動車組網側變流器改進型dq解耦控制方法研究

阮白水, 張 鋼, 蔣李晨昕, 劉志剛

北京交通大學 電氣工程學院, 北京 100044)

電力牽引系統由受電弓、變壓器、網側變流器、牽引變流器和電機構成，具有高效、環保、節能以及利于維護的特點，目前已成為軌道交通的主流牽引方式。對于網側變流器，從最早出現的二極管不控整流，到晶閘管控制的相控整流等，都會對牽引網注入大量諧波，而且無法保證網側單位功率因數。

隨著電力電子技術和功率器件制造技術的發展，采用脈寬調制技術的網側變流器得以應用于電力牽引系統中，其具有諧波小、功率因數可控、直流電壓穩定、能量雙向流動的特點，目前已成為網側變流器的首選。

網側變流器最重要的一個環節是對網側電流的控制，從網側變流器的出現開始，對其網側電流的控制一直是國內外學者研究的重點。到目前為止脈沖整流器的控制方法主要有：間接電流控制[1]、瞬態電流控制[2]、預測電流控制[3]、滯環電流控制[4]、dq旋轉坐標系電流解耦控制[5，6]等方法，這些方法中除了間接電流控制外，其他的控制方法均采用雙閉環的控制原理。目前在電力牽引系統中，網側變流器的控制策略主要采用的是瞬態電流控制[7](在一些大功率開關頻率很低的情況下，間接電流控制也得到了應用)，但是該控制方法難以滿足列車運行過程中帶來的網壓波動的要求。文獻[8]介紹了網壓波動下網側變流器的可變相位角控制,其本質為一種網側無功電流注入的控制策略,若無功電流給定值為0,其可等效為瞬態電流控制。

與瞬態電流控制相比，dq解耦控制方法可以實現網側電流有功和無功分量的分別控制，且控制對象都為直流量，從而可以實現網側電流無靜差控制[9-11]。如果根據牽引網電壓波動情況來調節無功電流的給定值(例如網壓低于額定時增大容性無功輸出，等效于容性負載，減小網壓波動加劇)，則可實現網壓波動下網側變流器的有效控制。但是傳統的dq解耦控制由于引入了電流的延時分量，給系統的動態過程帶來了延時和波動，這對列車這種動態性能頻繁變化的系統顯然是不利的[12]。

針對上述情況，本文首先介紹了傳統dq解耦控制的工作原理，分析了其由于構建虛擬坐標系對動態性能帶來的影響，并提出兩種改進的旋轉坐標系下的解耦控制方法。第一種為旋轉坐標系下的瞬時電流控制，根據電壓環輸出的有功指令值和無功指令值，并結合旋轉坐標系下的數學模型，推導出交流電壓的的前饋分量，再通過比例控制器補償前饋誤差。第二種為短延時的dq解耦控制方法，即在傳統dq解耦控制方法的基礎上增加一個虛擬電流快速計算單元，用該單元替換原來的延時單元來獲取虛擬電流，從而加快其動態性能。文章的最后通過實驗波形驗證了兩種控制方式的有效性。

1 傳統的dq解耦控制

網側變流器結構如圖1所示，其主要由牽引變壓器、單相H橋、直流支撐電容和二次諧振支路組成。E為網側電壓，IS為網側電流，Uab為單相H橋生成的電壓，L為交流側等效電感，通常集成在牽引變壓器的二次側繞組漏感中，R為等效電阻。Lr和Cr為二次諧振支路的組成部分，用于消除二次功率脈動。

圖1 網側變流器結構圖

圖2 旋轉坐標系

文獻[5,6，13]給出了傳統的dq解耦控制的實現方法，其構建旋轉坐標系的方法如圖2所示，通過延時1/4個周期來構建與α軸正交的虛擬的β軸，從而構成兩相靜止坐標系，旋轉坐標系與α軸的夾角為θ。如果讓網壓E與α軸重合，并且定義網壓起始相位為0°，則有E=Eα=Emsinωt，其中Em為網壓幅值。如果定義d軸為有功軸，則可求得θ=ωt-90°。進而可得

