牵引四象限变流器的预测电流控制

位功率因数和稳定直流侧电压，对变流器的预测电流控制策略进行了研究与分析。利用MATLAB/Simulink搭建四象限变流器 主电路和预测电流控制系统模型，对牵引状态下的网侧电流谐波、网侧功率因数和直流侧电压进行仿真测试。仿真结果表明， 在牵引工况下，基于预测电流控制的四象限变流器可以实现网侧电压电流同相、稳定中间直流电压以及降低网侧谐波含量。

关键词：四象限变流器;预测电流控制；网侧电流谐波;网侧功率因数;MATLAB/SimulinkDOI： 10.3969/j・ issn. 1000 -3886.2020.02.031［中图分类号］TM46 ［文献标志码］A ［文章编号］1000-3886(2020)02-0105 -05Predictive Current Control for Traction 4 - Quadrant ConvertersSun Yuanfei1, Shen Peifu2(1. Dalian Locomotive and Rolling Stock Co. , Ltd. , Dalian Liaoning 116000, China ；2. Yongji Motor Co. , Lid. , Yongji Shanxi 044500, China)Abstract: Taking the traction quadrant converter as research object, based on an analysis of the working principle of the converter, predictive

control strategies of the converter were studied and analyzed in order to improve its transient response, reduce grid side current

harmonics, ensure the grid side unit power factor and stabilize the DC side voltage. The main circuit of the quadrant converter and a

model of the predictive current control system were built by using Matlab/Simulink. The grid-side current harmonics, the grid・side power factor and the DC-side voltage in the traction state were simulated and tested. The simulation results indicated that, under the

traction condition, the quadrant converter based on predictive current control could realize phase coincidence between grid-side voltage and current, stabilize intermediate DC voltage and reduce the harmonic content on the grid side.Keywords：4 - quadrant converter; predictive current control; grid-side current harmonic; grid-side power factor; MATLAB/Simulinko引言目前，我国运行的交流传动电力机车网侧变流器均采用单相 四象限PWM变流器(4 - quadrant converter,4QC)，和之前采用的

是采用预测电流控制［，-，210本文以四象限变流器的牵引工况为研究对象，在分析了 4QC 工作原理之后,对预测电流控制算法进行了研究并搭建了基于预 测电流控制算法的变流器模型。结果表明,该控制算法可以良好 地实现网侧电压电流同相、稳定中间直流电压和降低网侧谐波含 量,减小对电网的干扰与污染。相控变流器相比，四象限变流器不仅可以实现能量的双向流动即 牵引工况和制动工况，而且可以使网侧的功率因数近似为1,降 低变流器对电网的干扰与污染［1-2)o根据是否将网侧的电感电流作为反馈引入到控制环中,4QC 控制算法可分为间接电流控制和直接电流控制。间接电流控制 是基于稳态模型的幅相控制，工作在固定频率下，无电流反馈，只 有一个电压环，结构非常简单,但该控制算法没有进行限流处理，

1 4QCT作原理在电力机车变流器中，牵引工况下，四象限变流器主要是将 接收到的网侧变压器二次侧的单相交流电压转化为中间直流电压为后续逆变电路供电。制动工况下，四象限变流器将中间直流因此在控制4QC时容易引起网侧滤波电路振荡和负载电流畸 变;直接电流控制由于将网侧的电感电流引入到反馈，不仅在牵

电压逆变为标准的单相 正弦电压反馈会电网。 在坐标系中假设横坐标

电制动

f网流“A牵引引工况下，保证了网侧电压与电流的同相，而且还具有瞬态响应 速度快、抗干扰能力强以及自限流等优点，因此在我国交流电力 机车四象限变流器控制算法中普遍采用直接电流控制［3-81o基 于直接电流控制的成熟算法主要包括滞环控制、瞬态电流控制、

为网压，纵坐标为网流，

则四象限运行时网压和 网流的相位相对坐标关

牵引

电制动网压ryv

比例谐振控制、d-g坐标系电压定向电流控制以及预测电流控 制等，在这些控制算法中，应用较为普遍的是瞬态电流控制和预 测电流控制，其中预测电流控制由于稳态电流误差和直流侧电压 波动均优于瞬态电流控制，因此在对机车变流器进行控制时主要系如图1所示。1.1 4QC数学模型图2为四象限变流网压和网流相对相位坐标关系器的拓扑结构，单相正弦交流电压Vs经过整流输出直流电压

