四象限整流器组件的控制方法及装置与流程

本发明涉及变流器控制技术，尤其涉及一种四象限整流器组件的控制方法及装置。

背景技术：

电力机车中的牵引系统主要包括：受电弓、主断路器、牵引变压器、四象限脉冲整流器、牵引逆变器、牵引电机和齿轮传传动箱。其中，四象限脉冲整流器作为网侧变流器，其一端与牵引变压器耦合，另一端连接至直流母线，用于在电力机车处于牵引工作状态时将交流电转换为中间直流电，在电力机车处于制动工作状态时将直流电转换为交流电。四象限脉冲整流器具有稳定中间直流电压和控制网侧电流波形的作用，其控制目标是将直流电压保持在允许的偏差范围内，并使网侧电流波形接近正弦波，使网侧功率因数接近1(牵引工况)或者-1(制动工况)。四象限脉冲整流器控制性能的优劣，直接决定着网侧的功率因数和网侧电流波形的好坏。

当电力机车正常运行时，频繁启动、运行、制动的变化，都会导致电网电压频繁大范围波动，造成直流侧电压的波动和交流侧(即：网侧)电流谐波的增大。网侧电流谐波会对牵引系统造成一定的危害，不但降低了牵引系统的效率，而且缩短了各部件的使用寿命。

技术实现要素：

本发明提供一种四象限整流器组件控制方法及装置，用于减少网侧电流谐波。

本发明一方面提供一种四象限整流器组件的控制方法，所述四象限整流器组件包括并联的两个四象限整流器，两个四象限整流器耦合至牵引变压器的次级；

所述控制方法包括：

根据获取到的两个四象限整流器输出的直流电压信号与设定电压信号进行计算，得到电流控制信号；

根据所述电流控制信号与获取到的两个四象限整流器各自输出的电流信号分别进行计算，得到第一调制控制信号和第二调制控制信号；

根据电网电压的相角对所述第一调制控制信号进行信号处理，得到第一整流器控制信号；

根据电网电压的相角对所述第二调制控制信号进行信号处理，得到第二整流器控制信号，所述第二整流器控制信号与第一整流器控制信号载波之间的相角相差90°；所述第一整流器控制信号和第二整流器控制信号分别用于控制两个四象限整流器中开关器件的通断。

如上所述的四象限整流器组件的控制方法，根据获取到的两个四象限整流器输出的直流电压信号与设定电压信号进行计算，得到电流控制信号，包括：

计算获取到的两个四象限整流器输出的直流电压信号与设定电压信号之间的电压差值信号；

对所述电压差值信号进行计算，得到电流控制信号。

如上所述的四象限整流器组件的控制方法，对所述电压差值信号进行计算，包括：

根据第一设定比例参数和第一设定积分参数对所述电压差值信号进行比例积分控制。

如上所述的四象限整流器组件的控制方法，根据所述电流控制信号与获取到的两个四象限整流器各自输出的电流信号分别进行计算，得到第一调制控制信号和第二调制控制信号，包括：

