一種實(shí)現(xiàn)逆變器參考電壓相位快速調(diào)整的相位切換方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及不斷電過電分相，使用逆變器為中性段供電的應(yīng)用場(chǎng)合。
【背景技術(shù)】
[0002]電力機(jī)車(動(dòng)車組)過電分相的方法有多種，早期列車速度較慢，通常采用手動(dòng)過電分相，在分相區(qū)設(shè)有分相標(biāo)志指揮司機(jī)過電分相操作。到中性段前，司機(jī)先將牽引級(jí)位降到0，斷開輔助系統(tǒng)，再將牽引變壓器原邊主斷路器斷開，使機(jī)車不帶電通過中性段。機(jī)車進(jìn)入下一相供電臂的供電區(qū)后，司機(jī)合上主斷路、并啟動(dòng)輔助系統(tǒng)、逐步恢復(fù)牽引級(jí)位。手動(dòng)過電分相司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度大，在過分相時(shí)必須由司機(jī)斷電，如果沒斷電過電分相，會(huì)在進(jìn)入中性段時(shí)牽引網(wǎng)與受電弓產(chǎn)生過電壓拉弧，燒壞牽引網(wǎng)和受電弓，甚至兩相短路等嚴(yán)重事故，隨著列車運(yùn)行速度的不斷提高這一問題將更為突出。
[0003]目前，電力機(jī)車(動(dòng)車組)通常采用自動(dòng)過電分相方法，主要有二種方法:地面自動(dòng)過分相和車上自動(dòng)過分相。采用地面過電分相時(shí)，電力機(jī)車(動(dòng)車組)不需要任何動(dòng)作，主電路斷電時(shí)間很短，適合坡度較大的和運(yùn)量大的困難地段，日本將這種方法用于高速動(dòng)車組。
[0004]附圖1為傳統(tǒng)地面自動(dòng)過分相裝置的工作原理圖，其工作過程如下:當(dāng)電力機(jī)車(動(dòng)車組)運(yùn)行到CGl時(shí)(列車運(yùn)行方向如圖所示；CGl?CG4為機(jī)車位置傳感器，用于產(chǎn)生開關(guān)切換信號(hào)，列車運(yùn)行到某一位置時(shí)，相應(yīng)的開關(guān)動(dòng)作)，開關(guān)Kl閉合，中性段接觸網(wǎng)由A相供電，待機(jī)車進(jìn)入中性段，到達(dá)CG3時(shí)，Kl斷開，K2迅速合上，完成中性段供電的換相變換。由于此時(shí)中性段已由B相供電，電力機(jī)車(動(dòng)車組)可以在不用任何附加操作，負(fù)荷基本不變的情況下通過分相段，待機(jī)車駛離CG4處時(shí)，K2斷開，各個(gè)設(shè)備恢復(fù)原始狀態(tài)。反向行駛時(shí)，由控制系統(tǒng)控制兩個(gè)開關(guān)以相反順序輪流斷開與閉合。地面過電分相時(shí)，電力機(jī)車(動(dòng)車組)在中性段進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，是帶載斷開分相開關(guān)，會(huì)生產(chǎn)截流過電壓，對(duì)開關(guān)要求較高；同時(shí)是滿載閉合另一個(gè)分相開關(guān)，機(jī)車上有牽引變壓器，因?yàn)閮上嘞辔徊灰粯?，變壓器的穩(wěn)態(tài)磁通有相差，合閘時(shí)會(huì)因?yàn)閯?dòng)態(tài)磁通飽和導(dǎo)致合閘浪涌過電流。對(duì)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)并從牽引變壓器取電的機(jī)車，合閘時(shí)還會(huì)導(dǎo)致輔助系統(tǒng)過流。
