四象限变流器控制策略的探讨1

四象限变流器控制策略的探讨1,概述交流传动技术是我国铁路牵引动力发展的主要方向。

对于单相供电牵引主变流器来说，电源侧四象限变流器是整个牵引系统的重要组成部分，对四象限变流器的控制策路对电网中的动率因数和电网电流中的高次谐波的含量有着决定性的影响。

对四象限变流器的控制必须达到以下两个目的：①但电网电压或负载发生变化时，维持中间回路直流电压的恒定；②使电网电流接近正弦波，电网功率因数接近于1，电网电流中的高次谐波的含量尽可能小，满足轨道电路对谐波电流限值的要求。

2,单相四象限变流器工作原理2.1,单相四象限变流器主电路原理图图1 单个四象限变流器主电路原理图图1中：方框部分是变压器牵引绕组的等效电路，L N 和R N 分别为折合到二次侧的牵引变压器绕组的漏感和电阻。

L2 和C2 构成二次滤波回路, C d 为直流侧支撑电容。

U N 为变压器二次侧电压矢量, I N1 为变压器二次侧电流的基波矢量, V1～V4 为可关断电力电子开关器件, D1～D4 为功率二极管, 通过对V1～V4 进行适当的导通与关断控制可以对直流侧电压进行调制, 从而在四象限变流器的输入端A、B生成一个与电网同步的脉宽调制波,记为U S 。

2.2,单相四象限变流器交流电网侧等效电路对于图1所示的单相四象限变流器主电路原理图，交流电网侧电路可以等效为图2。

图2 四象限变流器交流电网侧等效电路图图2 四象限变流器交流电网侧等效电路图2.3, 二次侧交流回路电压方程由图2可以得到二次侧交流回路的矢量电压方程:U N= U s－I N R N－jωL N I N ⑴假设U N和U S之间的相位差为Ψ,在牵引工况下, U N和I N的相位差应为0°,则用该方程表示牵引工况的矢量如图3(a) 所示,此时U S滞后I N；而对于再生制动工况, U N和I N的相位差应为180°,该工况下的矢量如图3 (b) 所示,此时US超前U N。

(a) 牵引工况 (b) 再生工况图3 四象限变流器控制矢量图由方程(1) 和矢量图可知: 如果变压器二次侧电压U N和电感I N为已知量,那末只要控制了U S的幅值和相位,也就控制了I N的幅值和相位。

反之,只要控制了I N的幅值和相位,也就控制了U S的幅值和相位,因此方程(1) 是实现四象限变流器控制的基本公式。

通常采用的双闭环控制的原理就是由此而来,它是通过控制U S的幅值来调节I N的相位,保证交流侧电网的基波功率因数为1；而通过调节U S的相位来调节I N的幅值,保证直流侧电压U d的稳定。

3，单相四象限变流器控制策略要使四象限变流器工作时达到单位功率因数，必须对电流进行控制，保证其为正弦且与电压同相或反相。

根据有没有引入电流反馈可以将这些控制方法分为两种：没有引入交流电流反馈的称为间接电流控制，间接电流控制也称为相位幅值控制；引入交流电流反馈的称为直接电流控制。

3.1间接电流控制⑴间接电流控制工作原理间接电流控制没有引入交流电流控制信号，而是通过控制四象限变流器的交流输入端电压，间接控制输入电流，故称间接电流控制。

又因其直接控制量为电压，所以又称为相位幅值控制。

间接电流控制具体的数学公式为：I N1=K p(U dg-U d)+1/T i∫(U dg-U d)dtI N2= I d I d /U NI N= I N1 + I N2u s (t) = u N (t)-( I N R N sinωt+ I NωL N cosωt) ⑵式中：K p和T i为PI调节器的参数；U dg为中间直流侧电压给定值，U d分别为中间直流电压实际值；I d分别为中间直流电流实际值；U N为交流侧电压的有效值；u N (t)为交流侧电压的瞬时值；I N为交流侧电流幅值的给定值；ω为网侧电压角频率；u s (t) 为电压的调制信号。

将电压调制信号u s(t)与三角载波比较，产生控制用的PWM信号，控制主电路的工作。

⑵间接电流控制原理图框图如图图2间接电流控制框图图中： PLL为锁相环, 用于保证所产生的i(T)与电网同步。

中间直流电压给定值U dg与反馈的中间直流电压实际值U d进行比较，若U dg＝U d时，误差ΔE=0, I N1保持恒定；若U dg＞U d时，误差ΔE＞0, I N1增大，I N增大，输入功率增大；若U dg＜U d时，误差ΔE＜0, I N1减小，I N减小，输入功率减小。

通过电压反馈，改变输入电流的大小，调节输入的功率，从而维持中间直流电压的稳定。

交流侧指令电流幅值I N，经过两个乘法器转换成输入电流的有功分量i p和无功分量i q，分别经R和ωL环节，转换成电压信号。

再与电源电压u N(t)相减后，便得到给定电压的调制信号u s(t)。

将调制信号u s与三角波比较，产生控制用的PWM信号，控制主电路的工作。

⑶间接电流控制的优缺点这种控制方式的电路简单。

但由于缺少了电流环，响应速度受到一定程度的影响；另外，用到了电路参数R、L，电路参数与给定参数一致性较差，也会影响控制的精度。

3.2直接电流控制与间接电流控制不同，在控制电路中引入交流输入电流反馈信号，对输入电流进行直接控制，称为直接电流控制。

根据电流跟踪方法的不同，直接电流控制可分为滞环电流控制、定时瞬时值电流控制、瞬态直接电流控制、预测直接电流控制等。

3.2.1,滞环电流控制⑴滞环电流控制工作原理滞环直接电流控制是将交流侧实际电流i N(t)与交流侧指令电流I N sinωt之差Δi经滞环比较，直接产生主电路开关通断所需的PWM信号。