分别计算电流控制信号与获取到的两个四象限整流器各自输出的电流信号之间的两个电流差值信号；

分别对两个电流差值信号进行计算，得到第一调制控制信号和第二调制控制信号。

如上所述的四象限整流器组件的控制方法，分别对两个电流差值信号进行计算，包括：

根据第二设定比例参数和第二设定积分参数分别对两个电流差值信号进行比例积分控制。

如上所述的四象限整流器组件的控制方法，根据电网电压的相角对所述第一调制控制信号进行信号处理，得到第一整流器控制信号，包括：

根据电网电压的相角对所述第一调制控制信号进行调制，得到第一调制信号；

根据所述第一调制信号和第一设定三角载波信号之间的交点生成第一整流器控制信号。

如上所述的四象限整流器组件的控制方法，根据电网电压的相角对所述第二调制控制信号进行信号处理，得到第二整流器控制信号，包括：

根据电网电压的相角对所述第二调制控制信号进行调制，得到第二调制信号；

根据所述第二调制信号和第二设定三角载波信号之间的交点生成第二整流器控制信号。

如上所述的四象限整流器组件的控制方法，所述第一设定三角载波信号与第二设定三角载波信号之间的相角相差90°。

如上所述的四象限整流器组件的控制方法，根据获取到的两个四象限整流器输出的直流电压信号与设定电压信号进行计算之前，还包括：

对获取到的两个四象限整流器输出的直流电压信号进行带阻滤波。

本发明又一方面提供一种四象限整流器组件的控制装置，所述四象限整流器组件包括并联的两个四象限整流器，两个四象限整流器耦合至牵引变压器的次级；

所述控制装置包括：

电流控制信号计算模块，用于根据获取到的两个四象限整流器输出的直流电压信号与设定电压信号进行计算，得到电流控制信号；

调制控制信号计算模块，用于根据所述电流控制信号与获取到的两个四象限整流器各自输出的电流信号分别进行计算，得到第一调制控制信号和第二调制控制信号；

第一信号处理模块，用于根据电网电压的相角对所述第一调制控制信号进行信号处理，得到第一整流器控制信号；

第二信号处理模块，用于根据电网电压的相角对所述第二调制控制信号进行信号处理，得到第二整流器控制信号，所述第二整流器控制信号与第一整流器控制信号载波之间的相角相差90°；所述第一整流器控制信号和第二整流器控制信号分别用于控制两个四象限整流器中开关器件的通断。

本发明提供的技术方案，通过采用两个四象限整流器并联，然后根据获取到的两个四象限整流器输出的直流电压信号与设定电压信号进行计算，得到电流控制信号；根据电流控制信号与获取到的两个四象限整流器各自输出的电流信号分别进行计算，得到第一调制控制信号和第二调制控制信号；根据电网电压的相角对第一调制控制信号进行信号处理，得到第一整流器控制信号；以及根据电网电压的相角对第二调制控制信号进行信号处理，得到第二整流器控制信号，第二整流器控制信号与第一整流器控制信号之间的载波相角相差90°，抵消了部分谐波信号，能够降低牵引变压器初级侧电流的高次谐波，确保了牵引系统的正常运行，且能够延长使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的四象限整流器组件控制方法的流程图；

图2为本发明实施例一提供的四象限整流器组件的结构示意图；

图3为本发明实施例二提供的四象限整流器组件控制方法中对四象限整流器组件输出的直流电压信号进行处理的流程图；

图4为本发明实施例三提供的四象限整流器组件控制方法中对四象限整流器组件输出的电流信号进行处理的流程图；

图5为本发明实施例四提供的四象限整流器组件控制方法中生成第一整流器控制信号的流程图；

图6为本发明实施例四提供的四象限整流器组件控制方法中生成第二整流器控制信号的流程图；

图7为本发明实施例五提供的四象限整流器组件控制方法的控制流程框图；

图8为本发明实施例五提供的四象限整流器组件控制方法中移相原理的信号示意图；

图9为本发明实施例六提供的四象限整流器组件控制方法的流程图；

图10为本发明实施例六提供的四象限整流器组件控制方法中进行带阻滤波的控制框图；

图11为本发明实施例六提供的四象限整流器组件控制方法中进行带阻滤波的幅频和相频特性示意图。

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。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的四象限整流器组件控制方法的流程图，图2为本发明实施例一提供的四象限整流器组件的结构示意图。如图2所示，本实施例提供的四象限整流器组件包括并联的两个四象限整流器，即：第一四象限整流器21和第二四象限整流器22。两个四象限整流器的一端耦合至牵引变压器23的次级，两个四象限整流器的另一端连接至直流母线(图中未示出)。