[0005]針對(duì)傳統(tǒng)地面過電分相裝置的缺點(diǎn)，有研究人員提出了改進(jìn)措施，改進(jìn)后的地面過電分相裝置如附圖2所示，其工作原理如下:當(dāng)電力機(jī)車(動(dòng)車組)運(yùn)行到CGl時(shí)(列車運(yùn)行方向如圖所示；CG1?CG4為機(jī)車位置傳感器，用于產(chǎn)生開關(guān)切換信號(hào)，列車運(yùn)行到某一位置時(shí)，相應(yīng)的開關(guān)動(dòng)作)，控制器發(fā)出控制信號(hào)使晶閘管SCR1、SCR2導(dǎo)通。A相電壓通過降壓變壓器TX1，晶閘管SCR1、SCR2，升壓變壓器TX3到達(dá)中性段。晶閘管SCR1、SCR2的觸發(fā)采用電壓過零觸發(fā)。當(dāng)機(jī)車行駛到CG3時(shí)，控制器發(fā)出控制信號(hào)使晶閘管SCR1、SCR2關(guān)斷，同時(shí)控制器發(fā)出控制信號(hào)使SCR3、SCR4導(dǎo)通。這樣中性段就由A相供電轉(zhuǎn)變?yōu)锽相供電。B相電壓通過降壓變壓器TX2，晶閘管SCR3、SCR4，升壓變壓器TX3到達(dá)中性段。當(dāng)機(jī)車行駛到CG4處時(shí)，控制器發(fā)出控制信號(hào)使晶閘管SCRl、SCR2、SCR3、SCR4關(guān)斷。系統(tǒng)恢復(fù)到原始狀態(tài)?？梢?，改進(jìn)后的方案仍然不能完全解決傳統(tǒng)地面過電分相裝置的缺點(diǎn)，由于需要采用升降壓變壓器，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本。
[0006]另外有學(xué)者進(jìn)一步提出不斷電過分相方案，如采用電力電子變換裝置實(shí)現(xiàn)列車帶電自動(dòng)過分相方法(中國(guó)專利CN102343835A)、電力機(jī)車無(wú)斷電過分相-電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償裝置及其方法(中國(guó)專利CN102035212A)、一種基于級(jí)聯(lián)多電平的地面過電分相裝置(中國(guó)專利，申請(qǐng)?zhí)?01410036222.9)等，其基本原理都是利用逆變器給中性段供電，利用逆變器可調(diào)壓調(diào)頻的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)列車柔性通過電分相。附圖3是電力機(jī)車無(wú)斷電過分相-電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償裝置及其方法的原理圖。圖中兩個(gè)通過共用直流側(cè)電容實(shí)現(xiàn)背靠背的單相變流器VSCjP VSC B，以及分別與VSCjP VSC B交流側(cè)相連的單相變壓器T A^P T Β組成。變壓器TJI邊兩個(gè)接線端子分別接于中性段和鋼軌，T Β原邊兩個(gè)接線端子分別接于B相供電臂和鋼軌。裝置正常工作時(shí)，若沒有機(jī)車通過中性段，那么變流器VSCb工作于空載并網(wǎng)狀態(tài)，維持直流側(cè)電壓為給定的參考值，而VSCJlj脈沖封鎖，中性段無(wú)電壓。當(dāng)CGl檢測(cè)到有機(jī)車從A相進(jìn)入中性段時(shí)，VSCa由脈沖封鎖狀態(tài)進(jìn)入空載并網(wǎng)狀態(tài)，變流器輸出電壓為A相供電臂電壓Ua，然后以機(jī)車負(fù)載功率為控制目標(biāo)，使機(jī)車負(fù)載功率完全由B相供電臂經(jīng)背靠背變流器提供，而A相供電臂負(fù)載為零。待機(jī)車完全進(jìn)入中性段后，中性段電壓采用如圖4所示的調(diào)頻調(diào)相方法，經(jīng)過一段時(shí)間后，中性段電壓由Ua變?yōu)閁 β。待機(jī)車行駛出中性段時(shí)，即到達(dá)CG3的位置時(shí)，逐步減小背靠背變流器的輸出功率，使機(jī)車功率逐步由B相供電臂直接提供。最終，VSCa重新進(jìn)入封鎖狀態(tài)，裝置恢復(fù)至初始狀態(tài)。
