一種應用于電氣化鐵路電能治理的諧波控制裝置的制作方法

本發明屬于電氣化鐵路領域，涉及一種諧波控制裝置及方法，尤其是涉及一種應用于電氣化鐵路電能治理的諧波控制裝置。

背景技術：

電氣化鐵路牽引供電網的供電可靠和安全性是電力機車安全、可靠、經濟運行的重要保障。而電力機車作為一種特殊的電力負荷，其釆用單相供電方式，在未采取補償措施時不可避免地向上級電力系統注入負序電流；由于電力機車負荷為整流驅動和具有隨機性，同時帶來了無功、諧波、電壓波動等電能質量問題嚴重惡化了牽引供電網及其上級電力系統的電能質量。其中，負序電流增大同步電機的附加損耗、降低變壓器出力、引起繼電保護裝置誤動等；諧波電流引起發電機、變壓器、輸電線路附加損耗，并可能產生諧波放大燒毀電力設備；無功功率不足增加輸電線路損耗，降低電壓水平，給電力系統和牽引網的安全可靠供電帶來了挑戰。因此，必須采取有效的治理措施，對牽引供電網的電能質量進行控制，使其處于允許范圍內，以保證電力系統和牽引網安全可靠供電。

目前國內外提出的電氣化鐵路負序、諧波和無功綜合補償方法可以分為主動治理和被動治理兩類。主動治理方法主要有：(1)規劃時增大牽引網容量，提高牽引網電能質量問題容忍能力；(2)牽引變電所進線換相接入，可明顯降低因牽引網單相供電產生的負序；(3)采用平衡牽引變壓器降低負序；(4)釆用交直交型電力機車，可有效降低機車諧波含量，且功率因數接近1，但不能解決負序問題。被動治理方法主要有：(1)無源補償器，主要是靜止無功補償器(staticvarcompensator，svc)；(2)有源補償器，主要有單相接入的有源電力濾波器(activepowerfilter，apf)、三相接入的靜止同步補償器(staticcompensator，statcom)、兩相接入的鐵路功率調節器(railwaypowerconditioner，負序動態調節裝置)及各種變型結構。但是這些方式或技術只能部分改善電能質量，無法有效解決電氣化鐵路中嚴重存在的負序問題。

基于上述原因和現有市場產品的缺陷和不足，學者及企業開始研究電氣化鐵路電能治理調節裝置，它具有有功電流轉移、無功補償、穩定牽引網電壓和濾波諧波等功能，取代目前市場產品及技術。但該裝置的難點是選擇合理的電流環參數，尤其是當牽引電網存在諧波時，電流環比例參數變換帶寬的大小將受影響，較大的帶寬可以實現對諧波分量的抑制，但參考指令中將含有一定的諧波分量，一定程度上會惡化系統的控制效果，可是帶寬的減小必然會造成響應速度的變慢等問題，本專利將實現參數選擇帶寬與諧波治理效果的優化。

傳統方法是采用多pi控制策略，建立多個同步旋轉坐標系對各次諧波分量進行單獨控制，這需要大量的諧波分解、濾波器設計和坐標變換；還有采用比例-積分-諧振(pir)控制策略，通過在pi控制器上添加比例諧振控制器(pr)實現對諧波抑制。但在實際設計應用中發現pir與pr控制器存在兩個問題：①比例項的存在將控制器整個頻段的增益都提高，很難實現對諧波分量的抑制。②控制器的諧振部分都是由一階分子和二階分母組成，無法實現諧振點處的閉環傳遞函數零相位響應，不利于對諧波分量的抑制。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種應用于電氣化鐵路電能治理的諧波控制裝置。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種應用于電氣化鐵路電能治理的諧波控制裝置，包括主電路和控制電路，所述控制電路包括dsp控制模塊，所述dsp控制模塊根據采集的電網信號產生相應的pwm脈沖，控制主電路進行無功與諧波補償，所述dsp控制模塊包括改進型諧波抑制控制結構，該改進型諧波抑制控制結構包括：