V&,其中:厶、R为变压器二次测的漏感抗；厶、C,为直流侧二次滤

定稿日期：2019-06-17

波电路;G为直流侧支撑电容;&为纯阻性负载。Electrical Automation 105■UH■■■■■■■■■■■■《电气自动化》2020年第42卷第2期自动化装置与设备_______________________________________

Automation Devices & Equipmentsis Vs(a)牵引工况(¢,=0)(b)制动工况(0=Q图4不同工况下网侧电压电流向量图1.2 4QCI作模式在机车四象限变流器中，电能不仅可以实现正向流动还可以 实现逆向流动，其中：能量的正向流动为整流时牵引工况；能量的 逆向流动为逆变时制动工况。而无论能量是正向流动还是逆向(1)根据基尔霍夫电压定律(KVL) ,4QC的电压方程为：

叫=见+厶竽+乙

由于变压器二次侧的等效电阻值很小，因此在计算时可将其

忽略，从而可将四象限变流器的电压方程变换为：

叫=匕+乙=厶兽+ %\"=心+仏

(2)根据式(2)绘制出的网侧等效电路原理图和向量图，如图3

所示。(a)状态一V

:3

图3 4QC网侧等效原理图和向畳图在牵引四象限变流器中，变压器二次侧的单相交流电压Vs 和漏电感厶都是恒定值，因此根据图3(b)向量图的向量关系可

知，如果可以控制变流器电压V屈的幅值与相位，就可以控制电 感电流i,的幅值与相位，反过来如果可以控制电感电流i,的幅值 与相位，就能够控制变流器电压匕\"的幅值与相位。在4QC中,

VT,和VT2、VT,和VT4开关状态呈现为互补关系，因此用开关函

数S宓来表示每一桥臂的开关状态,对应关系为：1 VT, aVT4 通,VT2XT3 断SXB = , 0 VT, ,VT3 通,VT2、VT< 断

.-1 VT2XT3 通，VT, ,VT3 断(3)对该开关函数进行整理，可以得到变流器网侧输入的电压 %为:r % S*a = 1= S“ x 卩& = ( ° SAB = 0

vtJ(4)(c)状态三S初=-1由式(4)可以看出，四象限变流器网侧输入电压叫”的幅值 是不断变化的，且变化范围在抵、0、-岭<之间进行切换。因此

如果为IGBT设置合适的驱动脉冲，四象限变流器网侧输入电压

将会随着驱动脉冲而作出相应的响应。在本文中，利用电压外环和电流内环的双闭环预测电流控制 算法实现网侧输入电压和电感电流的控制与调节，进而达到网侧 单位功率因数和直流侧稳定直流电压。图4分别为牵引和制动

(d)状态四工况下的向量图。106 Electrical Automation图5 牵引工况下4QC的工作状态■■■■■

_______________________________________自动化装置与设备《电气自动化》2020年第42卷 第2期Automation Devices & Equipments引工况下.4QC不同工作模式下的状态(制动工况类似)。将式(7)代入到式(6)并结合图2可以得到预测电流控制的

牵引工况下,4QC的具体工作状态为：数学模型为：状态一：网侧输入电压为正半周期，VD, (VTJ和VT3导通，

卩；=心(£ -抵)+KJ化：-%)&为网侧电感充电。状态二:网侧输入电压为正半周期，VD, (VTJ和VD。( VTJ

%(\" = Vs(t) - y[4 x sin - i„(«)]导通，向直流侧负载充电，进行整流。根据式(8)设计的预测电流控制结构原理如图6所示。状态三：网侧输入电压为负半周期，VD3(VT3)和VT,导通，

为网侧电感充电。状态四：网侧输入电压为负半周期，VD3 (VT3)和VD2 ( VT2) 导通，向直流侧负载充电，进行整流。2预测电流控制预测电流控制作为四象限变流器的核心控制算法，其主要控