如图1所示，本实施例提供的四象限整流器组件的控制方法，包括：

步骤10、根据获取到的两个四象限整流器输出的直流电压信号与设定电压信号进行计算，得到电流控制信号。

在步骤10之前，需要获取两个四象限整流器输出的直流电压信号。由于两个四象限整流器并联，则两个四象限整流器输出的直流电压信号完全一致。

然后根据获取到的直流电压信号与设定电压信号进行计算，以得到电流控制信号。其中，计算的方式可以采用现有技术中常用的比较、比例积分微分控制等方式。

步骤20、根据电流控制信号与获取到的两个四象限整流器各自输出的电流信号分别进行计算，得到第一调制控制信号和第二调制控制信号。

在步骤20之前，需要获取两个四象限整流器各自输出的电流信号。

然后根据步骤10得到的电流控制信号与两个电流信号分别进行计算，得到第一调制控制信号和第二调制控制信号。即：对第一四象限整流器21输出的电流信号进行计算，得到第一调制控制信号；对第二四象限整流器22输出的电流信号进行计算，得到第二调制控制信号。

对两个四象限整流器输出的电流信号采用相同的计算方式，计算方式可采用现有技术中常用的比较、比例积分微分控制等方式。

步骤30、根据电网电压的相角对第一调制控制信号进行信号处理，得到第一整流器控制信号。

步骤40、根据电网电压的相角对第二调制控制信号进行信号处理，得到第二整流器控制信号，第二整流器控制信号与第一整流器控制信号之间的载波相角相差90°。

在步骤30和40执行之前，需获取电网电压的相角。

步骤30中，根据电网电压的相角对步骤20中得到的第一调制控制信号进行信号处理，得到第一整流器控制信号。步骤40中，根据电网电压的相角对步骤20中得到的第二调制控制信号进行信号处理，得到第二整流器控制信号。经过信号处理之后，使得第一整流器控制信号与第二整流器控制信号之间的载波相角相差90°。

经过上述步骤30和40之后得到的第一整流器控制信号用于控制第一四象限整流器21中开关器件的通断，以控制第一四象限整流器21输出电压的幅值和输入电流的波形。第二整流器控制信号用于控制第二四象限整流器22中开关器件的通断，以控制第二四象限整流器22输出电压的幅值和输入电流的波形。

本实施例提供的技术方案，通过采用两个四象限整流器并联，然后根据获取到的两个四象限整流器输出的直流电压信号与设定电压信号进行计算，得到电流控制信号；根据电流控制信号与获取到的两个四象限整流器各自输出的电流信号分别进行计算，得到第一调制控制信号和第二调制控制信号；根据电网电压的相角对第一调制控制信号进行信号处理，得到第一整流器控制信号；以及根据电网电压的相角对第二调制控制信号进行信号处理，得到第二整流器控制信号，第二整流器控制信号与第一整流器控制信号之间的载波相角相差90°，抵消了部分谐波信号，能够降低牵引变压器初级侧电流的高次谐波，确保了牵引系统的正常运行，且能够延长使用寿命。

上述实现方式可由技术人员搭建硬件电路来实现，或者也可以采用处理器来实现，通过现有的手段对处理器进行编程，例如：采用数字信号处理(digitalsignalprocessing，简称：dsp)器。

实施例二

本实施例是在上述实施例的基础上，对四象限整流器组件控制方法进行进一步的优化，尤其是对上述步骤10进行进一步的优化。

图3为本发明实施例二提供的四象限整流器组件控制方法中对直流电压信号进行处理的流程图。如图3所示，对于上述步骤10，根据获取到的两个四象限整流器输出的直流电压信号与设定电压信号进行计算，得到电流控制信号，具体可以采用如下方式来实现：

步骤101、计算获取到的两个四象限整流器输出的直流电压信号与设定电压信号之间的电压差值信号。

步骤102、对电压差值信号进行计算，得到电流控制信号。

计算的方式可采用比例积分微分控制(简称pid控制)，本实施例中，根据第一设定比例参数和第一设定积分参数对电压差值信号进行计算，实现比例积分控制。

实施例三

本实施例是在上述实施例的基础上，对四象限整流器组件控制方法进行进一步的优化，尤其是对上述步骤20进行进一步的优化。

图4为本发明实施例三提供的四象限整流器组件控制方法中对四象限整流器组件输出的电流信号进行处理的流程图。如图4所示，对于上述步骤20，根据电流控制信号与获取到的两个四象限整流器各自输出的电流信号分别进行计算，得到第一调制控制信号和第二调制控制信号，具体可采用如下方式来实现：