其数学公式为：I N1=K p(U dg-U d)+1/T i∫(U dg-U d)dtI N2= I d I d /U NI N= I N1 + I N2Δi= I N sinωt- i N (t)S K=S K*(-ε＜Δi (t)＜ε)S K=１(Δi (t)＞ε)S K=0(Δi (t) ＜-ε)K=1,2 ⑶式中：i N (t)为交流侧电流的瞬时值；S K=１，PWM信号为高电平；S K=0，PWM信号为低电平。

S K*为上一时刻的值，2ε为滞环的宽度。

当交流侧指令电流I N sinωt与交流侧实际电流i N(t)之差︱Δi（t）︳＜ε时, PWM信号保持不变；当Δi（t）＜-ε时，PWM信号为低电平，对应的开关管关断，电感L N释放能量，Δi（t）逐渐减小（支撑电容Cd充电）；当Δi（t）＞ε时，PWM信号为高电平，对应的开关管导通，电感L N储能，Δi（t）逐渐增大（支撑电容Cd放电）。

⑵滞环直接电流控制原理图框图如图图3滞环电流比较法控制原理图I N和一个与电压同相的单位正弦信号sinωt相乘得到指令电流I N sinωt，再与检测到的电流i N(t)比较，经过滞环产生PWM调制信号，对各开关器件进行控制，使交流侧的实际电流i N (t)始终跟踪指令电流I N sinωt。

⑶滞环直接电流控制的优缺点滞环电流比较法控制实现很方便，控制简单，且控制误差可由滞环宽度调节，若设计合适可达到较高的控制精度。

但滞环电流比较法控制的不足之处是开关频率不固定，滤波器的设计复杂。

3.2.2,定时瞬时电流控制⑴定时瞬时电流控制工作原理定时瞬时电流控制的原理是在滞环电流控制的基础上，对滞环产生的PWM信号的开关频率进行限制。

在实际控制电路中，只需在滞环电流控制PWM信号端加入一个D触发器，其时钟信号的频率即是PWM信号的开关频率。

⑵定时瞬时电流控制原理图框图图4定时瞬时电流比较法控制原理图⑶定时瞬时电流控制的优缺点定时瞬时电流比较法控制可有效克服滞环电流控制开关频率变化的缺点，使开关频率固定。

但电流跟踪误差受到电网电压影响，且控制电路要比滞环电流比较控制复杂。

3.2.3,瞬态直接电流控制⑴瞬态电流控制工作原理瞬态电流控制基本数学公式为：I N1=K p(U dg-U d)+1/T i∫(U dg-U d)dtI N2= U d I d /U NI N= I N1 + I N2u s (t) = u N (t)-( I N R N sinωt+ I NωL N cosωt)-K p［I N sinωt- i N (t)］⑷式中：K p是调节器的参数与间接电流控制相比，瞬态电流控制引入了瞬态电流反馈，这是为了提高直流侧电压动态相应性能，提高直流侧电压稳定速度。

⑵瞬态直接电流控制原理图框图图5瞬态直接电流控制原理图框图交流侧指令电流幅值I N*，经过两个乘法器转换成输入电流的有功分量i p和无功分量i q，分别经R和ωL环节，转换为电压信号u L(t)。

I N*和一个与电压同相的单位正弦信号sinωt相乘得到指令电流I N*sinωt，与检测到的电流i N (t)减，再经比例放大转换为电压调节信号u i(t)u L(t)、u i(t)再与电源电压u N(t)相减后，便得到给定电压的调制信号u s(t)。

将调制信号u s 与三角波比较，产生控制用的PWM信号，控制主电路的工作。

⑶瞬态电流反馈分析由四象限变流器牵引工况矢量图可知：I N必须与U N同相位，I N的幅值越大，则U L和U R 就越大，因而U s的幅值就越小，U s与U N的相位差ψ就越大；反之，I N的幅值越小，则U L和U R就越小，因而U s的幅值就越大，U s与U N的相位差ψ就越小。

若L↑R↑→U L↑U R↑→U s↓ψ↑→I N↑→I N*sinωt－i N(t)＜0→u N(t)- u i(t)＞u N(t)→u s(t)↑ψ↓→i N(t)↓若L↓R↓→U L↓U R↓→U s↑ψ↓→I N↓→I N*sinωt－i N(t)＞0→u N(t)- u i(t)＜u N(t)→u s(t)↓ψ↑→i N(t)↑瞬态电流控制引入了瞬态电流反馈，这是为了提高直流侧电压动态相应性能，提高直流侧电压稳定速度。

⑷瞬态直接电流控制的优缺点瞬态电流控制引入了电流反馈，动态相应性能，直流侧电压稳定速度，控制精度较高，，开关频率固定，且单一桥臂的开关控制互补，便于系统的谐波分析。

3.2.3,预测直接电流控制⑴预测直接电流控制工作原理预测直接电流控制的控制策路为每经过一个PWM 开关周期T S ，使实际电流与指令电流相等。

即在任一PWM 开关周期（t n , t n +T S ）内，电流必须满足：i N (t n +T S )= i N (t n )由于变压器绕组的电阻很小可忽略不计，可得瞬态电流控制基本数学公式为： I N1=K p (U dg -U d )+1/T i ∫(U dg -U d )dt I N2=U d I d /U N I N = I N1 + I N2sin s N p N N u u K I t i --（t ）＝（t ）［ω（t ）］⑸式中：K p 是调节器的参数K p =L N /T C ，T C 是三角载波的周期将调制信号u s 与三角波比较，产生控制用的PWM 信号，控制主电路的工作。