[0007]綜上所述，不斷電過電分相方案具有比較優(yōu)勢(shì)，其核心技術(shù)之一就是相鄰橋臂間的調(diào)相、調(diào)幅(如果兩供電臂的電壓幅值不相等)，即在電力機(jī)車或動(dòng)車組運(yùn)行于中性段時(shí)，通過參考電壓的調(diào)整實(shí)現(xiàn)逆變器輸出電壓相位、幅值調(diào)整，從而使中性段可以與相應(yīng)的供電臂實(shí)現(xiàn)并聯(lián)，達(dá)到列車柔性通過電分相的目的?，F(xiàn)有的相位調(diào)整技術(shù)是通過變頻移相實(shí)現(xiàn)的，該方法需要采用兩個(gè)鎖相環(huán)而且還存在頻率跳變、調(diào)頻調(diào)相時(shí)間長(zhǎng)等問題，對(duì)中性段逆變器供電系統(tǒng)和車載牽引傳統(tǒng)有較大沖擊。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]鑒于現(xiàn)有技術(shù)的以上缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的就是針對(duì)傳統(tǒng)的調(diào)頻調(diào)相存在的缺點(diǎn)，提出了一種新型的相位切換方法，實(shí)現(xiàn)逆變器參考電壓相位快速調(diào)整，具有調(diào)相速度快、頻率波動(dòng)范圍小、系統(tǒng)無(wú)沖擊的特點(diǎn)。
[0009]本發(fā)明的目的是通過如下的手段實(shí)現(xiàn)的。
[0010]一種實(shí)現(xiàn)逆變器參考電壓相位快速調(diào)整的相位切換方法，采用由控制系統(tǒng)控制逆變器給中性段供電實(shí)現(xiàn)列車無(wú)斷電柔性通過電分相，控制系統(tǒng)通過電壓傳感器及鎖相環(huán)獲得相應(yīng)供電臂輸入電壓信號(hào)的相位信息并進(jìn)一步得到相位差Λ Φ，利用相位調(diào)整系數(shù)Ke系統(tǒng)重構(gòu)相位幅值調(diào)整過程中的參考電壓信號(hào)，調(diào)整過程完成后進(jìn)行參考電壓切換；其具體過程為:
[0011]傳感器采集分相兩側(cè)接觸網(wǎng)的電壓信號(hào)uA、uB,及列車的位置信號(hào)，控制系統(tǒng)通過電壓傳感器及鎖相環(huán)獲得相應(yīng)供電臂輸入電壓信號(hào)的相位信息并進(jìn)一步得到相位差Λ Φ ;進(jìn)行相位切換時(shí)，利用鎖相環(huán)輸出的角度、相位差重構(gòu)電壓信號(hào)形成新的參考電壓信號(hào)U’，其幅值為U’ ?，則重新構(gòu)造的電壓U’為:
[0012]U，= U，msin ( θ ;+Κθ Δ Φ )
[0013]式中，u’ ?為重構(gòu)電壓的幅值；Θ i為供電臂電壓相位，i = A，B ;K e為相位調(diào)整速度系數(shù)，K0= (t-t es)/tea，其中，tes為電壓開始調(diào)整的時(shí)刻，t “為相位調(diào)整過程的總時(shí)間，Kee [0,1] ;Δ Φ為兩個(gè)供電臂相位差，Λ Φ = Θ g-0p，其中0g為目標(biāo)供電臂電壓相位，θ p為上一供電臂電壓相位幅值；
[0014]當(dāng)電力機(jī)車從供電臂A向B運(yùn)動(dòng)，在中性段進(jìn)行相位幅值調(diào)整時(shí)，控制器發(fā)出指令，重新構(gòu)造控制系統(tǒng)的參考電壓:
[0015]U，= U，msin ( θ Α+Κθ Δ Φ )；
[0016]式中，ΛΦ = θ Β- θ ?。?br>[0017]當(dāng)完成過渡過程，也即Ke= 1，將控制系統(tǒng)