步骤201、分别计算电流控制信号与获取到的两个四象限整流器各自输出的电流信号之间的两个电流差值信号。

将上述步骤102得到的电流控制信号分别与两个四象限整流器各自输出的电流信号做差，得到两个电流差值信号。

步骤202、分别对两个电流差值信号进行计算，得到第一调制控制信号和第二调制控制信号。

上述计算过程具体可采用比例积分微分处理，本实施例中，根据第二设定比例参数和第二设定积分参数分别对两个电流差值信号进行计算，实现比例积分控制。

实施例四

本实施例是在上述实施例的基础上，对四象限整流器组件控制方法进行进一步的优化，尤其是对上述步骤30和步骤40进行进一步的优化。

图5为本发明实施例四提供的四象限整流器组件控制方法中生成第一整流器控制信号的流程图。如图5所示，上述步骤30，根据电网电压的相角对第一调制控制信号进行信号处理，得到第一整流器控制信号，具体可采用如下方式来实现：

步骤301、根据电网电压的相角对第一调制控制信号进行调制，得到第一调制信号。

该步骤中，根据电网电压的相角对第一调制控制信号进行相位调制，调制后的信号作为第一调制信号。

步骤302、根据第一调制信号和第一设定三角载波信号之间的交点生成第一整流器控制信号。

该步骤中，将第一调制信号与第一设定三角载波信号做比较，将二者之间的交点提取出来，生成第一整流器控制信号。根据第一整流器控制信号对其中一个四象限整流器进行控制，实际上是在交点所在的时刻对四象限整流器中的开关器件的通断进行控制。

图6为本发明实施例四提供的四象限整流器组件控制方法中生成第二整流器控制信号的流程图。如图6所示，上述步骤40具体可采用如下方式来实现：

步骤401、根据电网电压的相角对第二调制控制信号进行调制，得到第二调制信号。

该步骤中，根据电网电压的相角对第二调制控制信号进行相位调制，调制后的信号作为第二调制信号。

步骤402、根据第二调制信号和第二设定三角载波信号之间的交点生成第二整流器控制信号。

该步骤中，将第二调制信号与第二设定三角载波信号做比较，将二者之间的交点提取出来，生成第二整流器控制信号。根据第二整流器控制信号对另一个四象限整流器进行控制，实际上是在交点所在的时刻对四象限整流器中的开关器件的通断进行控制。

上述得到的第一整流器控制信号和第二整流器控制信号之间的载波相角相差90°，具体可通过将第一设定三角载波信号与第二设定三角载波信号之间的相角相差90°，则经过处理得到的第一整流器控制信号和第二整流器控制信号之间的相位相差90°。

实施例五

本实施例是在上述实施例的基础上，对四象限整流器组件控制方法进行进一步的优化。

图7为本发明实施例五提供的四象限整流器组件控制方法的控制流程框图。如图7所示，结合上述几个实施例所提供的技术方案，本实施例所提供的控制方法包括三个部分：电压控制环节、电流控制环节和信号调制环节，上述实施例中的步骤10为电压控制环节，步骤20为电流控制环节，步骤30和40为信号调制环节。

电压控制环节的两个输入端为：四象限整流器输出的直流电压信号udc和设定电压信号udcref。将该两个信号做差得到电压差值信号，然后对电压差值信号进行比例积分控制(简称pi控制)后，得到电流控制信号，使得四象限整流器输出的直流电压信号udc的电压保持在设定电压信号udcref附近。其中，比例积分控制中的第一设定比例参数和第一设定积分参数均可以由技术人员来设定，可根据电力机车牵引系统所需的电压信号的特性来进行设定。

电压控制环节输出的电流控制信号作为电流控制环节的输入信号。电流控制环节包括两部分，分别对应于一个四象限整流器。对于四象限整流器而言，需要对于有功电流和无功电流进行分别控制。