基波控制器，以參考信號與反饋信號的差值作為輸入，所述反饋信號為從主電路采集的逆變器輸出電流；

諧波控制器，設置有多個，與所述基波控制器分離設置，以反饋信號作為輸入；

耦合控制器，分別連接基波控制器和諧波控制器，根據基波控制器和諧波控制器的輸出及擾動生成輸出控制信號，并將所述輸出控制信號作為反饋信號。

所述基波控制器和諧波控制器的傳遞函數為：

其中，h表示諧波次數，krh表示h次諧波下控制器的增益系數，ωch表示h次諧波帶寬系數，ωh表示h次諧振點角頻率，l和r表示電氣化鐵路電能治理調節裝置的電感和等效電阻。

所述耦合控制器還連接有擾動輸入端。

所述主電路包括vv變壓器、降壓變壓器、第一pwm變換器和第二pwm變換器，所述vv變壓器分別連接三相高壓電源和電力機車，所述降壓變壓器設有兩個，其中一個分別連接電力機車的一供電臂和第一pwm變換器，另一個分別連接電力機車的另一供電臂和第二pwm變換器，所述第一pwm變換器和第二pwm變換器通過一直流電容串聯，所述第一pwm變換器和第二pwm變換器分別與dsp控制模塊連接。

所述控制電路還包括分別與dsp控制模塊連接的電壓電流采樣電路、驅動電路、顯示輸入電路和保護電路，所述dsp控制模塊為dsp芯片，所述改進型諧波抑制控制結構集成于dsp芯片中，所述驅動電路與主電路連接。

所述dsp芯片為dsp28335集成控制板。

所述dsp芯片通過通訊模塊連接有上位機。

所述通訊模塊為隔離型rs-485全雙工收發器。

所述驅動電路為dr-pow2驅動芯片。

與現有技術相比，本發明具有以下優點：

1)本發明對基波控制器和諧波控制器進行分離設置，對各次諧波分量進行單獨控制，基波控制器的輸入為參考量與反饋量的差值，諧波控制器的輸入只有反饋信號，且省去qpr控制器的比例項，在諧振部分增加零點，不僅能夠最大化程度治理電氣化鐵路牽引供電電網諧波及無功補償，還可以使得控制策略及結構設計達到簡化，減少計算量。

2)本發明的主電路主要由兩個單相降壓變壓器、兩個電壓源型變流器(pwm)組成背靠背的四象限運行結構，直流側共用電容，交流側分接于牽引變電所兩供電臂，具有有功電流轉移、無功補償、穩定牽引網電壓和濾波高次諧波等功能。

3)本發明dsp控制模塊的硬件設計中，dsp芯片采用dsp28335集成控制板，集成了眾多接口，簡化了外圍電路的設計；通訊模塊采用隔離型rs-485全雙工收發器，將隔離通道與收發器集成在一個芯片上，省去了中間額外的設計環節并縮小體積；驅動電路采用dr-pow2驅動芯片，具有電隔離功能，可以實現主電路中兩個互補的igbt管的驅動。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖；

圖2為本發明控制電路的硬件總體設計圖；

圖3為隔離型rs-485全雙工收發器iso3082的電路示意圖；

圖4為dr-pow2驅動芯片的電路示意圖；

圖5為本發明的負序補償矢量原理圖；

圖6為本發明改進型控制器與傳統qpr控制器的開環伯德圖比較；

圖7為本發明改進型諧波抑制控制結構的框圖；

圖8為參考信號對輸出的閉環伯德圖；

圖9為采用傳統諧波消除技術后電氣化鐵路電能治理調節裝置輸出電流諧波頻譜；

圖10為采用改進型諧波消除技術后電氣化鐵路電能治理調節裝置輸出電流諧波頻譜。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。本實施例以本發明技術方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。

本實施例提供一種應用于電氣化鐵路電能治理的諧波控制裝置，包括主電路和控制電路，如圖1所示。其中，主電路包括vv變壓器、降壓變壓器、第一pwm變換器和第二pwm變換器，vv變壓器分別連接三相高壓電源和電力機車，降壓變壓器設有兩個，其中一個分別連接電力機車的一供電臂和第一pwm變換器，另一個分別連接電力機車的另一供電臂和第二pwm變換器，第一pwm變換器和第二pwm變換器通過一直流電容串聯，第一pwm變換器和第二pwm變換器分別與dsp控制模塊連接。第一pwm變換器主要是對牽引變左橋臂進行流入和流出控制；第二pwm變換器主要是對牽引變右橋臂進行流入和流出控制；降壓變壓器主要起到降壓和隔離作用；vv變壓器主要起到降壓及供電給機車；第一pwm變換器與第發給pwm變換器之間的直流電容cd起儲能和平波作用，使兩變換器相互之間實現解耦而互不影響。

