一种整流器多重化控制方法与流程

本发明涉及整流器技术领域，具体的说，涉及一种整流器多重化控制方法。

背景技术：

随着我国铁路事业的飞速发展，大量交流传动方式的电力机车和电动车组已经投入使用，电力机车、电动车组均普遍采用交-直-交变流技术以驱动交流电机。而作为车载变流器的交-直环节，整流器基于功率扩容、谐波抑制以及系统可靠性等方面的考虑，普遍采用多个整流器并联的多重化方案。

目前的整流器多重化控制普遍采用了载波移相SPWM技术，在载波移相的基础上，使用统一的电压环、各重独立的电流环控制方法。采用载波移相SPWM技术解决了功率器件开关频率与容量之间的矛盾，它通过较低次谐波的相互抵消得到较高的等效开关频率，能够一定程度上减小整流器网侧电流的特征次谐波。

但是随着铁路行业对列车网侧性能越来越严格的要求，现有的控制技术的缺点也越来越明显，由于每重整流器输入电流的特征次谐波较大，经过各重电流环控制后，计算生成的调制波含有的谐波较大，因此每重变流器的调制波的基波相同，但含有较大的特征次谐波，且谐波的相角不同导致同一时刻的每重调制波不同，在此情况下采用载波移相，PWM脉冲按照设定移相角度均匀分布会受到谐波影响而出现随机性的偏移，因而多重整流器输入电流的特征次谐波就难以充分抵消，使得网侧电流的谐波性能不理想。同时，含谐波的调制波通过SPWM调制，输出的PWM脉冲也含有较大特征次谐波，因而，现有的控制方法容易出现电网谐振现象。

因此，亟需一种能够降低整流器网侧电流的谐波，并且抑制电网谐振的整流器多重化控制方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种整流器多重化控制方法，以解决在现有的控制方 法控制下整流器网侧谐波性能不理想以及容易出现电网谐振现象的技术问题。

