城際動車組四象限整流器控制策略研究與應用

楊春宇, 岳學磊, 相里燕妮, 高 闖

(西安中車永電捷通電氣有限公司 技術(shù)中心，陜西 西安 710016)

0 引 言

在城際動車組的牽引電傳動系統(tǒng)中，單相四象限整流器作為AC/DC轉(zhuǎn)換裝置，作用是穩(wěn)定牽引變流器直流側(cè)電壓和網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)，是牽引電傳動系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)[1-2]。

單相四象限整流器的控制方法主要分為2種:間接電流控制方法(即“幅相電流控制”)和直接電流控制方法。間接電流控制方法是通過控制整流器的輸入側(cè)電壓，使其和網(wǎng)側(cè)電壓保持一定的幅值和相位，進而間接控制其網(wǎng)側(cè)電流，使用穩(wěn)定系統(tǒng)的狀態(tài)量作為控制量，未考慮暫態(tài)過程對系統(tǒng)狀態(tài)量的影響，因此系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差，響應較慢。直接電流控制方法是通過對網(wǎng)側(cè)電流直接控制，使其跟蹤給定電流信號的控制方法。直接電流控制方法使用電流閉環(huán)，可以使電流快速跟蹤參考電流，系統(tǒng)具有較好的動態(tài)性能[3-4]。

文獻[5]研究了四象限整流器常用的5種控制方法，并通過仿真手段對各種控制策略的控制性能進行對比分析，結(jié)果表明, 預測電流控制和瞬態(tài)電流控制可以達到直流側(cè)電壓穩(wěn)定、網(wǎng)側(cè)電流諧波小、網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)適當?shù)瓤刂颇繕?。文獻[6]通過分析標準動車組四象限整流器電路拓撲結(jié)構(gòu)和四象限控制器，建立了整車四象限整流器及控制系統(tǒng)數(shù)學模型。對由其形成的閉環(huán)系統(tǒng)進行了實時仿真研究，結(jié)果驗證了所建四象限整流器及控制系統(tǒng)的正確性。

本文采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的控制策略，分別以直流側(cè)給定電壓、網(wǎng)側(cè)給定電流為控制對象，對直流側(cè)電壓和網(wǎng)側(cè)電流進行無差、準確控制，實現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)電壓、電流正弦性好，直流側(cè)電壓穩(wěn)定、波動較小的控制目標。

1 四象限整流器數(shù)學模型

單相兩電平整流器主電路如圖1所示。其中，i，u分別為變壓器二次側(cè)輸出電流和空載電壓，uab為整流器輸入電壓，L為變壓器二次側(cè)電感，Cac為交流側(cè)濾波電容，Cdc為直流側(cè)支撐電容，RL為整流器側(cè)等效負載。當dq坐標系的起始位置與αβ坐標系重合時，有θ=ωt。

圖1 單相四象限整流器主電路圖

設ω為網(wǎng)側(cè)電壓基波角頻率，um、im、uabm分別為網(wǎng)側(cè)電壓、網(wǎng)側(cè)電流、整流器輸入電壓的基波幅值，φ為變壓器二次側(cè)輸出電流的初始相位角，φab為整流器輸入電壓的初始相位角，則網(wǎng)側(cè)電壓與電流的基波分量以及uab的基波分量可分別表示為

u=umsin(ωt)

(1)

i=imsin(ωt+φ)=idsin(ωt)-iqcos(ωt)

(2)

uab=uabmsin(ωt+φab)=udsin(ωt)+uqcos(ωt)

(3)

式中：id、iq分別為dq坐標系下的d軸電流和q軸電流,id=imcosφ，iq=imsinφ;ud、uq分別為dq坐標系下的d軸電流和q軸電壓，ud=uabmcosφab，uq=uabmsinφab。

根據(jù)基爾霍夫電壓定律(KVL)，可得:

(4)

將式(1)～式(3)代入式(4)，可得四象限整流器在dq坐標系下的數(shù)學模型為

(6)

為實現(xiàn)d、q軸電流的準確跟蹤控制，以電流PI控制器代替式(5)中的電流微分，則式(5)可變?yōu)?/p>

(6)

式(6)為電流前饋解耦控制算法。由式(6)計算得到ud和uq后，經(jīng)逆Park坐標變換得到靜止坐標系下的電壓，進而得到調(diào)制信號。

2 四象限整流控制算法

2.1 SOGI算法

二階廣義積分(SOGI)算法結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 SOGI算法框圖

根據(jù)SOGI算法框圖，可得其輸出與輸入的關(guān)系式

(7)

(8)

由式(7)和式(8)可知，SOGI算法本質(zhì)為一個二階帶通濾波器(BPF)與一個二階低通濾波器(LPF)所構(gòu)成的正交對。

2.2 αβ軸電壓估計

變壓器二次側(cè)空載電壓u經(jīng)過SOGI算法，可得靜止坐標系下的電壓分量uα和uβ，其框圖如圖3所示。

圖3 SOGI算法估計αβ軸電壓

(9)

(10)

2.3 αβ軸電流估計

αβ軸電流估計算法仍采用SOGI，其框圖如圖4所示。

圖4 SOGI算法估計αβ軸電流

圖4中估計αβ軸電流所用SOGI的實現(xiàn)方法與電壓估計所用的SOGI算法一致，不同之處在于此處iα直接用實際值而不用經(jīng)過SOGI獲得，目的是提高動態(tài)響應速度。