( 1 )

( 2 )

( 3 )

由于β軸為虛擬的，應用中只選取α軸的分量。

( 4 )

網側變流器的交流側數學模型可以表示為

Uab=E-jωLIS-RIS

( 5 )

轉換到旋轉坐標系下有

( 6 )

由于電阻R一般很小，往往忽略不計，借鑒三相系統前饋解耦的內環控制策略，可得

( 7 )

圖3和圖4分別給出了dq解耦控制的控制框圖及其電流內環控制框圖。從圖中可以看到，因為引入了虛擬坐標系和解耦控制，可以實現有功和無功電流的分別控制，且控制對象均為直流量，從而使用PI控制器也能實現無靜差控制。

圖3 傳統dq解耦控制的控制框

圖4 電流內環控制框圖

該控制方法的缺點也很明顯，即在獲取Ed、Eq以及Id、Iq時引入了虛擬的Eβ和Iβ，由于Eβ和Iβ是分別由Eα和Iα延時1/4個周期得到的，因此有必要分析這種延時方法對系統控制帶來的影響。

將式( 1 )和式( 7 )代入式( 3 )可得

( 8 )

( 9 )

將式( 2 )代入式( 8 )可得

(10)

由于Iβ由Iα延時90°獲得，有

Iβ=-jIα

(11)

則式(10)可改寫為

(12)

對比式(12)和式( 5 )可以發現，dq解耦控制結果是與網側變流器數學模型相吻合的，式(12)中等式右邊最后兩項分別為對有功和無功電流的閉環控制補償量，正是這兩項的存在使得有功和無功電流實現無靜差控制。從推導過程中可以發現，Eβ的引入對控制結果是沒有影響的，但是式(11)只在穩態下成立，在動態過程中，即電流變化的時候，實時測得的Iα做90°的移相后在幅值上不等效于1/4周期前測得的電流。由此可見傳統的dq解耦控制，在電流內環的控制中勢必會引入1/4周期的延時，對網側變流器的動態過程造成延時和波動，但是對其靜態性能不會造成影響。

2 旋轉坐標系下的瞬時電流控制

(13)

(14)

(15)

圖5 旋轉坐標系下的瞬時電流控制框圖

相比傳統的dq解耦控制而言，旋轉坐標系下的瞬時電流控制由于沒有引入Id、Iq的實時值，從而避免了延時分量的引入，在保證電流環快速動態性能的前提下，實現了有功和無功的分別控制。但是也正是因為沒有Id、Iq的實時值，該控制方法具有以下缺陷：

(1)參與解耦控制的是有功和無功電流的指令值而不是實時值，由于兩著存在誤差，所以該控制方法無法實現嚴格意義上的解耦。

(2)電流內環不是對有功和無功電流分別進行閉環，而是對網側電流進行閉環，由于網側電流為交流量，因此無法實現傳統dq解耦控制中的零靜差效果。

可見，該控制方法雖然摒棄了dq解耦控制中最大的缺點，卻也使其優點變的不那么明顯，屬于一種相對折中的控制方法。

3 短延時的dq解耦控制

對于傳統的dq解耦控制，如果可以快速獲得Iβ的值，則可以在保證其控制上固有優勢的同時，使其具有更快的動態性能。對此，本文提出了一種短延時的dq解耦控制方法，即增加一個虛擬電流Iβ的快速計算單元，該單元通過網側變流器在αβ坐標系下的表達式可以快速求出Iβ的值。

將式( 5 )轉換到αβ坐標系下可得

(16)

忽略式(16)中電阻的影響，可得Iβ的表達式為

(17)