制原理是通过对变流器动作状态进行预测而确定出当前的动作， 换言之就是通过将当前实际电流采样值与下一时刻采样预测值

进行比较，计算出存在误差电流最小时的控制电压，从而保证下 一时刻电流预测值能够以最优状态跟随当前电流值。预测电流

图6预测电流控制结构原理图控制是基于改进周期平均模型的一种固定PWM开关频率的控 制算法，是对4QC电压方程进行周期平均获得的[,3-'41o3仿真测试与分析在一个开关周期T,内，式(2)的平均模型为：为了测试基于双闭环预测电流控制的牵引四象限变流器的 必=吩\"-娜

(5)控制效果，在MATLAB/Simulink环境下搭建仿真控制模型，图7

进一步整理得：为搭建的双闭环预测电流控制仿真模型。为保证测试效果，分 别对仿真环境和电路中的参数进行设置。设置仿真时间为5 s, % =唉\"(6)可变仿真步长,ode23算法，离散釆样时间为2e-005 s；变流器

由于4QC在利用电流控制时存在电流滞后问题，即预测电

输入侧输入电压为交流单相950 V；变压器等效漏感为

流不能及时地跟随当前电流值，因此在进行直接电流控制时，最 0.92 mH；线路等效电阻为17.32 mC；预充电电阻为10 直流

短延时时间应小于PWM开关周期T,，一般取T,时间。这样在一 支撑电容为3 mF；接地电阻为33 kll；接地电容为0.1(1F；二次 个开关周期内，就保证了网侧漏感电流实际值与给定值 滤波电感为5. 07 mH；二次滤波电容为5 mF；脉放电阻15 kC； 订(“)相等,即：负载电阻100 O;IGBT开关频率为550 Hz；双闭环PI参数分别

+ =订(“) (7)为 1. 13 和 14. 7O图8 ~图14为仿真测试波形图。对比图8和图9可以发现， 流相位相同,实现了网侧单位功率因数。图10为四象限变流器 在空载时网侧输入端的电流很小，在0附近上下波动，当在直流 输入端的电压波形，可以看出电压在％、0、-氐之间变化，和之 侧加上负载后，电流变大。由图9可以看出，此时网侧电压和电

前分析的完全一致。图11为基于双闭环预测电流算法控制输出Electrical Automation 107■■■■■■■■■Ml■■■■■■■I《电气自动化》2020年第42卷第2期自动化装置与设备Automation Devices & Equipments的PWM驱动波形，可以看出其频率为550 Hzo图12 ~图14为 L0 9控制输出的直流侧直流电压，其中图12为空载时输出的直流电

O. 压，从中可以看出预充电电阻接通时间为0.7 s,达到稳定的直流 O.80. 7电压1 800 V的时间为1.5 so为考察该控制算法下，当负载突变

6时直流电压变化情况，分别对负载突然变大和负载突然变小进行

O.O. O.5了仿真测试。图 13中，在2 s时接入一个100 O的负载，在3 s时

O.O.0

4 又接入一个100 O的负载形成了总负载为50 no图14是在2 s

3 时接入一个50 £1的负载，在3 s时切断5() (1负载并接入一个

2 100 11负载。从两者输出的直流电压仿真图中可以看出在负载

1

变化时输出电压发生了下降，但很快就又恢复了正常，表明该控 0制算法下系统的抗干扰较强。4.980 4.982 4.984 4.986 4.988 4.990 4.992 4.994 4.996 4.998 5.000t/sI 500

图11 PWM驱动波形2 000000806 o o)() 4 o o o

出AZ2 o o 曲0 o o -5)(1矍

8oo

o)()

1.9 1.91 1.92 1.93 1.94 1.95 1.96 1.97 1.98 1.99 2.00t/s0.5

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.04.5 5.0图8空载时网侧电压和电流波形t/s0oo-

图12空载时输出的直流电压8oow

=

^6oo

4oo”輕3-ffl

K

2oo

S-A出AZ0oo

/出郛瞩8o -o曲專6oo-

區

4oAo

:2oo»■ —o—T o-

0.5

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.04.5 5.0图9加载后网侧电压和电流波形t/s

图13负载变大时输出的直流电压AZ出

AZ誓出曲Y田解

霹

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.04.5 5.0t/s图10 4QC输入端电压波形图14负载变小时输出的直流电压108 Electrical AutomationWMNmwMfldMNKMaraHmMBaBiBMBmiiHiaiaiiHiaaBRaiK_______________________________________自动化装置与设备Automation Devices & Equipments《电气自动化》2020年第42卷 第2期4结束语预测电流控制作为直接电流控制的理想控制算法之一，一直