本发明提供一种整流器多重化控制方法，该方法包括：

根据所述多个整流器的直流电压和设定电压获得设定电流和电压控制信号；

对所述多个整流器的输入电流进行谐波抑制处理，并根据处理后的信号与设定电流获得电流控制信号；

基于所述电压控制信号和所述电流控制信号以及电网电压生成调制波；

根据所述调制波进行载波移相SPWM调制生成脉冲信号对所述多个整流器进行控制。

在对输入电流进行谐波抑制处理的步骤中包括：

对所述多个整流器的输入电流进行求均值处理和/或滤波处理。

在对所述多个整流器的输入电流进行求均值处理的步骤中包括：

将整流器的输入电流与该整流器功率占多个整流器总功率的比重相乘获得比重电流信号；

将多个所述整流器的比重电流信号相加获得平均电流信号。

在对所述多个整流器的输入电流进行求均值处理的步骤中包括：

若多个所述整流器的功率相同，则对所述多个整流器的输入电流求平均值获得平均电流信号。

滤波处理采用能够较大幅度的消减电流的特征次谐波，且对电流基波和低次谐波影响很小的滤波方式。

对输入电流进行谐波抑制处理并根据处理后的信号与设定电流获得电流控制信号的步骤中包括：

对所述多个整流器的输入电流进行求均值处理获得平均电流信号；

对所述平均电流信号进行滤波处理获得均值滤波电流信号；

基于设定电流和网压相位获得设定电流瞬时量；

基于所述均值滤波电流信号和所述设定电流瞬时量进行比例调节获得电流控制信号。

在获得电压控制信号的步骤中包括：

将所述直流电压和所述设定电压相减获得电压误差信号；

基于所述电压误差信号进行比例积分调节生成所述设定电流；

将所述设定电流与为整流器供电的变压器的次边回路电感阻抗和电网电压 相位余弦值相乘获得电压控制信号。

在生成调制波的步骤中包括：

将电网电压信号乘以为整流器供电的变压器变比的倒数获得网压参考信号；

将网压参考信号减去电压参考信号和电流控制信号生成调制波。

在基于所述均值滤波电流信号和所述设定电流进行比例调节获得电流控制信号的步骤中包括：

基于所述设定电流与电网电压相位正弦值的乘积减去所述均值滤波电流信号所获得的差值进行比例调节获得电流控制信号。

本发明提供的整流器多重化控制方法对各重四象限输入电流进行了取均值处理，将多个电流信号整合成一个电流信号，减小了电流信号的单重特征次谐波。然后进行滤波的处理，基本上消除了将整流器输入电流信号的谐波引入电流环控制的现象。多个整流器的控制采用统一的电压环和共用的电流环，得到了一个各重整流器共用的含谐波很小的调制波。在此调制波基础上，进行载波移相，避免了由于调制波谐波较大导致的调制生成的PWM脉冲难以均匀分布的问题。因此，基于均值及滤波的整流器多重化控制的PWM脉冲能很好的均匀分布，充分的发挥了载波移相的功能，能明显降低网侧电流总谐波失真THD，使网侧电流的谐波性能提升。并且不管输入信号的谐波情况如何，通过电流均值和滤波，阻止了谐波进入控制，切断了构成电网谐振的谐波正反馈环节，从而抑制电网谐振。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是本发明实施例提供的整流器多重化控制方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的整流器多重化控制原理示意图；

图3是本发明实施例提供的电流环控制原理示意图；

图4是本发明实施例提供的陷波器控制原理示意图；

图5是传统的多重化控制方法生成的调制波示意图；

图6是本发明实施例提供的多重化控制方法生成的调制波示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

本发明实施例提供了一种整流器多重化控制方法，如图1所示，该方法包括步骤101、步骤102、步骤103以及步骤104。其中，在步骤101中，对多个整流器采用统一的电压环控制，根据多个整流器的直流电压和设定电压获得设定电流和电压控制信号。在步骤102中，对多个整流器采用统一的电流环控制，对多个整流器的输入电流进行谐波抑制处理，并根据处理后的信号与设定电流获得电流控制信号。谐波抑制处理的目的在于有效的消除多个整流器输入电流中的特征次谐波，使得经电流环控制生成的调制波中特征次谐波大大减少。并且不管输入信号的谐波情况如何，通过对输入电流进行谐波抑制处理，阻止了谐波进入电流环控制，切断了构成电网谐振的谐波正反馈环节，从而抑制电网谐振。在步骤103中，在电压环和电流环控制下形成调制波，即基于电压控制信号和电流控制信号以及电网电压生成调制波。在步骤104中，根据调制波进行载波移相SPWM调制生成脉冲信号对多个整流器进行控制。

进一步的，在对输入电流进行谐波抑制处理的步骤102中包括：对多个整流器的输入电流进行求均值处理和/或滤波处理。在本发明实施例中采用对多个整流器的输入电流求均值然后进行滤波的方式实现对于多个整流器的输入电流中的特征次谐波的消除。当然，也可以单独采用对多个整流器输入电流求均值的方式，或单独采用对多个整流器输入电流滤波的方式，或采用对多个整流器输入电流先进行滤波后求均值的方式实现对于特征次谐波的消除，上述方式属于功能弱化的替代方案，均在本发明的保护范围之内。

在本发明实施例中，以常见的车载四象限整流器系统为例对本发明提供的方法进行详细的说明，在该系统中，列车的受电弓从电网取电，接到牵引变压器的一次侧(供电网侧)绕组。牵引变压器的每个二次侧绕组分别接四象限模块的交流输入侧。若干个四象限模块的直流侧并联在一起，共同给逆变器进行供电。本发 明提供的控制方法对于适用的四象限整流器多重化的个数没有特殊限制，在本实施例中为了便于阐述分析，以两重四象限并联方案为例进行介绍。

