[發明專利]電力電子牽引變壓器無鎖相環控制方法

在審

• 申請號: 201911181858.1
• 申請日: 2019-11-27
• 公開（公告）號: CN110854898A
• 公開（公告）日: 2020-02-28
• 發明（設計）人: 帥智康;謝靖言;洪祎;沈霞;黃文;陳燕東;梁玉;陳濤
• 申請（專利權）人: 湖南大學;中車株洲電力機車研究所有限公司
• 主分類號: H02J3/36
• 分類號: H02J3/36;H02J1/02;H02M7/02
• 代理公司: 長沙星耀專利事務所(普通合伙) 43205
• 代理人: 寧星耀

本發明公開了一種電力電子牽引變壓器無鎖相環控制方法，包括信號采集、無鎖相環控制環節、電壓電流雙環控制環節及電壓均衡控制環節，具體地，采集牽引網的網側輸入電壓信號、網側輸入電流信號、直流母線電壓信號，將采集的網側輸入電壓信號經過處理，得到含相位信息的無鎖相環控制信號；將各級直流母線電壓信號處理得到總控制信號，再將各級直流母線電壓信號經電壓均衡控制環節處理，得到各級輸入整流變換器的均壓控制信號；總控制信號與各級輸入整流變換器的均壓控制信號分別相加即得到各級各自的PWM控制器輸入信號。本發明效抑制了牽引網相位波動、頻率偏移、電壓跌落等非理想情況下對直流母線電壓的影響，提高了系統的魯棒性。

技術領域

本發明屬于高速鐵路牽引網系統控制技術領域，涉及一種電力電子牽引變壓器無鎖相環控制方法。

背景技術

中國高速鐵路里程已達2.9萬公里，居世界第一。高速鐵路動車組的高速運行離不開車載的大功率牽引變壓器。現階段廣泛運行的車載牽引變壓器采用工頻變壓器前置，不可避免的帶來重量大、占地空間大等問題，難以滿足下一階段高速鐵路動車組更高功率密度和高效率的要求，因此需要研發一種新型的高速鐵路車載牽引變壓器。考慮到變壓器的體積與工作頻率成反比，因此工作頻率相較傳統變壓器較高的電力電子變壓器在牽引領域受到了極大的關注，其可以將現有工頻牽引變壓器的工作效率從90％左右提高到超過95％。然而，電力電子變壓器目前主要應用在配電領域，而作為高速鐵路動車組的牽引變壓器，將會遇到牽引供電系統中的諸多典型問題：例如動車組運行時所遭遇到牽引網電壓處于非理想情況下引起的電壓驟降、頻率突變和相位波動等，可能會導致變壓器中直流母線電壓的大范圍波動，導致支撐電容等電力電子元器件的損壞。因此為保證其在牽引環境下的正常工作，針對傳統電力電子變壓器的控制方法有待進一步深入研究。

目前，電力電子變壓器的控制方法主要可以分為兩部分：輸入級級聯整流橋的控制以及后級諧振變換器的控制。牽引網的電壓波動通過輸入級級聯整流橋進入電力電子變壓器，因此主要對輸入級進行控制優化，即可以實現對直流母線電壓波動的抑制，也可防止輸入信號的波動對后級環節的影響。輸入級級聯整流橋的控制主要包括雙閉環瞬態控制策略和dq解耦控制方法。為實現高速動車組的快速動態響應，通常會采用雙閉環控制方法。但由于現有控制的相位信息主要通過鎖相環模塊實時采集，無法抑制相位波動對控制環節帶來的影響。并且傳統鎖相環模塊的過零點檢測也受到影響，當電壓受到干擾時，無法獲得實時相位。此外，除了直接相位波動之外，頻率偏差還會影響相位跟蹤性能以及額外的相位偏差。

輸入級的控制目標有以下兩點：

(1)維持輸出各級直流母線電壓均衡分配、并且波動幅值在一定程度范圍內；

(2)實現單位功率因數運行，即實現電流對電壓信號的準確跟蹤。

針對牽引網電壓處于非理想情況下時，即牽引網電壓幅值、頻率、相位等參數出現一個或者多個同時突變的情況下，解決的技術路線主要有以下這幾種：在牽引網層面進行電能質量優化控制、在高速機車的輸入側增加無功補償裝置以及針對控制環節進行優化改進如無鎖相環控制。前兩者的投入過大，且不便于實施。本發明提供一種無鎖相環控制，消除了傳統鎖相環輸出相位信息在牽引網電壓處于非理想情況下所產生的延時，而導致直流母線電壓波動及無法單位功率因數運行問題。

發明內容

為實現上述目的，本發明提供一種電力電子牽引變壓器無鎖相環控制方法，效抑制了牽引網相位波動、頻率偏移、電壓跌落等非理想情況下對直流母線電壓的影響，并保持電力電子牽引變壓器維持在期望的單位功率因數運行，提高了系統的魯棒性，同時在遇到擾動時能迅速恢復單位功率因數運行，實現快速響應。

本發明所采用的技術方案是，電力電子牽引變壓器無鎖相環控制方法，包括信號采集、無鎖相環控制環節、電壓電流雙環控制環節及電壓均衡控制環節，所述電壓電流雙環控制環節分為電壓控制環節、電流控制環節，其中：