一种直驱永磁电力机车四象限变流器控制策略和调制方法技术

本发明专利技术属于电力机车牵引控制技术领域，具体为一种直驱永磁电力机车四象限变流器控制策略和调制方法。本发明专利技术采用带有中间直流母线电压前馈的双闭环控制策略，外环为电压控制环，采用PI控制器，对直流母线电压进行控制；内环为电流控制环，采用PR控制器，对交流侧电流进行控制；当直流母线电压超过设定阈值时，直接给定直流母线前馈量，解决因母线震荡导致PI控制器输出不稳定的问题；调制采用SHEPWM策略，本发明专利技术在SHEPWM脉冲生成过程中，采用比较值方式，和传统的强制方式比较，可有效降低开关角动作时延，以较高的精度实现SHEPWM脉冲生成，有效消除特定次谐波，减小网测电流低次谐波含量。

Control strategy and modulation method of four quadrant converter for direct drive permanent magnet electric locomotive

The invention belongs to the technical field of electric locomotive traction control, in particular to a control strategy and modulation method of a four quadrant converter of a direct drive permanent magnet electric locomotive. The invention adopts a double closed-loop control strategy with intermediate DC bus voltage feedforward, the outer ring is a voltage control ring, and PI controller is used to control the DC bus voltage; the inner ring is a current control ring, and PR controller is used to control the AC side current; when the DC bus voltage exceeds the set threshold value, the feedforward quantity of DC bus is directly given to solve the problem caused by bus vibration The PI controller has unstable output; the modulation adopts the SHEPWM strategy. In the process of SHEPWM pulse generation, the invention adopts the comparison value method, which can effectively reduce the switch angle action delay compared with the traditional forced method, realize SHEPWM pulse generation with high accuracy, effectively eliminate specific harmonics, and reduce the low harmonic content of network measurement current.