控制電路包括dsp控制模塊、電壓電流采樣電路、顯示輸入電路、驅動電路和保護電路，dsp控制模塊根據采集的電網信號產生相應的pwm脈沖，控制主電路進行無功與諧波補償；dsp控制模塊為dsp芯片；電壓電流采樣電路的主要功能是對電網電流的有功、無功、諧波和電網電壓相位檢測，從而控制平衡以及能量流動方向；保護電路主要是過壓、欠壓、過流等信號的檢測，用于保護電氣化鐵路電能質量綜合治理裝置的功率器件；顯示輸入電路為外圍電路，用于顯示和參數設定。控制電路可采用合適的控制方法，聯合兩逆變器實現有功功率從一供電臂轉移至另一供電臂，同時能各自進行無功與諧波補償，從而達到負序和諧波補償的目的；驅動電路用于根據dsp芯片輸出pwm波驅動主電路中的igbt工作。

控制電路的硬件總體設計如圖2所示，其中dsp芯片采用集成了眾多接口的dsp28335集成控制板，接口包括dsp、sram、eprom、a/d、pwm、can等。該dsp芯片簡化了外圍電路設計，只需信號采樣電路、pwm脈沖驅動電路和過壓過流保護電路即可。

dsp芯片通過通訊模塊連接有上位機，通訊模塊采用485串口通信，相比較于rs-232通信而言。具有傳輸速度快、傳輸距離長和抗干擾性能強的特點。在較遠距離的傳輸時往往會有接地環路、瞬態電壓等干擾，為了保證系統的安全與可靠，一個可靠的隔離設計非常重要，以往都是在控制器與收發器的中間接入一個光耦或數字隔離器進行隔離，這造成設計難度與產品體積的增加，尤其是配置成全雙工通信時這種情況更為明顯，本實施例通訊模塊采用電容隔離式的隔離型rs-485全雙工收發器iso3082，能有效的改善這兩個問題，它將隔離通道與收發器集成在一個芯片上，省去了中間額外的設計環節并縮小體積，其電路結構如圖3所示。

igbt是mosfet與雙極晶體管的復合器件。它既有mosfet易驅動的特點，又具有功率晶體管電壓、電流容量大等優點。其頻率特性介于mosfet與功率晶體管之間，可正常工作于幾十khz頻率范圍內，故在較高頻率的大、中功率應用中占據了主導地位。igbt是電壓控制型器件，在它的柵極-發射極間施加十幾v的直流電壓，只有μa級的漏電流流過，基本上不消耗功率。但igbt的柵極-發射極間存在著較大的寄生電容(幾千至上萬pf)，在驅動脈沖電壓的上升及下降沿需要提供數a的充放電電流，才能滿足開通和關斷的動態要求，這使得它的驅動電路也必須輸出一定的峰值電流。igbt作為一種大功率的復合器件，存在著過流時可能發生鎖定現象而造成損壞的問題。在過流時如采用一般的速度封鎖柵極電壓，過高的電流變化率會引起過電壓，為此需要采用軟關斷技術，因而igbt的驅動是十分必要的。

igbt的驅動電路必須具備2個功能：一是實現控制電路與被驅動igbt柵極的電隔離；二是提供合適的柵極驅動脈沖。實現電隔離可采用脈沖變壓器、微分變壓器及光電耦合器。本實施例中，驅動電路采用dr-pow2驅動芯片，可以同時驅動兩個互補的igbt管。dr-pow2驅動芯片的電路結構如圖4所示。

由于高速鐵路機車一般為交直交電力機車，采取四象限脈寬調制(pulsewidthmodulation，pwm)脈沖整流控制方式，功率因數接近1。為便于分析，假設v/v牽引變壓器變比kb＝1，α相供電臂有機車負載電流為iαl，而β相供電臂機車負載電流為iβl。

