HX_D3D电力机车辅助变流器控制策略研究
刘刚刚
【摘 要】随着科技的迅速发展，电动机车的系统性能不断优化，使用范围越来越广，使用群体规模也越来越大。随着国家节能环保政策的提出，电力机车逐渐替代内燃机车，成为铁路运输的主要交通工具。论文针对HX_D3D电力机车辅助变流器控制策略进行研究，论述了辅助变流器的构成，以及HX_D3D电力机车辅助变流器的控制策略。
【Abstract】With the rapid development of science and technology， the system performance of motor vehicle is optimized continuously， and its range of use is wider and wider. With the proposal of national energy saving and environmental protection policy， electric locomotive gradually replaces diesel locomotive， and becomes the main transportation means of railway transportation. In this paper， the control strategy of auxiliary converter of HX_D3D electric locomotive is studied， and the composition of auxiliary converter and the control strategy of auxiliary converter of HX_D3D electric locomotive are discussed.
【關键词】电力机车；辅助变流器；控制策略；研究
【Keywords】electric locomotive； auxiliary converter； control strategy； research
【中图分类号】TM922.75 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）09-0169-02
1 辅助变流器的构成
1.1 辅助变流器主电路基本结构
HX_D3D电力机车辅助变流器，主要是由牵引变压器辅助绕组、单向整流桥、输出滤波器等构成。整流电路主要是通过变压器的次边获得电能，并将交流电转换为直流电，直流电经过滤波器之后，将直流电提供给逆变器[1]。逆变器将中间直流电进行转换，成为辅助负载的三相电流。HX_D3D电力机车上安装两个辅助变流器，并联进行连接，牵引变压器为其提供电能输送。
1.2 辅助变流器控制系统基本结构
辅助变流器是HX_D3D电力机车的重要组成部分，其主要的核心是辅助变流器控制单元，简称ACU。辅助变流器控制单元，主要包括核心控制电路，以及外围电路。HX_D3D电力机车ACU，控制电路的主要功能是执行算法运算、进行指令的传递、逻辑运算等[2]。ACU的控制核心主要是采用DSP+FPGA的模式，具体的结构，如下图1所示。
由图可知，控制电路中DSP主要的功能是负责指令传递与逻辑运算，而FPGA芯片的主要功能是接收DSP发布的指令，同时对外围的接口进行管控等。外围电路主要是为控制电流提供需要的服务，其属于接口电路。
1.3 辅助变流器的设计要求
辅助变流器的设计，对于HX_D3D电力机车的性能影响较大，其是电力机车可靠运行、负载能力的关键。对于辅助变流器的设计要求，主要包括以下几方面：①根据相关法律政策的规定，辅助变流器的输入电压，需要保证变流器的正常运行。HX_D3D电力机车规定的输入电压为25kV，规定的标准范围是17.5～31kV。若输入电压不在范围之内，会导致辅助变流器遭到损坏[3]。②设计过程中，需要保证直流母线电压为750V，调节范围控制在550～900V的范围之内。③对于逆变器的设计，其变压变频需要设计两种模式。若是其中一台辅助变流器出现故障，更新之后的辅助变流器在定压定额模式下，继续进行供电。④对于逆变器输出频率的设计，需要设计三个电位分别是25Hz、40Hz、以及50Hz，确定输出的电压范围是190～380V。注意各个变频档位，输出电压谐波畸变需要小于5%。⑤设计需要具有冗余性，确定额定不过输出容量是230KVA，同时保证在5s内可以支撑负载为1.5倍。⑥设计时需要注意辅助变流器的效率需要达到0.98以上。
2 HX_D3D电力机车辅助变流器的控制策略
2.1 四象限脉冲整流器的工作原理
如下图2所示，四象限脉冲整流器的电路图。由图可知，L代表交流测电感，S1a、S2a、S1b、S2b分别是桥臂1与桥臂2的上下管。uab代表桥臂的中断电压，Dd代表终端电容等[4]。四象限脉冲整流器电路的间流测电阻较小，可以不进行考虑。交流测电感的主要功能是对电能进行传递与存储，同时控制网侧高次谐波。直流测电容的主要功能是，将电能进行交换，使得直流电压保持稳定状态，同样具有控制直流侧谐波的作用。四象限脉冲整流器的工作原理是，开关闭合过程，电路进行电能存储，开关断开过程，电路进行电能释放，此时电容进行充电，同时给负载足够能量。
2.2 四象限脉冲整流器的控制策略
