高速動車組大功率多重化四象限整流器控制方法

相里燕妮, 楊春宇, 高 闖, 田 地

(西安中車永電捷通電氣有限公司，陜西 西安 710016)

0 引 言

電力牽引交流傳動系統主要由受電弓、主斷路器、網側變壓器、牽引變流器(包含四象限脈沖整流器、牽引逆變器)、牽引電機和齒輪傳動箱組成[1-2]。四象限脈沖整流器起著穩定中間直流電壓和控制網側電流波形的作用[2]。針對四象限脈沖整流器控制方法，國內外學者進行了大量的研究。文獻[3-4]介紹了電力機車上應用較多的瞬態電流控制方法，在多個變流器同時運行的工況下，該方法存在穩定性降低的缺陷。文獻[5]研究了基于模糊PI控制器的改進瞬態電流控制方法，但無實際列車應用效果說明。文獻[6]提出了模型預測電流控制方法，并通過小功率試驗證明該方法與瞬態電流控制相比，具有更高的控制精度和響應速度，但無大功率低開關頻率脈沖整流器應用效果說明。文獻[7]提出了一種基于滯環的功率解耦控制方案，并在機車牽引變流器中進行了高壓試驗，具有工程實用價值。文獻[8-9]介紹了虛擬d-q電流解耦控制在單重四象限脈沖整流器上的應用，文獻[10]將虛擬d-q電流解耦控制應用在兩重化四象限脈沖整流器控制中，給出了兩重化四象限脈沖整流器控制框圖，同時提出了倍增控制頻率的載波移相方法，但該方法相對復雜，且以上文獻都未提及不同控制器之間載波移相如何實現。

針對以上問題，本文以虛擬d-q電流解耦控制方法為基礎，重點介紹同一控制器中兩重化四象限脈沖整流器載波移相的實現方法、不同控制器之間多重四象限脈沖整流器載波移相的實現方式、四象限脈沖整流器開關頻率較低時(小于500 Hz)的調制補償方法，最后在CRH6F-A型動車組牽引變流器上驗證了本文提出的控制方法，具有一定的工程應用推廣價值。

1 控制方法描述

1.1 單重四象限脈沖整流器控制原理

四象限脈沖整流器主電路如圖1所示。圖1中，i、u分別為變壓器二次側輸出電流和電壓，L為變壓器二次側漏感，Cdc為直流側支撐電容，RL為整流器側等效負載。

圖1 四象限脈沖整流器主電路

文獻[1,8-11]已給出了虛擬d-q電流解耦控制算法的數學公式推導過程，本文不贅述，此處直接給出整流器控制算法為

(1)

式中：ω為網壓角頻率(通過軟件鎖相環得到[6])；Um為圖1中電壓u的基波幅值；Id與Iq分別為有功、無功電流的反饋值(通過SOGI算法及Park變換對圖1中的電流i進行變換得到[8])；Kdp、Kdi、Kqp、Kqi為電流環PI控制器比例和積分系數；Id_ref與Iq_ref分別為有功、無功電流的給定值(為了實現單位功率因數控制，Id_ref等于電壓環輸出，Iq_ref為0)；Uabd和Uabq為調制波的d軸和q軸分量(經坐標變換后得到調制波Uab);S為復變量。

根據式(1)，單重四象限脈沖整流器虛擬d-q電流解耦控制算法框圖如圖2所示。圖2中Udc_ref為直流電壓給定值，Udc為直流電壓反饋值。使用陷波器對直流電壓Udc濾波后再進行PI控制，減小網側電流諧波，提高控制系統的穩定性[11]。

圖2 單重四象限脈沖整流器控制算法框圖

1.2 兩重化四象限脈沖整流器控制原理

兩重化四象限脈沖整流器拓撲結構如圖3所示，可見兩個脈沖整流器共用同一個牽引變壓器，在變壓器一次側形成耦合。通過載波移相，在同樣的開關頻率下，減小了網側電流的高次諧波[12]。兩重化四象限脈沖整流器的輸出為同一直流電壓，共用一個電壓環，控制算法原理如圖4所示。兩重化脈沖整流器電流環控制相互獨立，電流環d軸的給定Id_ref是電壓環PI控制的輸出，q軸的給定Iq_ref為0。

圖3 兩重化四象限脈沖整流器拓撲結構圖

圖4 兩重化四象限脈沖整流器控制原理圖

經過電流閉環控制，按照式(1)計算出兩相獨立的調制波Uab1、Uab2。兩相調制波與兩個載波C1、C2比較后得到兩重化四象限脈沖整流器控制脈沖，其中兩個脈沖整流器的載波C1、C2相位相差90°(整個載波周期為360°)。

1.3 同一控制器中的載波移相實現方法

兩重化四象限脈沖整流器使用同一控制器進行調制控制，僅依賴軟件就可以實現精準載波移相。選用TI公司高精度數字信號處理芯片TMS320F28335控制兩重化脈沖整流器，該控制芯片的ePWM模塊具有同步功能，只需要配置相位寄存器TBPHS的值，就可以在每個載波周期實現精確移相，其原理如圖5所示。TBCTR1和TBCTR2是兩個計數寄存器，計數方式為增減計數，計數的范圍為[0，TBPRD]，計數時鐘為同一時鐘。TBPHS是相位寄存器，該寄存器的值根據移相角度設置。在每個載波周期，TBCTR1計數為0時，強制使TBCTR2的值等于TBPHS的值，則輸出的載波相位會相差固定角度。圖5中，脈沖整流器1的載波C1滯后脈沖整流器2的載波C290°。