对于其中一个四象限整流器，其电流环节控制分为有功控制和无功控制。具体的，对有功电流进行控制的部分，两个输入信号分别为：电压控制环节输出的电流控制信号idref和获取到的其中一个四象限整流器输出的电流信号id1，将这两个信号做差，得到电流差值信号。然后对电流差值信号进行pi控制处理，得到第一调制控制信号的有功部分md1。对无功电流进行控制的部分，两个输入信号分别为：四象限整流器输出的无功电流iq1以及设定的无功电流值iqref，设定的无功电流值iqref假定为0。将这两个信号做差，得到电流差值信号。然后对电流差值信号进行pi控制处理，得到第一调制控制信号的无功部分mq1。

对于另一个四象限整流器，对有功电流进行控制的部分，两个输入信号分别为：电压控制环节输出的电流控制信号idref和获取到的另一个四象限整流器输出的电流信号id2，将这两个信号做差，得到电流差值信号。然后对电流差值信号进行pi控制处理，得到第二调制控制信号的有功部分md2。对无功电流进行控制的部分，两个输入信号分别为：四象限整流器输出的无功电流iq2以及设定的无功电流值iqref，设定的无功电流值iqref假定为0。将这两个信号做差，得到电流差值信号。然后对电流差值信号进行pi控制处理，得到第二调制控制信号的无功部分mq2。

信号调制环节中，根据电网电压的相角θ对第一调制控制信号中的有功部分md1和无功部分mq1结合进行相位调制，调制后的信号作为第一调制信号m1。以及，根据电网电压的相角θ对第二调制控制信号中的有功部分md2和无功部分mq2结合进行相位调制，调制后的信号作为第二调制信号m2。

然后，将第一调制信号m1与第一设定三角载波信号c1做比较，将二者之间的交点提取出来，生成第一整流器控制信号，第一整流器控制信号为4路控制脉冲。根据第一整流器控制信号对其中一个四象限整流器进行控制，实际上是在交点所在的时刻对四象限整流器中的开关器件的通断进行控制。将第二调制信号m2与第一设定三角载波信号c2做比较，将二者之间的交点提取出来，生成第二整流器控制信号，第二整流器控制信号为4路控制脉冲，以根据第二整流器控制信号对另一个四象限整流器进行控制。

通过两个设定三角载波使上述第一整流器控制信号和第二整流器控制信号之间的相位相差90°，采用载波移相的原理：假设电力机车中包含有n个相对独立的四象限整流器，各四象限整流器采用相同的调制信号，而相应的设定三角载波依次错开一个相同的相位π/n。则能够使得各整流器输入电流的高次谐波相互错开，在保持主电路结构不变且不提高整流器开关频率的前提下减小了四象限整流器组件输出的谐波含量。

对于并联的两台四象限整流器，n等于2，则第一设定三角载波和第二设定三角载波的相位相差π/2。图8为本发明实施例五提供的四象限整流器组件控制方法中移相原理的信号示意图。如图8所示，每个信号周期中，第二个四象限整流器的载波41滞后第一个四象限整流器的载波42的角度为90°，使得两台四象限整流器输入电流的高次谐波的波峰和波谷正好错开，使得高次谐波相互抵消一部分，从而在牵引变压器的初级侧能够得到更接近正弦波的网侧电流波形，减小网侧电流的谐波。

四象限整流器的控制目标是直流电压和网侧电流，要求直流电压平直稳定，网侧电流接近正弦波且网侧功率因数接近1。为了实现这个目标，四象限整流器采用电压外环加电流内环的控制方式。

采用上述技术方案，能够使得两台并联的四象限整流器输出的电流大小相等、电压大小相等，且两台四象限整流器输入的电流幅值相同、相位一致。采用同一个电压控制环节，以保证输出电压平衡，不会在两台四象限整流器中存在环流。上述电流控制环节中，与两台四象限整流器对应的控制参数均相同。

实施例六

本实施例是在上述实施例的基础上，对四象限整流器组件控制方法进行进一步的优化。

图9为本发明实施例六提供的四象限整流器组件控制方法的流程图，图10为本发明实施例六提供的四象限整流器组件控制方法中进行带阻滤波的控制框图。如图9和图10所示，在上述步骤10之前，还包括如下步骤：

