[发明专利]电力电子牵引变压器无锁相环控制方法

说明书

本发明公开了一种电力电子牵引变压器无锁相环控制方法，包括信号采集、无锁相环控制环节、电压电流双环控制环节及电压均衡控制环节，具体地，采集牵引网的网侧输入电压信号、网侧输入电流信号、直流母线电压信号，将采集的网侧输入电压信号经过处理，得到含相位信息的无锁相环控制信号；将各级直流母线电压信号处理得到总控制信号，再将各级直流母线电压信号经电压均衡控制环节处理，得到各级输入整流变换器的均压控制信号；总控制信号与各级输入整流变换器的均压控制信号分别相加即得到各级各自的PWM控制器输入信号。本发明效抑制了牵引网相位波动、频率偏移、电压跌落等非理想情况下对直流母线电压的影响，提高了系统的鲁棒性。

技术领域

本发明属于高速铁路牵引网系统控制技术领域，涉及一种电力电子牵引变压器无锁相环控制方法。

背景技术

中国高速铁路里程已达2.9万公里，居世界第一。高速铁路动车组的高速运行离不开车载的大功率牵引变压器。现阶段广泛运行的车载牵引变压器采用工频变压器前置，不可避免的带来重量大、占地空间大等问题，难以满足下一阶段高速铁路动车组更高功率密度和高效率的要求，因此需要研发一种新型的高速铁路车载牵引变压器。考虑到变压器的体积与工作频率成反比，因此工作频率相较传统变压器较高的电力电子变压器在牵引领域受到了极大的关注，其可以将现有工频牵引变压器的工作效率从90％左右提高到超过95％。然而，电力电子变压器目前主要应用在配电领域，而作为高速铁路动车组的牵引变压器，将会遇到牵引供电系统中的诸多典型问题：例如动车组运行时所遭遇到牵引网电压处于非理想情况下引起的电压骤降、频率突变和相位波动等，可能会导致变压器中直流母线电压的大范围波动，导致支撑电容等电力电子元器件的损坏。因此为保证其在牵引环境下的正常工作，针对传统电力电子变压器的控制方法有待进一步深入研究。

目前，电力电子变压器的控制方法主要可以分为两部分：输入级级联整流桥的控制以及后级谐振变换器的控制。牵引网的电压波动通过输入级级联整流桥进入电力电子变压器，因此主要对输入级进行控制优化，即可以实现对直流母线电压波动的抑制，也可防止输入信号的波动对后级环节的影响。输入级级联整流桥的控制主要包括双闭环瞬态控制策略和dq解耦控制方法。为实现高速动车组的快速动态响应，通常会采用双闭环控制方法。但由于现有控制的相位信息主要通过锁相环模块实时采集，无法抑制相位波动对控制环节带来的影响。并且传统锁相环模块的过零点检测也受到影响，当电压受到干扰时，无法获得实时相位。此外，除了直接相位波动之外，频率偏差还会影响相位跟踪性能以及额外的相位偏差。

输入级的控制目标有以下两点：

(1)维持输出各级直流母线电压均衡分配、并且波动幅值在一定程度范围内；

(2)实现单位功率因数运行，即实现电流对电压信号的准确跟踪。

针对牵引网电压处于非理想情况下时，即牵引网电压幅值、频率、相位等参数出现一个或者多个同时突变的情况下，解决的技术路线主要有以下这几种：在牵引网层面进行电能质量优化控制、在高速机车的输入侧增加无功补偿装置以及针对控制环节进行优化改进如无锁相环控制。前两者的投入过大，且不便于实施。本发明提供一种无锁相环控制，消除了传统锁相环输出相位信息在牵引网电压处于非理想情况下所产生的延时，而导致直流母线电压波动及无法单位功率因数运行问题。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供一种电力电子牵引变压器无锁相环控制方法，效抑制了牵引网相位波动、频率偏移、电压跌落等非理想情况下对直流母线电压的影响，并保持电力电子牵引变压器维持在期望的单位功率因数运行，提高了系统的鲁棒性，同时在遇到扰动时能迅速恢复单位功率因数运行，实现快速响应。

本发明所采用的技术方案是，电力电子牵引变压器无锁相环控制方法，包括信号采集、无锁相环控制环节、电压电流双环控制环节及电压均衡控制环节，所述电压电流双环控制环节分为电压控制环节、电流控制环节，其中：