從式(17)可以看出，Iβ的值是與Eβ和Uβ相關的，在傳統的dq解耦控制方法中只應用了α軸的分量，并沒有利用Uβ。由于牽引網網壓隨著列車位移的波動是相對緩慢的，可以認為在1/4個周期內網壓的幅值是不變的，即忽略1/4周期Eβ幅值的變化。由圖3可以看到，要獲得Uβ需要先得到Iβ的值，這與控制上的需求是相違背的。為了得到Iβ，短延時的dq解耦控制方法中利用上一個計算周期算得的Eβ和Uβ來近似求解Iβ，其控制框圖如圖6、圖7所示，其中Z-1為單周期保持單元。

圖6 虛擬電流計算單元

圖7 短延時的dq解耦控制框圖

短延時的dq解耦控制方法中利用上一個計算周期計算得到的Eβ和Uβ計算出Iβ，其延時僅為一個計算周期(時間長短與開關頻率相關)，與傳統的dq解耦控制相比，其動態性能得到了大幅度提高，而兩者的靜態性能是一致的。

4 實驗研究

4.1 實驗平臺介紹

該研究的實驗是基于混合動力車動車組網側變流器的實驗平臺完成的，其參數見表1。混合動力車的動車組具有跨電氣化鐵路和非電氣化鐵路運行的能力，在電氣化鐵路中的電力牽引方式與傳統的動車組相同。由于設備還處于庫內靜調階段，通過對拖的試驗模式(即兩個網側變流器直流側并聯，一臺作為被測設備，另一臺作為負載。)來驗證提出的兩種改進型的解耦控制方法。

表1 網側變流器參數

4.2 傳統dq解耦控制與短延時dq解耦控制對比

圖8～圖10所示為網側變流器從空載升至半載(50%負載突變)的試驗波形圖。由于圖9和圖10中Id、Iq、Iα、Iβ為控制系統內部離散變量，通過D/A芯片輸出，因此波形顯得有一些階梯狀。從圖10可以看到，傳統的dq解耦控制中，Iβ是跟隨Iα延時變化的，而短延時的dq解耦控制中，Iβ則是根據負載快速變化的，只有很小的延時。從圖8和圖9可以看到，負載變化時，傳統dq解耦控制中Iβ的延時會給Id、Iq的計算結果帶來延時和波動，從而影響網側電流控制的動態性能。短延時的dq解耦控制中由于引入了Iβ的快速計算單元，其動態過程更加快速和平穩。

圖8 空載升至半載時網壓E和網側電流IS波形

圖9 空載升至半載時Id、Iq波形

圖10 空載升至半載時Iα、Iβ波形

圖11～圖13所示為網側變流器在半載工況下發出0.3pu容性無功的試驗波形，同樣可以發現短延時的dq解耦控制有更好的動態性能。

圖11 發出容性無功時網壓E和網側電流IS波形

圖12 發出容性無功時Id、Iq波形

4.3 旋轉坐標系下的瞬時電流控制試驗

圖14所示為網側變流器從空載升至半載(50%負載突變)的試驗波形圖及半載發容性無功的波形，對比圖8和圖11可以發現，旋轉坐標系下的瞬時電流控制具有同樣快速的動態特性，但其靜態性能稍差，從圖14(a)中可以明顯地看到其半載時功率因數不為1。

圖13 發出容性無功時Iα、Iβ波形

從試驗結果可以看到，短延時的dq解耦控制同時具備良好的動態和靜態性能，為最優的控制方法。

圖14 旋轉坐標系下的瞬時電流控制網壓E和網側電流IS波形

5 結論

針對傳統dq解耦控制方法的缺點，本文提出兩種改進的旋轉坐標系下的解耦控制方法：旋轉坐標系下的瞬時電流控制和短延時的dq解耦控制方法。文中詳細介紹這兩種方法的原理和實現方法，分析了其各自的優缺點。從結果中可以看到，與傳統dq解耦控制相比，旋轉坐標系下的瞬時電流控制具有更好的動態性能，但靜態性能略差，而短延時的dq解耦控制方法能使網側變流器同時獲得良好的動態和靜態性能，是最優的選擇。

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