【技术实现步骤摘要】
一种直驱永磁电力机车四象限变流器控制策略和调制方法
本专利技术属于电力机车牵引控制
，具体为一种直驱永磁电力机车四象限变流器控制策略和调制方法。
技术介绍
四象限变流器作为电力机车牵引传动系统的核心单元，在机车牵引工况下为逆变单元提供稳定的直流电压，而在制动工况下，四象限变流器将逆变单元的制动能量馈入供电网，实现能量的双向流动。传统的单相四象限变流器采用基于PI控制器的电压电流双闭环控制方法，对于大功率场合，由于控制惯量大，在负载突投突切工况下，四象限调节速率慢，易造成中间直流母线震荡，继而引发母线过压或欠压故障；另一方面四象限变流器工作时开关频率较低，可能会导致变流器网侧谐波较大，影响整车的控制性能。现有调制算法中，四象限变流器的调制算法多采用SPWM的调制方式，其无法消除特定次谐波，而采用特定次谐波消除调制方式可以消除特定次谐波，提高电传动系统的谐波特性。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供一种直驱永磁电力机车四象限变流器控制策略和调制方法。本专利技术是采用如下的技术方案实现的：一种直驱永磁电力机车四象限变流器控制策略和调制方法，采用电压外环和电流内环为控制数据处理的核心环节，采用双闭环的矢量控制算法，电压外环控制数据处理步骤为：根据母线电压指令值与母线电压反馈值作差，输入PI控制器1；电流内环控制数据处理步骤为：电压外环的输出值作为电流内环的输入与锁相环输出的相位角的余弦值相乘，再与四象限输入电流作差，作为电流内环PR控制器的输入，PR控制器输出结果与变压器副边绕组感应势作差，即得到整流桥交流侧调制波信息；调制波信息输入到DSP的PWM调制程序，调制阶段采用高速中断模式，根据SHEPWM调制方法，实时计算出A、B桥臂控制所需的占空比，经DSP中ePWM模块调制出相应PWM脉冲，进而控制IGBT的开通和关断。上述的一种直驱永磁电力机车四象限变流器控制策略和调制方法，母线电压反馈值的给定方式有两种，根据母线阈值Uthrod来进行切换，若母线电压经过陷波器滤波后的值Udc_pf未超过阈值，即Udc_pf≤Uthrod，母线电压反馈值若母线电压经过陷波器滤波后的值Udc_pf超过阈值，即Udc_pf>Uthrod，母线电压反馈值us表示四象限整流器输入电压，is表示变压器副边绕组电流，根据能量守恒原则，负载功率等于四象限输入功率求出k值大小，计算公式如下：Udc×iL×△t＝(Uthrod+us×is×k)×is×△t，其中，△t为程序控制周期，iL表示负载侧输出电流。上述的一种直驱永磁电力机车四象限变流器控制策略和调制方法，锁相环可通过软件编程方式实现数字锁相环，θ*是电网电压过零时刻的指令值，其与锁相环输出的电网相位估算值θ的差值△θ作为PI控制器2的输入，PI控制器2的输出再与锁相环中心角频率ω1相加，数字锁相环通过带有反馈调节的PI控制器2调节△θ为零，得到电网角频率的修正值。上述的一种直驱永磁电力机车四象限变流器控制策略和调制方法，PWM调制过程为：对四象限桥臂参考电压uab取幅值，可以得到直流量Uab，根据桥臂参考电压幅值Uab，计算出调制深度M，根据四象限变流器开关频率fk，得到开关角N，通过开关角N可以得到不同M值对应的离线开关角度ai，根据实时M值和离线开关表进行线性差值查表，得到与当前实时M值对应的角度xi，利用最终调制发波角度为θz和角度xi进行比较，当(xi+1-θz)>Δθ时，发波方式与强制比较脉冲方法相同；当(xi+1-θz)≤Δθ时，发波角度与固定角度xi+1距离较近，为了提高PWM脉冲的准确性，需要利用DSP内部的ePWM模块，用比较发波的方式实现，最终调制发波角度为θz计算分两种情况，一是当控制算法中断程序结束后，首次进入调制算法中断时，θz等于根据锁相环计算得到调制发波角度θ，即θz＝θ，二是其它情况下，θz等于上一次调制算法中断得到的角度加上ω*Ts，即θz＝θz+ωTs，这里ω角频率，Ts为快速中断周期。上述的一种直驱永磁电力机车四象限变流器控制策略和调制方法，比较发波的方式为：求得占空比其中Ts为快速中断(DSP中断2)周期，TCLK为ePWM模块时基时钟，θi+1为θz，θi+2为θz+ωTs，cmpA和PRD输入到DSP中ePWM模块，当DSP计数等于cmpA时，ePWM模块发出上升沿或下降沿。ePWM模块首先需要通过上一拍PWM脉冲的状态，来触发下一拍的上升沿或者下降沿，当上一拍为高电平时，下一拍计数器等于cmpA时则触发下降沿；当上一拍为低电平时，下一拍计数器等于cmpA时则触发上升沿。上述的一种直驱永磁电力机车四象限变流器控制策略和调制方法，四象限变流器开关频率fk计算方法为用最大开关频率fk_max除以基频50Hz，得到最大载波比NMAX，NMAX＝fk_max/50，取小于等于NMAX的最大奇数NMAX_ji作为实际的载波比，开关频率fk等于NMAX_ji乘以50Hz，fk＝50×NMAX_ji。上述的一种直驱永磁电力机车四象限变流器控制策略和调制方法，根据四象限变流器开关频率fk，得到SHEPWM调制算法在周期内对应的开关角N，开关角上述的一种直驱永磁电力机车四象限变流器控制策略和调制方法，通过N可以得到内下不同M值对应的离线开关角度ai，离线开关表存储在DSP的数据空间中，根据实时M值和上表中的离线开关角进行线性差值查表计算，得到与当前实时M值对应的内角度xi，由于SHEPWM调制波形具有半周期和四分之一周期对称的特性，因此可以根据周期内对应的开关角，得到2π全部周期所有的开关角度x1、x2、x3..........及高低电平的趋势。上述的一种直驱永磁电力机车四象限变流器控制策略和调制方法，陷波器的传递函数如下：ω0＝2×π×fx＝200π，其中，A为滤波器增益，Q为品质因数，ω0为陷波器的特征角频率，选定好合适参数后，再经过离散化处理，得到计算机可处理的数字滤波器。本专利技术采用带有中间直流母线电压前馈的双闭环控制策略，外环为电压控制环，采用PI控制器1，对直流母线电压进行控制；内环为电流控制环，采用PR控制器，对交流侧电流进行控制；当直流母线电压超过设定阈值时，直接给定直流母线前馈量，解决因母线震荡导致PI控制器输出不稳定的问题；调制采用SHEPWM策略，SHEPWM调制方式和传统SPWM调制方式相比，可以消除特定次谐波，同时可降低滤波器的设计难度；同时本专利技术在SHEPWM脉冲生成过程中，采用比较值方式，和传统的强制方式比较，可有效降低开关角动作时延，以较高的精度实现SHEPWM脉冲生成，有效消除特定次谐波，减小网测电流低次谐波含量。附图说明图1为单相四象限变流器的电气原理图。图2为四象限变流器的控制及调制框图。图3为锁相环原理框图。图4为四象限整流器调制及控制流程图。图5为SHEPWM输出的典型波形。图6为强制比较脉冲方法的流程图。图7为SHEPWM强制比较脉冲方式下脉冲示意图。图8为精确比本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种直驱永磁电力机车四象限变流器控制策略和调制方法，其特征在于采用电压外环和电流内环为控制数据处理的核心环节，采用双闭环的矢量控制算法，电压外环控制数据处理步骤为：根据母线电压指令值与母线电压反馈值作差，输入PI控制器1；电流内环控制数据处理步骤为：电压外环的输出值作为电流内环的输入与锁相环输出的相位角的余弦值相乘，再与变压器副边绕组电流作差，作为电流内环PR控制器的输入，PR控制器输出结果与变压器副边绕组电压作差，即得到整流桥交流侧调制波信息；调制波信息输入到DSP的PWM调制程序，调制阶段采用高速中断模式，根据SHEPWM调制方法，实时计算出A、B桥臂控制所需的占空比，经DSP中ePWM模块调制出相应PWM脉冲，进而控制IGBT的开通和关断。/n