2.4 兩電平整流器直流外環(huán)電壓控制

直流側(cè)電壓采用PI控制器進行調(diào)節(jié)，輸出經(jīng)過陷波器以濾除直流側(cè)二倍脈動引起的給定電流波動，其框圖如圖5所示。

圖5 直流側(cè)電壓調(diào)節(jié)框圖

其中陷波器采用二階巴特沃斯陷波器，其傳遞函數(shù)為

(11)

2.5 整流器控制框圖

綜上，可以得到單相四象限整流器控制算法框圖,如圖6所示。

圖6 單相四象限整流器控制算法框圖

3 四象限整流起動過程

(1) 第1階段。首先接通預充電電阻，直流側(cè)電壓充電達到穩(wěn)定狀態(tài)，此時切除預充電電阻，進入第2階段。

(2) 第2階段。切除預充電電阻后，經(jīng)過一段預設時間的充電，系統(tǒng)充電達到穩(wěn)定，且此時的網(wǎng)側(cè)電壓峰值達到了預設值。2個條件同時滿足后，系統(tǒng)解除脈沖封鎖，從預充電過程過渡到脈沖整流過程。

4 Simulink仿真與試驗結(jié)果

4.1 Simulink仿真結(jié)果

為驗證仿真狀態(tài)下，四象限整流控制策略在整流+牽引逆變系統(tǒng)中的性能，在Simulink仿真環(huán)境下，搭建基于單相四象限整流+牽引逆變控制系統(tǒng)的仿真模型，進行仿真測試。仿真使用的四象限整流系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 單相四象限整流系統(tǒng)參數(shù)

四象限整流系統(tǒng)空載起動的網(wǎng)側(cè)電壓與電流波形、直流側(cè)電壓波形如圖7、圖8所示。可以看出，從預充電過程(1 s之前)過渡到脈沖整流(1 s之后)過程中，直流側(cè)電壓超調(diào)量較小，最終穩(wěn)定在1 800 V左右。

圖7 四象限整流起動時的網(wǎng)側(cè)電壓及網(wǎng)側(cè)電流波形

圖8 四象限整流起動時的直流側(cè)電壓波形

牽引工況下，四象限整流系統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)電壓與電流波形、直流側(cè)電壓波形如圖9、圖10所示?？梢钥闯?，網(wǎng)側(cè)電壓和網(wǎng)側(cè)電流同相位、波形正弦性好，直流側(cè)電壓穩(wěn)定在1 800 V左右，波動較小(峰峰值20 V左右)。

圖9 牽引工況下的網(wǎng)側(cè)電壓及網(wǎng)側(cè)電流波形

圖10 牽引工況下的直流側(cè)電壓波形

圖11 制動工況下的網(wǎng)側(cè)電壓及網(wǎng)側(cè)電流波形

圖12 制動工況下的直流側(cè)電壓波形

制動工況下，四象限整流系統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)電壓與電流波形、直流側(cè)電壓波形如圖11、圖12所示?？梢钥闯觯W(wǎng)側(cè)電壓相位比網(wǎng)側(cè)電流超前180°，波形正弦性好，直流側(cè)電壓穩(wěn)定在1 800 V左右，波動較小(峰峰值50 V左右)。

4.2 組合試驗結(jié)果

為驗證四象限整流控制策略在四象限整流+牽引逆變系統(tǒng)中的性能，在中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司試驗中心進行組合試驗，試驗參數(shù)與仿真參數(shù)一致。圖13為試驗所用的四象限整流+牽引逆變一體牽引變流器。

圖13 試驗所用的四象限整流+牽引逆變一體變流器

四象限整流系統(tǒng)空載起動波形如圖14所示，從上到下分別是網(wǎng)側(cè)電壓、網(wǎng)側(cè)電流和直流側(cè)電壓?？梢钥闯觯瑥念A充電過程過渡到脈沖整流過程中，直流側(cè)電壓超調(diào)量較小，最終穩(wěn)定在1 800 V左右。

圖14 四象限整流空載起動時的試驗波形

牽引工況下的試驗波形如圖15所示，從上到下分別是網(wǎng)側(cè)電壓、網(wǎng)側(cè)電流和直流側(cè)電壓。從圖中可以看出，網(wǎng)側(cè)電壓和網(wǎng)側(cè)電流同相位、波形正弦性好，直流側(cè)電壓穩(wěn)定在1 800 V左右，波動較小(峰峰值50 V左右)。

圖15 牽引工況下的試驗波形

制動工況下的試驗波形如圖16所示，從上到下分別是網(wǎng)側(cè)電壓、網(wǎng)側(cè)電流和直流側(cè)電壓?？梢钥闯?，網(wǎng)側(cè)電壓相位比網(wǎng)側(cè)電流超前180°，波形正弦性好，直流側(cè)電壓穩(wěn)定在1 800 V左右，波動較小(峰峰值50 V左右)。

圖16 制動工況下的試驗波形

5 結(jié) 語

本文研究了基于城際動車組單相四象限整流器的電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的控制策略。仿真和高壓試驗臺驗證試驗結(jié)果表明：從預充電過程過渡到脈沖整流過程中，直流側(cè)電壓超調(diào)量較小。牽引/制動工況下，網(wǎng)側(cè)電壓和網(wǎng)側(cè)電流相位相差0°/180°、正弦性好，直流側(cè)電壓穩(wěn)定，波動較小。