[发明专利]一种针对数字控制延时的牵引整流器功率因数补偿方法

说明书

本发明公开了一种针对数字控制延时的牵引整流器功率因数补偿方法，包括以下步骤：根据数字控制器的采样过程分析并计算牵引整流器控制环节的采样延时；根据数字控制器的脉冲生成过程分析并计算牵引整流器控制环节的PWM延时；计算功率因数补偿所需的移相角度；对调制波进行移相变换；本发明针对牵引整流器在瞬态直接电流控制中由数字控制延时导致功率因数降低的问题，仅利用少量信息即可消除由数字控制延时带来的相位滞后、提高牵引整流器的功率因数，设计过程简单且移植性较强。

技术领域

本发明属于电力牵引交流传动技术领域，尤其涉及一种针对数字控制延时的牵引整流器功率因数补偿方法。

背景技术

瞬态直接电流控制(transient direct current control，TDCC)凭借其动态性能好、参数调谐负担低、易于数字实现等优势而被广泛应用于高速列车牵引整流器中。然而在实际应用中，瞬态直接电流控制算法几乎都是通过数字信号处理器(digital signalprocessing,DSP)实现的，不可避免地引入了模数转换延时、采样计算延时和零阶保持器延时等数字控制延时。数字控制延时不仅恶化了系统的动态性能，而且加剧了瞬态直接电流控制固有的稳态误差，导致牵引整流器难以实现功率因数为1的目标。

功率因数是衡量电气设备效率高低的重要参数，提高大功率牵引整流器的功率因数对促进双碳目标的实现具有重要作用。为了提高功率因数、减少系统的能量损失，目前的解决方法可以分为两类：一是外加功率因数校正器，通过特殊的控制强迫电流和电压保持同相位，从而实现单位功率因数。二是使用较高的采样频率/更换高性能处理器等方式直接减小数字控制延时，或采用Simth预测器/超前相位校正器等方法间接补偿数字控制延时，从而降低延时对功率因数的影响。

在高速移动的牵引变流器中，施加功率因数校正器需要额外的空间且成本昂贵，一般仅适用于牵引变电所的功率因数改善。对于大功率、低开关频率的牵引整流器而言，高采样率会引入高次电流谐波，恶化控制性能。而Simth预测等方法虽然可以有效地补偿数字控制延时，但对系统模型的参数十分敏感、设计过程复杂。

发明内容

鉴于现有的针对数字控制延时的功率因数改善技术的不足，本发明提供一种针对数字控制延时的牵引整流器功率因数补偿方法。

本发明的一种针对数字控制延时的牵引整流器功率因数补偿方法，包括以下步骤：

步骤1：根据数字控制器的采样过程分析并计算牵引整流器控制环节的采样延时。

在用DSP编程实现数字控制时，可在通用定时器T1的中断响应函数中采集反馈信号并执行控制算法，在通用定时器T2的中断响应函数中生成数字正弦脉冲(sinusoidalpulse width modulation，SPWM)，设置两个定时器同时启动。在T1定时器中需要采集模拟信号有网侧电压、网侧电流和直流侧电压，由于模数转换和量化计算均需要一定时间，当前周期采集到的模拟信号不能立即上载到调制波。如在第k次采样开始时，经过t_sc的模数转换和计算时间可得到采样数据s(k)，进而可以生成调制信号m(k)。然而，调制信号m(k)只能在下一个调制波更新时刻才会被加载到T2定时器。因此，采样数据s(k)从采集开始到数据更新的过程存在1个周期的采样延时，当采样频率为f_c时，采样延时大小为T_s＝1/f_c。

步骤2：根据数字控制器的脉冲生成过程分析并计算牵引整流器控制环节的PWM延时。

为了避免调制波与载波发生多次交截、防止出现脉冲竞争现象，PWM的更新方式有单更新模式和双更新模式两种。

在单更新模式下，调制波在三角载波的波峰或波谷时刻更新调制波再与三角载波进行比较生成控制脉冲。在这种情况下，调制波在一个载波周期T_c(即一个开关周期)内保持不变，表现为零阶保持器特性，零阶保持器的传递函数为：