【技术特征摘要】
1.一种直驱永磁电力机车四象限变流器控制策略和调制方法，其特征在于采用电压外环和电流内环为控制数据处理的核心环节，采用双闭环的矢量控制算法，电压外环控制数据处理步骤为：根据母线电压指令值与母线电压反馈值作差，输入PI控制器1；电流内环控制数据处理步骤为：电压外环的输出值作为电流内环的输入与锁相环输出的相位角的余弦值相乘，再与变压器副边绕组电流作差，作为电流内环PR控制器的输入，PR控制器输出结果与变压器副边绕组电压作差，即得到整流桥交流侧调制波信息；调制波信息输入到DSP的PWM调制程序，调制阶段采用高速中断模式，根据SHEPWM调制方法，实时计算出A、B桥臂控制所需的占空比，经DSP中ePWM模块调制出相应PWM脉冲，进而控制IGBT的开通和关断。


2.根据权利要求1所述的一种直驱永磁电力机车四象限变流器控制策略和调制方法，其特征在于母线电压反馈值的给定方式有两种，根据母线阈值Uthrod来进行切换，若母线电压经过陷波器滤波后的值Udc_pf未超过阈值，即Udc_pf≤Uthrod，母线电压反馈值若母线电压经过陷波器滤波后的值Udc_pf超过阈值，即Udc_pf>Uthrod，母线电压反馈值us表示四象限整流器输入电压，is表示变压器副边绕组电流，根据能量守恒原则，负载功率等于四象限输入功率求出k值大小，计算公式如下：Udc×iL×△t＝(Uthrod+us×is×k)×is×△t，其中，△t为程序控制周期，iL表示负载侧输出电流。


3.根据权利要求1或2所述的一种直驱永磁电力机车四象限变流器控制策略和调制方法，其特征在于锁相环可通过软件编程方式实现数字锁相环，θ*是电网电压过零时刻的指令值，其与锁相环输出的电网相位估算值θ的差值△θ作为PI控制器2的输入，PI控制器2的输出再与锁相环中心角频率ω1相加，数字锁相环通过带有反馈调节的PI控制器2调节△θ为零，得到电网角频率的修正值。


4.根据权利要求2所述的一种直驱永磁电力机车四象限变流器控制策略和调制方法，其特征在于PWM调制过程为：对四象限桥臂参考电压uab取幅值，可以得到直流量Uab，根据桥臂参考电压幅值Uab，计算出调制深度M，根据四象限变流器开关频率fk，得到开关角N，通过开关角N可以得到不同M值对应的离线开关角度ai，根据实时M值和离线开关表进行线性差值查表，得到与当前实时M值对应的角度xi，利用最终调制发波角度为θz和角度xi进行比较，当(xi+1-θz)>Δθ时，发波方式与强制比较脉冲方法相同；当(xi+1-θz)≤Δθ时，发波角度与固定...

【专利技术属性】
技术研发人员：张瑞峰，苏鹏程，于森林，詹哲军，梁海刚，司军民，
申请(专利权)人：中车永济电机有限公司，
类型：发明
国别省市：山西;14