流器输出的电压矢量更加接近圆形，并最终获得正弦输出电压波形。
根据本发明的另一个方面，提出一种辅助变流控制系统，包括多个如上所述的辅助变流器；直流输入母线；以及交流输出母线。
根据本发明的另一个方面，提出一种辅助变流器并联控制方法，包含以下步骤 在所述多个辅助变流器的每一个辅助变流器中，采样本辅助变流器的输入电压、输出电压、 输出电流和输出交流母线的电压；以及控制所述逆变器的器的输出电压，以实现多个辅助变流器的并联控制。
进一步地，如上所述的辅助变流器并联控制方法，包括在所述每一个辅助变流器中，通过锁相环检测输出交流母线的相位，通过控制使本辅助变流器的输出电压相位与输出交流母线的电压相位相同；在所述每一个辅助变流器中，利用静止坐标变换使本辅助变流器的输出三相交流电压转换成两相交流电压；以及在所述每一个辅助变流器中，利用旋转坐标变换使两相交流电压转换成直流电。
进一步地，如上所述的辅助变流器并联控制方法，包括在所述每一个辅助变流器中，计算本辅助变流器的输出有功功率和无功功率；在所述每一个辅助变流器中，对本辅助变流器的瞬时输出有功功率和无功功率进行滤波处理等到输出有功功率的滤波值和无功功率的滤波值；以及在所述每一个辅助变流器中，利用本辅助变流器的瞬时输出有功功率滤波值和无功功率滤波值，通过下垂计算得到本辅助变流器的瞬时输出电压给定值和相位给定值。
进一步地，如上所述的辅助变流器并联控制方法，包括根据输出电压给定值的瞬时值以及辅助变流器输出电压的反馈量的差值，通过比例积分控制得到一输出值，该电压调节的输出值作为电流调节的给定信号；以及根据电流调节的给定值以及辅助变流器输出电流的反馈量的差值，通过比例积分控制得到一输出值。
进一步地，如上所述的辅助变流器并联控制方法，包括根据电流调节器的输出值，作反旋转坐标变换使直流信号变换成两相交流信号；以及
根据两相交流信号，通过空间矢量脉宽调制波发生环节，产生调节辅助变流器输出电压的控制信号SVPWM脉冲。
本发明专利提供了一种辅助变流器并联控制方法可以解决单台大功率辅助变流器集中供电和每节车厢安装一台辅助变流器供电所存在的问题，实现冗余供电，提高辅助供电电源的可靠性和可维修性。多个辅助变流器并联供电，每个辅助变流器平均承担供电功率，从根本上解决了供电的可靠性，降低了成本，便于扩展容量，有利于缩短生产和研制周期。
下面，将结合附图对本发明的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中
图1是根据本发明的一个实施例的辅助变流器并联控制系统的结构示意图2是根据本发明的一个实施例的辅助变流器的结构示意图 以及
图3是根据本发明的一个实施例的辅助变流器并联控制方法的流程示意图；以及
图4是两台不同容量逆变器的频率和电压调节特性。
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。
本发明的设计构思是在辅助变流器并联系统中，各个辅助变流器对当前辅助变流器的输出进行采样、处理，并结合并联母线的输出电压采样信息，通过计算处理得出对当前辅助变流器的输出控制量。在本发明中，各辅助变流器之间无信息交换。
本发明的辅助变流器并联控制方法，通过检测其它辅助变流器输出的电压和当前自身的输出电压以及电流，从而能够与其它辅助变流器实现均流，共同承担负载功率，实现并联工作。
与本发明的方法相对应，本发明还提供一种的辅助变流器可以采用本发明的方法，在辅助变流器并联系统中控制各个辅助变流器的输出电压幅值、相位、频率和相序，以对负载进行均分。
图1为本发明一实施例提供的辅助变流器及其控制系统的结构示意图。如图1所示，辅助变流器并联系统100包含多个辅助变流器，例如辅助变流器I、辅助变流器2……、 辅助变流器η。每个辅助变流器包括一个逆变器，其从直流母线Vin接收高压直流电，并将其转化为交流电输出(Vwt，Iout)0从逆变器输出的交流电经过输出接触器后输出到交流母线，以向负载提供电力。每个辅助变流器都包括一个控制单元，这些控制单元互不相连，无信息交换。辅助变流器的控制单元从辅助变流器的输出和母线中采样，并对采样信息进行处理后，产生控制信号，并进一步根据控制信号生成SVPWM控制信号，重新调整辅助变流器输出电压的幅值，相位，频率，以实现与其它辅助变流器的并联。
图2为本发明一实施例提供的单个支路的辅助变流器的结构示意图。如图2所示， 辅助变流器的控制单元包括以下模块
一一信号采样处理模块。对输入到核心控制芯片内的模拟信号进行周期性地采样过程，把随时间连续变化的信号转换成在时间上断续、在幅度上等于采样时间内模拟信号大小的一串脉冲。首先是每次连续多次采样，再把最大值和最小值去除掉，防止采样到信号的尖峰，然后再把其余的采样信号作平均化处理，取其平均值，这样采样能最大程度的不失真地恢复原模拟信号。米样对象包括输入电压，输入电流，输出电压，输出电流，以及输出交流母线电压。根据本发明的一个实施例，采样方法可以包括如下步骤首先采用电压传感器或电流传感器，将实际电压或实际电流转换成低压的电压或电流信号，其次将电压或电流信号通过分压、跟随采样调理电路将电压或电流信号转换成合适的信号送入到控制器中，再在控制器中将采样得到的信号存储到数组中，数组中存储有多次采样的值，最后每次计算时把数组中最大值和最小值去除掉，然后再把其余的采样信号作平均化处理，取其平均值，即得到采样值。每次把最新采样得到的信号存储到数组中，把最先采样得到的信号去除掉。