如图2所示，本发明提供的控制方法通过统一的电压和电流双闭环的方式形成调制波Un，基于调制波Un进行载波移相SPWM调制生成脉冲信号对多个四象限整流器1进行控制。电流环将多个整流器的输入电流整合成为一个电流信号，即对两重四象限整流器的输入电流In1和In2进行统一的谐波抑制处理，并基于处理后的均值滤波电流信号形成电流控制信号Itg。

在本发明的一个实施方式中，在获得电压控制信号的步骤中包括：首先将直流电压和设定电压相减获得电压误差信号。然后，基于电压误差信号进行比例积分调节生成设定电流，将所设定电流与wL系数(为整流器供电的变压器的次边回路电感阻抗)和电网电压相位余弦值相乘获得电压控制信号。

设定电压即为直流电压设定值，其根据整流器应用场合的负载所需的电压等级设置。直流电压Ud由电压传感器测量得到模拟量信号，再使用AD采样电路将其转化为数字量信号。将直流电压和设定电压相减，得到电压误差信号，对误差信号进行比例调节和积分调节控制生成设定电流。电压环主要作用是避免电压偏离设定值，稳定直流电压。考虑到系统在发生异常情况时，直流电压一直异常，会导致PI控制输出值一直增加或一直减小，对PI控制输出值进行限制，将设定电流值Iset限制在系统允许的范围内。对于车载的四象限变流器多重化，一般若干个四象限变流器的直流侧均并联在一起，共同提供直流电能，因而本发明提供的控制方案采取统一的电压环，保证了各重四象限变流器输入电流的基波一致。

进一步的，如图3所示，电流环生成电流控制信号的步骤中包括：首先，对所述多个整流器的输入电流进行求均值处理获得平均电流信号，即对两重四象限整流器的输入电流In1和In2进行求均值处理获得平均电流信号Iavg，对所述平均电流信号Iavg进行滤波处理获得均值滤波电流信号Infil。然后，基于设定电流Iset和网压相位获得设定电流瞬时量，即将设定电流Iset与网压相位正弦值sinθ相乘得到设定电流瞬时量，并基于均值滤波电流信号Infil和设定电流瞬时量进行比例调节获得电流控制信号Itg，具体是将电流给定值瞬时量与均值滤波电流信号相减得到电流偏差，然后进行比例控制。

本发明提供的控制方法在电流环控制中对多重四象限整流器输入电流进行取均值和滤波处理，将多个四象限整流器输入电流信号合成一个均值滤波电流信 号，其中对多个整流器的输入电流进行求均值处理的步骤具体为：将整流器的输入电流与该整流器功率占多个整流器总功率的比重相乘获得比重电流信号，将多个整流器的比重电流信号相加获得平均电流信号。在普遍的四象限整流器多重化控制中，往往存在每重四象限整流器的功率分配不同的情况，即四象限整流器输入电流的基波大小不同。平均电流Iavg需根据每重四象限变流器功率占总功率的比重，按照各重四象限变流器输入电流乘以相对应的比重，然后求和的方式得到。平均电流Iavg中的特征次谐波急剧减少。

可选的，若多个四象限整流器的功率相同，即每重四象限变流器的输入电流的基波相同，则直接对多个四象限整流器的输入电流求平均值获得平均电流信号Iavg。对于存在网侧电流传感器的多重四象限整流器系统，网侧电流If就是各重四象限整流器输入电流之和，因此平均电流Iavg可以直接用网侧电流If除以四象限整流器个数N得到。

采用求输入电流平均值消除特征次谐波的原理推导如下：假设各重变流器输入电流均是由基波电流和某个单次谐波电流组成，采用了载波移相，则第k重电流i_k可表示为：

式1

其中i_b表示基波电流瞬时值，I_h表示谐波电流峰值，ω_h表示谐波电流角频率，N表示四象限的总重数。

利用三角函数公式推导式1可得：

式2

由于各重变流器平均电流i_avg可表示为：

式3

因此，将式2带入式3即有式4：

由于和分别是均匀分布在坐标系上的N个向量在x轴和y轴上的投影，其在x轴和y轴上的投影之和均为零。因而可得：

可见，i_avg＝i_b，平均电流i_avg等于基波电流瞬时值i_b，平均电流i_avg中已经消除了谐波电流的影响。由于采用了载波移相技术，各重四象限输入电流的特征次谐波的相位均匀分布在2π周期内。通过取均值处理，将单重的特征次谐波相互叠加抵消，使得平均电流信号Iavg包含的单重特征次谐波急剧减少。