圖5 兩重化載波移相原理

1.4 整列車多重四象限整流器載波移相方法

本文以CRH6F-A動車組為例，短編組列車搭載兩臺牽引變流器，整列車多重脈沖整流器拓撲示意圖如圖6所示。四象限脈沖整流器1和2共用牽引變壓器1，四象限脈沖整流器3和4共用牽引變壓器2，兩個變壓器一次側連接到同一個牽引供電網，四個脈沖整流器電流在供電網側形成耦合。整列車四個整流器載波移相的角度分別為0、π/4、π/2、3π/4。車號為1的兩重化四象限脈沖整流器對應的角度為0、π/2，車號為4的兩重化四象限脈沖整流器對應的角度為π/4、3π/4。

圖6 短編組列車多重脈沖整流器拓撲圖

同一牽引變流器中兩重化脈沖整流器使用1.3節描述的方法進行載波移相。兩臺牽引變流器由兩個控制器分別控制，控制器之間無通信，但共用網壓信號，所以不同控制器之間載波移相的基準為網壓。牽引變流器內的控制器通過檢測網壓零點確定移相基準點，在每個網壓過零點通過調整載波周期值實現載波基準對準，確保移相有效[13]。

單編組4號車四象限脈沖整流器的開關頻率為450 Hz，移相過程如圖7所示。移相過程可簡述如：

(1) 牽引控制單元硬件電路根據網壓相位生成一個方波信號，該信號為載波同步信號，如圖7中標號①所示。硬件電路中包含二階帶通濾波器，用于選出50 Hz附近的網壓信號，在實際線路使用時，可以有效濾除干擾，提高可靠性。

(2) 判斷車號，若車號為4，則將載波同步信號滯后45°(對應278 ms)，如圖7中標號②所示，若判斷出車號為1，則載波同步信號保持不變。

(3) 軟件中調節載波周期值TBPRD，使載波零點與處理后的載波同步信號對齊[14]，形成一重四象限脈沖整流器的載波，如圖7中標號③所示。

(4) 二重四象限脈沖整流器載波在一重的載波基礎上超前90°生成，如圖7中標號④所示。

圖7 單編組4號車載波移相過程示意圖

經過移相控制，四個脈沖整流器載波實現了錯相，如圖8所示。

圖8 單編組整車四象限脈沖整流器載波波形

1.5 低開關頻率調制補償方法

動車組四象限脈沖整流器電壓等級高、功率大，開關頻率一般較低。軟件使用SPWM方式調制時，誤差較大，因此有必要在調制中加入針對低開關頻率的調制補償算法[15]。圖2中調制波Uab的表達式為

Uab=Uabd×sin(ωt)+Uabq×cos(ωt)

(2)

圖9 SPWM數字化實現的示意圖

(3)

將式(2)代入式(3)中可得：

(4)

(5)

2 試驗驗證

在CRH6F-A型動車組兩重化四象限脈沖整流器主電路上驗證本文提出的控制方法。主電路電氣參數：額定輸入電壓為25 kV，直流電壓Udc給定1 800 V，變壓器變比為25 000/950，變壓器二次側漏感為1.5 mH，直流側支撐電容為22 mF，額定功率1.5 MW，開關頻率450 Hz。

2.1 起動波形

兩重化四象限脈沖整流器起動過程如圖10所示。控制單元檢測到網壓正常且收到列車網絡發送的“閉合主斷路器指令”后，首先接通預充電接觸器，此時網壓以不控整流方式向支撐電容充電，待電容電壓穩定后，斷開預充電接觸器接通短接接觸器，此時因為切除了預充電電阻，電容電壓會進一步上升。待電容電壓穩定后，開通四象限脈沖整流器門極，四象限脈沖整流器進入閉環控制階段。由圖10可以看到，四象限脈沖整流器門極開啟后，電容電壓有小幅超調，然后迅速調節至給定值，平穩運行。門極開啟時刻，兩重四象限脈沖整流器輸入電流沖擊較小，系統穩定性較好。

圖10 兩重化四象限脈沖整流器起動波形

2.2 牽引工況

牽引逆變器起動后，四象限脈沖整流器帶1.5 MW負載運行，輸入電流、直流電壓波形如圖11所示。可以看出，四象限脈沖整流器輸入電流與網壓同相，使用電能質量分析儀測試，功率因數達到0.98以上。

圖11 牽引工況四象限整流器滿載運行波形

同時從圖11中電流波形可以看出，經過載波移相，兩個整流器輸入電流高次諧波的峰谷正好錯開，從而在變壓器一次側可以得到更接近正弦波的電流波形，減小了網側電流諧波。本次試驗測得網側電流總諧波失真(THD)小于5%。

2.3 制動工況

四象限脈沖整流器電壓環輸出為負值，帶載1.5 MW左右，直流電壓、輸入電流波形如圖12所示。從圖12中可以看出，兩個四象限脈沖整流器輸入電流與網壓相位相差180°，四象限脈沖整流器向電網回饋能量。兩重化四象限脈沖整流器輸入電流高次諧波波峰相互錯開，電流波形正弦度較好。使用電能質量分析儀測得網側功率因數大于0.98，變壓器一次側電流THD小于5%。

圖12 制動工況四象限脈沖整流器滿載運行波形

3 結 語

本文以虛擬電流d-q解耦控制為基礎，介紹了動車組上兩重化四象限脈沖整流器的控制方法以及整列車多重化四象限脈沖整流器載波移相方法，另外提出了針對大功率低開關頻率四象限脈沖整流器的調制補償算法。最后在CRH6F-A型動車組兩重化四象限脈沖整流器試驗平臺上驗證了所提控制方法，試驗結果表明該方法在實際應用中具有網側電流諧波小、功率因數高、系統運行穩定、響應迅速等優點，具有一定的工程應用推廣價值。