一一静止坐标变换模块。采用如下公式把采样得到的三相输出电压、电流和交流母线电压做坐标变换得到两相坐标系下的电压和电流值。
权利要求
1.一种辅助变流器，包括 逆变器，将直流电转换成交流电；以及 辅助变流器输出控制装置，对所述逆变器的输出进行采样、处理，并结合并联母线的输出电压采样信息，控制所述逆变器的器的输出电压。
2.根据权利要求I所述的辅助变流器，其中所述辅助变流器输出控制装置包括 信号采样处理模块，其对输入到核心控制芯片内的模拟信号进行周期性地采样过程，把随时间连续变化的信号转换成在时间上断续、在幅度上等于采样时间内模拟信号大小的一串脉冲；以及 幅值和频率给定模块，根据信号采样处理模块的结果，给定输出交流信号的幅值和频率。
3.根据权利要求I所述的辅助变流器，其中所述辅助变流器输出控制装置包括 静止坐标变换模块，其把采样得到的三相输出电压、电流和交流母线电压做坐标变换得到两相坐标系下的电压和电流值；以及 旋转坐标变换模块，其把通过静止坐标变换后的电压和电流值做坐标变换得到相对静止的直流量；以及 反旋转坐标变换模块。把相对静止的直流信号通过坐标变换生成两相交流信号。
4.根据权利要求I所述的辅助变流器，其中所述辅助变流器输出控制装置包括 相序检测模块，其通过检测并联辅助变流器三相正弦交流母线的相序，决定自身产生的正弦波的相序；以及 锁相环模块，其通过检测并联辅助变流器交流母线的频率和相位，实现单台辅助变流器对并联交流母线相位和频率的跟踪。
5.根据权利要求I所述的辅助变流器，其中所述辅助变流器输出控制装置包括 功率计算模块，其采样自身辅助变流器模块的输出电压和输出电流，通过功率运算算法求得输出的有功功率和无功功率；以及 功率滤波模块，其对通过功率运算求得的有功功率和无功功率进行滤波，得到输出有功功率滤波值和无功功率滤波值。
6.根据权利要求I所述的辅助变流器，其中所述辅助变流器输出控制装置包括 电压环调节模块。采用增量式数字比例一积分调节模块调节输出电压，使其能稳定达到给定的输出电压值，以及 电流环调节环模块。采用增量式数字比例一积分调节模块调节输出滤波电感电流。
7.根据权利要求I所述的辅助变流器，其中所述辅助变流器输出控制装置包括 空间矢量脉宽调制波发生模块。利用辅助变流器的输出电压的时间组合，形成多边形电压矢量轨迹，使辅助变流器输出的电压矢量更加接近圆形，并最终获得正弦输出电压波形。
8.一种辅助变流控制系统，包括 多个如权利要求I所述的辅助变流器； 直流输入母线；以及 交流输出母线。
9.一种辅助变流器并联控制方法，包含以下步骤在所述多个辅助变流器的每一个辅助变流器中，采样本辅助变流器的输入电压、输出电压、输出电流和输出交流母线的电压；以及 控制所述逆变器的器的输出电压，以实现多个辅助变流器的并联控制。
10.如根据权利要求9所述的辅助变流器并联控制方法，包括 在所述每一个辅助变流器中，通过锁相环检测输出交流母线的相位，通过控制使本辅助变流器的输出电压相位与输出交流母线的电压相位相同； 在所述每一个辅助变流器中，利用静止坐标变换使本辅助变流器的输出三相交流电压转换成两相交流电压；以及 在所述每一个辅助变流器中，利用旋转坐标变换使两相交流电压转换成直流电。
11.如根据权利要求10所述的辅助变流器并联控制方法，包括 在所述每一个辅助变流器中，计算本辅助变流器的输出有功功率和无功功率； 在所述每一个辅助变流器中，对本辅助变流器的瞬时输出有功功率和无功功率进行滤波处理等到输出有功功率的滤波值和无功功率的滤波值；以及 在所述每一个辅助变流器中，利用本辅助变流器的瞬时输出有功功率滤波值和无功功率滤波值，通过下垂计算得到本辅助变流器的瞬时输出电压给定值和相位给定值。
12.如根据权利要求11所述的辅助变流器并联控制方法，包括 根据输出电压给定值的瞬时值以及辅助变流器输出电压的反馈量的差值，通过比例积分控制得到一输出值，该电压调节的输出值作为电流调节的给定信号；以及 根据电流调节的给定值以及辅助变流器输出电流的反馈量的差值，通过比例积分控制得到一输出值。
13.如根据权利要求12所述的辅助变流器并联控制方法，包括 根据电流调节器的输出值，作反旋转坐标变换使直流信号变换成两相交流信号；以及根据两相交流信号，通过空间矢量脉宽调制波发生环节，产生调节辅助变流器输出电压的控制信号SVPWM脉冲。
全文摘要
一种辅助变流器，包括逆变器，将直流电转换成交流电；以及辅助变流器输出控制装置，对所述逆变器的输出进行采样、处理，并结合并联母线的输出电压采样信息，控制所述逆变器的器的输出电压。该辅助变流器适于机车、动车组、地铁和城际列车的应用。
文档编号H02J3/38GK102983620SQ20121041799
公开日2013年3月20日 申请日期2012年10月26日 优先权日2012年10月26日
发明者姜雪松, 马颖涛, 王永翔, 杨宁 申请人:中国铁道科学研究院机车车辆研究所, 北京纵横机电技术开发公司