进一步的，由于通过取均值处理，平均电流信号Iavg仍然包含一定的四象限整流器多重化的特征次谐波。针对此谐波，采用数字滤波器滤除此多重化特征次谐波，生成均值电流滤波信号Infil，使得电流环的输入信号所含谐波进一步减少。由于滤波处理的意义是为了尽量消除特征次谐波，但基本不影响到基波和低次谐波。因此滤波处理采用能够较大幅度的消减电流的特征次谐波，而对电流基波和低次谐波影响很小的各种滤波器方式，其中以陷波器的效果最佳，但采用其它滤波方式例如低通滤波，也能基本上达到较好的效果。

采用陷波器进行滤波能够针对性的对较窄频段的谐波产生很大抑制作用，而对其它频段影响较小，具有响应快、对基波相位和幅值影响小等特点。其具体的实现方式如图4所示。其中延时模块是输出端保留输入端上一个周期的值。滤波器的系数m1，m2，m3根据采样频率和需滤除的频率决定具体取值。平均电流信号Iavg通过陷波器处理后生成均值电流滤波信号Infil，进一步减少了信号中的特征次谐波。

进一步的，在本发明实施例中，生成调制波的步骤中包括：将电网电压信号乘以Kvs系数(为整流器供电的变压器变比的倒数)获得网压参考信号。然后，将网压参考信号减去电压参考信号和电流控制信号生成调制波。如图2所示，根据整流电路特性，利用电网网压及其相位、电压环输出、电流环输出，可以得到所需的调制波Un。进而通过调制波Un对四象限整流器的各重载波进行载波移相，使得每重载波之间间隔均匀。将调制波Un与载波进行比较，得到每重四象限相应的PWM脉冲。

传统的控制方法根据整流器的重数采用多重电流环控制形成多个调制波，以两重四象限整流器系统为例，如图5所示，两重四象限整流器的输入电流为In1和In2，两重四象限整流器的调制波为Un1和Un2，三角载波为Uc3和Uc4。由 于输入电流In1和In2中的特征次谐波较大，导致进入电流环控制形成的两重调制波Un1和Un2中谐波也较大，且谐波相角不同导致同一时刻的Un1和Un2不同，使得PWM脉冲按照设定移相角度均匀分布出现随机性偏移，谐波性能不理想。

采用本发明实施例提供的控制方法对多重整流器采用统一的电流环并进行求均值和滤波处理后调制波和载波情况如图6所示，两重四象限整流器的输入电流为In1和In2，调制波为Un，三角载波为Uc1和Uc2。可见经过统一的求均值和滤波处理由经电流环生成的调制波Un已经基本消除输入电流In1和In2中的谐波影响。

本发明提供的整流器多重化控制方法对各重四象限输入电流进行了取均值处理，将多个电流信号整合成一个电流信号，减小了电流信号的单重特征次谐波。然后进行滤波的处理，基本上消除了将整流器输入电流信号的谐波引入电流环控制的现象。多个整流器的控制采用统一的电压环和共用的电流环，得到了一个各重整流器共用的含谐波很小的调制波。在此调制波基础上，进行载波移相，避免了由于调制波谐波较大导致的调制生成的PWM脉冲难以均匀分布的问题。因此，基于均值及滤波的整流器多重化控制的PWM脉冲能很好的均匀分布，充分的发挥了载波移相的功能，能明显降低网侧电流总谐波失真THD，使网侧电流的谐波性能提升。并且不管输入信号的谐波情况如何，通过电流均值和滤波，阻止了谐波进入控制，切断了构成电网谐振的谐波正反馈环节，从而抑制电网谐振。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。