如圖5所示，ua、ub、uc為原邊三相電壓，uα、uβ為牽引變壓器副邊電壓，其相角相差π/3。在負序動態調節裝置補償前，兩橋臂分別有有功機車負載電流iαl和iβl，首先通過負序動態調節裝置將兩牽引臂有功電流差值的1/2(即為(iαl-iβl)/2)，從輕載側轉移到重載側，此時兩橋臂電流的幅值分別為iα和iβ，其幅值相等，相角相差π/3，但此時可計算得到電流不平衡度為50％。在此基礎上，在α橋臂補償一定的容性無功電流icα，使電流icβ滯后該橋臂電壓π/6，此時有

這樣補償之后得到的兩橋臂電流iα、iβ分別與ia和ib重合，相角相差2π/3，并可以求得原邊c相電流。此時原邊三相電流完全對稱，負序電流為0，并且可推知原邊三相功率因數都為1，此時就到達了綜合補償的目的。對于其他任何負載情況下的v/v牽引系統，負序動態調節裝置都遵循上述的負序補償原理。

本實施例的dsp控制模塊包括改進型諧波抑制控制結構，該改進型諧波抑制控制結構包括：

基波控制器，以參考信號與反饋信號的差值作為輸入，反饋信號為從主電路采集的逆變器輸出電流；

諧波控制器，設置有多個，與基波控制器分離設置，以反饋信號作為輸入；

耦合控制器，分別連接基波控制器和諧波控制器，根據基波控制器和諧波控制器的輸出及擾動生成輸出控制信號，耦合控制器還連接有擾動輸入端。

基波控制器和諧波控制器的傳遞函數為：

其中，h表示諧波次數，krh表示h次諧波下控制器的增益系數，ωch表示h次諧波帶寬系數，ωh表示h次諧振點角頻率，l和r表示電氣化鐵路電能治理調節裝置的電感和等效電阻。

本發明的基波控制器和諧波控制器基于傳統qpr控制器改進，省去比例項，并在諧振項添加一個零點，與耦合項1/(ls+r)抵消，進而消除由于控制對象對控制器性能的影響，減小非諧振點增益。其開環伯德圖(以基頻50hz為例)如圖6所示。

圖6中npr和qpr分別表示本發明的改進型控制器和準比例諧振控制器。首先分析幅頻特性，npr在諧振點(50h)處增益近似無窮大，而在非諧振點部分的增益非常小，可以無靜差的跟蹤諧振點電流，同時抑制非諧振點電流。qpr控制器在諧振點同樣具有無窮大增益，但是比例項的存在導致在非諧振頻段也具有較大的增益，不利于抑制非諧振頻段的信號。分析相頻特性可得，npr控制器在諧振點的相位響應為90℃，考慮到逆變器濾波器以及信號采樣和數字處理所造成的延時效應，合理的設計控制器參數可以實現對諧振信號的零相位響應。而qpr控制器在諧振點處的相位響應為0℃，與控制對象串聯后很難實現對諧振點信號零相位響應。

本實施例的改進型諧波抑制控制結構如圖7所示，將基波控制器與諧波控制器分離，其中基波控制器的輸入為參考信號與反饋信號的差值，諧波控制器的輸入只有反饋信號。其中，iα_ref^*為參考變量，iα_out為兩相靜止坐標系下逆變器輸出電流，gnpr_h為改進型控制器，n為擾動變量，gsys＝1/(ls+r)。

可以分別得到參考變量和擾動變量對輸出的傳遞函數為：

對應的伯德圖如圖8所示，可以看出，參考量對輸出的閉環傳遞函數在基波附近增益為1，相位響應為零，在非諧振頻段增益較低，且在5、7等諧波處增益接近0。

改進型諧波抑制結構的本質是：諧波控制器只作用在輸出擾動端。所以，改進后的控制系統不但可以無靜差的跟蹤參考指令中的基波部分，而且可以有效的抑制擾動量所引入的諧波信號。

圖9為采用傳統諧波消除技術后電氣化鐵路電能治理調節裝置輸出電流諧波頻譜，電流的thd含量為2.12％，雖然滿足并網要求5％，但同時可以看出其5、7等諧波含量較高，對諧波治理還是有限。

圖10為采用改進型諧波消除技術后電氣化鐵路電能治理調節裝置輸出電流諧波頻譜，電流的thd為1.15％，由于控制系統中引入了基波、5、7、11次諧振控制器，所以對應次諧波含量都低于傳統方法，更有效的擬制電網諧波。

以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術人員無需創造性勞動就可以根據本發明的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護范圍內。