HX_D3D电力机车四现象脉冲整流器，主要的控制内容是稳压，以及网侧功率因数接近于1。稳压，主要是四象限脉冲整流器的直流侧电压不稳定时，直流侧输电压，能够通过网压波动、负载变化对电压进行控制，从而达到稳压的效果。确保网侧功率因素接近于1，需要确保交流侧电流与网压相位的谐波值最小化。四象限脉冲变流器，主要是利用双闭环矢量控制策略。双闭环矢量控制策略，其外环主要是电压控制环，作用是对直流母电压进行控制。由于控制的电压是直流电压，可以直接采用PI进行调节[5]。电流控制是整流器的主要作用，传统的电流控制策略主要有滞环电流控制，重复控制等。滞环电流控制主要调节直流电流，系统的反应能力较快，运算算法不受网压波动的干预。但是，滞环电流控制的开关频率不稳定，负荷过大的情况下，开关频率变化明显，容易导致部门零部件与开关损坏。预测电流控制，其控制能力较强，但是运算主要是依靠电路参数与变量，具有一定的局限性。PI控制，主要是对直流电进行控制，其对于三相脉冲整流器的控制效果较好，但是对于单向脉冲整流器，无法进行无稳态误差跟随。
2.3 辅助逆变器的控制策略
HX_D3D电力机车逆变器的负载是对称负载，辅助逆变器需要搭配四个传感器。传感器的作用：一个是进行信号输入，另外三个是分别输入三相逆变电流。辅助逆变器的控制策略，具体情况如下图3辅助逆变器控制框图所示。
HX_D3D电力机车的辅助逆变器是三相电压性两电平逆变器，主要是通过PWM原理进行工作。由图可知，辅助逆变器的控制策略，主要采用电压外环、电流内环的双闭环控制策略。电压环主要是对三相逆变器输出电压值进行控制，电流环主要是对交流侧滤波电感电流进行控制，从而形成双闭环控制。辅助逆变器与辅助整流器是辅助变流器的重要组成部分，合理地对其采取控制策略，能够提高辅助变流器的稳定性与动态性，确保HX_D3D电力机车的使用性能。
3 结论
综上所述，HX_D3D电力机车辅助变流器，主要是由牵引变压器辅助绕组、单向整流桥、输出滤波器等构成。HX_D3D电力机车辅助变流器的控制策略，主要包括辅助逆变器的控制策略，四象限脉冲整流器的控制策略，以及四象限脉冲整流器的工作原理。
【参考文献】
【1】郑勇，黄庆，秦方方.米轨机车辅助变流器输出特性仿真研究[J].大功率变流技术，2016（01）：13-16.
【2】闫春辉.一种电力机车辅助变流器控制单元[J].铁道机车与动车，2016（09）：13-16+4.
【3】王春蕾，王瑞，田长安，等.电力机车辅助变流器PWM整流器的控制研究[J].电力电子技术，2017，51（06）：9-10+28.
【4】谭喜堂，成林坤，朱琴跃，等.牵引变流器优化控制仿真研究[J].计算机仿真，2015，32（02）：188-193.
【5】郭其一，冯江华，张志学，等.车载网侧变流器电流谐波优化控制策略[J].同济大学学报（自然科学版），2015，43（05）：788-793.
【摘 要】随着科技的迅速发展，电动机车的系统性能不断优化，使用范围越来越广，使用群体规模也越来越大。随着国家节能环保政策的提出，电力机车逐渐替代内燃机车，成为铁路运输的主要交通工具。论文针对HX_D3D电力机车辅助变流器控制策略进行研究，论述了辅助变流器的构成，以及HX_D3D电力机车辅助变流器的控制策略。
【Abstract】With the rapid development of science and technology， the system performance of motor vehicle is optimized continuously， and its range of use is wider and wider. With the proposal of national energy saving and environmental protection policy， electric locomotive gradually replaces diesel locomotive， and becomes the main transportation means of railway transportation. In this paper， the control strategy of auxiliary converter of HX_D3D electric locomotive is studied， and the composition of auxiliary converter and the control strategy of auxiliary converter of HX_D3D electric locomotive are discussed.
【關键词】电力机车；辅助变流器；控制策略；研究
【Keywords】electric locomotive； auxiliary converter； control strategy； research
【中图分类号】TM922.75 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）09-0169-02
1 辅助变流器的构成
1.1 辅助变流器主电路基本结构
HX_D3D电力机车辅助变流器，主要是由牵引变压器辅助绕组、单向整流桥、输出滤波器等构成。整流电路主要是通过变压器的次边获得电能，并将交流电转换为直流电，直流电经过滤波器之后，将直流电提供给逆变器[1]。逆变器将中间直流电进行转换，成为辅助负载的三相电流。HX_D3D电力机车上安装两个辅助变流器，并联进行连接，牵引变压器为其提供电能输送。