步骤50、对获取到的两个四象限整流器输出的直流电压信号进行带阻滤波。

相当于在四象限整流器输出的直流电压信号之后设置一个陷波器(或称：带阻滤波器)，用于滤除特定频率的谐波分量，而不影响其它频段的信号特征。

例如：可采用二阶带阻滤波器，其典型传递函数为：

其中，a0为带阻滤波器的增益，wn为特征角频率，表示带阻滤波器所要滤除的谐波频率，q为等效品质因数，代表带阻滤波器的选频特性。若要滤除直流电压采样值上100hz的信号，将wn设定为200π，a0为1，调整q的大小直至滤波器的性能满足要求。所得到的滤波器的幅频和相频特征如图11所示，图11为本发明实施例六提供的四象限整流器组件控制方法中进行带阻滤波的幅频和相频特性示意图。

在特征频率为100hz处的信号幅值衰减为-23db，而80hz以下的信号的幅值衰减为0db，即：中心频率为100hz的滤波器对电压控制环节的控制性能没有任何影响，仅会滤除直流侧两倍电网频率的纹波，即实现了降低网侧电流的低次谐波。

本实施例提供的技术方案，通过采用两个四象限整流器并联，然后根据获取到的两个四象限整流器输出的直流电压信号与设定电压信号进行计算，得到电流控制信号；根据电流控制信号与获取到的两个四象限整流器各自输出的电流信号分别进行计算，得到第一调制控制信号和第二调制控制信号；根据电网电压的相角对第一调制控制信号进行信号处理，得到第一整流器控制信号；以及根据电网电压的相角对第二调制控制信号进行信号处理，得到第二整流器控制信号，第二整流器控制信号与第一整流器控制信号之间的载波相角相差90°，抵消了部分高次谐波信号，能够降低牵引变压器初级侧电流的高次谐波，确保了牵引系统的正常运行，且能够延长使用寿命。

另外，还采用二阶带阻滤波器滤除了直流信号的二次纹波，减小了网侧电流的低次谐波，减小了四象限整流器组件对供电网的污染，提高了牵引系统的可靠性。

实施例七

本实施例提供一种四象限整流器组件的控制装置，用于对并联的两个四象限整流器进行控制，两个四象限整流器耦合至牵引变压器的次级。

上述控制装置包括：电流控制信号计算模块、调制控制信号计算模块、第一信号处理模块和第二信号处理模块。

其中，电流控制信号计算模块用于根据获取到的两个四象限整流器输出的直流电压信号与设定电压信号进行计算，得到电流控制信号。调制控制信号计算模块用于根据电流控制信号与获取到的两个四象限整流器各自输出的电流信号分别进行计算，得到第一调制控制信号和第二调制控制信号。第一信号处理模块用于根据电网电压的相角对第一调制控制信号进行信号处理，得到第一整流器控制信号。第二信号处理模块用于根据电网电压的相角对第二调制控制信号进行信号处理，得到第二整流器控制信号，第二整流器控制信号与第一整流器控制信号之间的载波相角相差90°；第一整流器控制信号和第二整流器控制信号分别用于控制两个四象限整流器中开关器件的通断。

本实施例提供的技术方案，通过采用两个四象限整流器并联，然后根据获取到的两个四象限整流器输出的直流电压信号与设定电压信号进行计算，得到电流控制信号；根据电流控制信号与获取到的两个四象限整流器各自输出的电流信号分别进行计算，得到第一调制控制信号和第二调制控制信号；根据电网电压的相角对第一调制控制信号进行信号处理，得到第一整流器控制信号；以及根据电网电压的相角对第二调制控制信号进行信号处理，得到第二整流器控制信号，第二整流器控制信号与第一整流器控制信号之间的载波相角相差90°，抵消了部分谐波信号，能够降低牵引变压器初级侧电流的高次谐波，确保了牵引系统的正常运行，且能够延长使用寿命。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：rom、ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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。