1.2 辅助变流器控制系统基本结构
辅助变流器是HX_D3D电力机车的重要组成部分，其主要的核心是辅助变流器控制单元，简称ACU。辅助变流器控制单元，主要包括核心控制电路，以及外围电路。HX_D3D电力机车ACU，控制电路的主要功能是执行算法运算、进行指令的传递、逻辑运算等[2]。ACU的控制核心主要是采用DSP+FPGA的模式，具体的结构，如下图1所示。
由图可知，控制电路中DSP主要的功能是负责指令传递与逻辑运算，而FPGA芯片的主要功能是接收DSP发布的指令，同时对外围的接口进行管控等。外围电路主要是为控制电流提供需要的服务，其属于接口电路。
1.3 辅助变流器的设计要求
辅助变流器的设计，对于HX_D3D电力机车的性能影响较大，其是电力机车可靠运行、负载能力的关键。对于辅助变流器的设计要求，主要包括以下几方面：①根据相关法律政策的规定，辅助变流器的输入电压，需要保证变流器的正常运行。HX_D3D电力机车规定的输入电压为25kV，规定的标准范围是17.5～31kV。若输入电压不在范围之内，会导致辅助变流器遭到损坏[3]。②设计过程中，需要保证直流母线电压为750V，调节范围控制在550～900V的范围之内。③对于逆变器的设计，其变压变频需要设计两种模式。若是其中一台辅助变流器出现故障，更新之后的辅助变流器在定压定额模式下，继续进行供电。④对于逆变器输出频率的设计，需要设计三个电位分别是25Hz、40Hz、以及50Hz，确定输出的电压范围是190～380V。注意各个变频档位，输出电压谐波畸变需要小于5%。⑤设计需要具有冗余性，确定额定不过输出容量是230KVA，同时保证在5s内可以支撑负载为1.5倍。⑥设计时需要注意辅助变流器的效率需要达到0.98以上。
2 HX_D3D电力机车辅助变流器的控制策略
2.1 四象限脉冲整流器的工作原理
如下图2所示，四象限脉冲整流器的电路图。由图可知，L代表交流测电感，S1a、S2a、S1b、S2b分别是桥臂1与桥臂2的上下管。uab代表桥臂的中断电压，Dd代表终端电容等[4]。四象限脉冲整流器电路的间流测电阻较小，可以不进行考虑。交流测电感的主要功能是对电能进行传递与存储，同时控制网侧高次谐波。直流测电容的主要功能是，将电能进行交换，使得直流电压保持稳定状态，同样具有控制直流侧谐波的作用。四象限脉冲整流器的工作原理是，开关闭合过程，电路进行电能存储，开关断开过程，电路进行电能释放，此时电容进行充电，同时给负载足够能量。
2.2 四象限脉冲整流器的控制策略
HX_D3D电力机车四现象脉冲整流器，主要的控制内容是稳压，以及网侧功率因数接近于1。稳压，主要是四象限脉冲整流器的直流侧电压不稳定时，直流侧输电压，能够通过网压波动、负载变化对电压进行控制，从而达到稳压的效果。确保网侧功率因素接近于1，需要确保交流侧电流与网压相位的谐波值最小化。四象限脉冲变流器，主要是利用双闭环矢量控制策略。双闭环矢量控制策略，其外环主要是电压控制环，作用是对直流母电压进行控制。由于控制的电压是直流电压，可以直接采用PI进行调节[5]。电流控制是整流器的主要作用，传统的电流控制策略主要有滞环电流控制，重复控制等。滞环电流控制主要调节直流电流，系统的反应能力较快，运算算法不受网压波动的干预。但是，滞环电流控制的开关频率不稳定，负荷过大的情况下，开关频率变化明显，容易导致部门零部件与开关损坏。预测电流控制，其控制能力较强，但是运算主要是依靠电路参数与变量，具有一定的局限性。PI控制，主要是对直流电进行控制，其对于三相脉冲整流器的控制效果较好，但是对于单向脉冲整流器，无法进行无稳态误差跟随。
2.3 辅助逆变器的控制策略
HX_D3D电力机车逆变器的负载是对称负载，辅助逆变器需要搭配四个传感器。传感器的作用：一个是进行信号输入，另外三个是分别输入三相逆变电流。辅助逆变器的控制策略，具体情况如下图3辅助逆变器控制框图所示。
HX_D3D电力机车的辅助逆变器是三相电压性两电平逆变器，主要是通过PWM原理进行工作。由图可知，辅助逆变器的控制策略，主要采用电压外环、电流内环的双闭环控制策略。电压环主要是对三相逆变器输出电压值进行控制，电流环主要是对交流侧滤波电感电流进行控制，从而形成双闭环控制。辅助逆变器与辅助整流器是辅助变流器的重要组成部分，合理地对其采取控制策略，能够提高辅助变流器的稳定性与动态性，确保HX_D3D电力机车的使用性能。
3 结论
综上所述，HX_D3D电力机车辅助变流器，主要是由牵引变压器辅助绕组、单向整流桥、输出滤波器等构成。HX_D3D电力机车辅助变流器的控制策略，主要包括辅助逆变器的控制策略，四象限脉冲整流器的控制策略，以及四象限脉冲整流器的工作原理。
【参考文献】
【1】郑勇，黄庆，秦方方.米轨机车辅助变流器输出特性仿真研究[J].大功率变流技术，2016（01）：13-16.
【2】闫春辉.一种电力机车辅助变流器控制单元[J].铁道机车与动车，2016（09）：13-16+4.
【3】王春蕾，王瑞，田长安，等.电力机车辅助变流器PWM整流器的控制研究[J].电力电子技术，2017，51（06）：9-10+28.
【4】谭喜堂，成林坤，朱琴跃，等.牵引变流器优化控制仿真研究[J].计算机仿真，2015，32（02）：188-193.
【5】郭其一，冯江华，张志学，等.车载网侧变流器电流谐波优化控制策略[J].同济大学学报（自然科学版），2015，43（05）：788-793.