[7 ] ZMOOD D N, HOLMES D G. Stationary frame current regulation of

PWM inverters with zero steady-state error [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2003, 18(3) : 814 -822.被广泛应用于大功率电力机车变流器控制中。本文在对4QC工 作原理和双闭环预测电流控制算法分析的基础上，搭建仿真控制

[8 ] BAHRANI B, RUFER A, KENZELMANN S, et al. Vector control

of single-phase voltage-source converters based on fictive-axis emulation [J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 201 1 ,

模型对四象限变流器进行了仿真测试分析，并从中得出以下 结论：(1) 该控制算法能够有效地抑制网侧谐波，提高功率因数。(2) 该控制算法抗干扰能力强,能够稳定直流电压输出。47(2) : 831 -840.[9 ]周小杰，阮毅，汪飞.单相并网变换器预测直接功率控制策略研究

[J].中国电机工程学报，2014, 34(30) : 5269 -5276.(3) 该控制算法能够有效利用电能，提高变换的效率。[10] 代云中，许建平，杨平，等.基于预测电流控制的四象限变流器研

究[J]・机车电传动，2010, 12(6)： 16-19.参考文献：[1 1李伟，赵红卫，仝力.单相四象限整流器预测电流控制的相位补偿

[11] 李波.四象限变流器双闭环控制系统的计算机仿真[J].机车电传

动，2000, 17(3)： 16-19.[12] 李伟，张黎.交-直-交传动系统网侧变流器预测电流控制方法的

计算机仿真及实现[J].中国铁道科学，2002, 23(6)： 49 -54.方法[J].铁道学报,2012, 34(6)： 29 -33.[2]汪星华，郝明远，王艳琴.CRH3型高速动车组整流器预测电流控

制仿真研究[J].机车电传动，2013, 7(4)： 29-31.[13] 杨勇，阮毅，叶斌英，等.三相并网逆变器无差拍电流预测控制方

[3 ]盛彩飞，高吉磊，林飞，等.单相4象限变流器的预测电流控制算

法[J].中国电机工程学报,2009, 29(33)： 40-46.法研究[J].电气传动,2009, 39(12)： 34 -36.[14] PAVLOU K G, VASILADIOTIS M, MANIAS S N. Constrained model

predictive control strategy for single-phase switch-mode rectifiers [J]. IET Power Electronics, 2012, 5(1)： 31 -40.[4]邓知先，宋文胜，曹梦华.单相PWM整流器模型预测电流控制算

法[J].中国电机工程学报,2016, 36(11)： 2996 - 3004.[5 ] DAHONO P A. New hysteresis current controller for single-phase full

bridge inverters [ J]. IET Power Electronics, 2009, 2(5 ) ： 585 -594.【作者简介】孙远飞(1978—),男，山东人，主要研究方向：牵引变流器控

[6 ] BRENNA M, FOIADELLI F, ZANINELLI D. New stability analysis for

tuning PI controller of power converters in railway application [J]. IEEE Transactions on Industria Electronics, 2011 , 58(2) : 533 -543.制、电机控制和机车电气设计。 沈培富(1991—),男，河南驻马店人，主 要研究方向：变流器控制、电力电子技术。O[J].电工技术学报，2008, 23(11)： 123 -130.[3] 邓卫,唐西胜，裴玮，等.含风电微型电网电压稳定性分析及控制技

术[J].电工技术学报.2012, 27(1)： 56-62.[4] 赵任光，刘群英,陈树恒，等.风电场出力随机扰动下的电网概率脆

弱性评估[J].现代电力，2018, 35(5)： 41 -48.[5] 吴丽珍，蒋力波，郝晓弘.基于最优场景生成算法的主动配电网无

功优化[J].电力系统保护与控制,2017 , 45(15)： 152-159.[6] 骆晨，陶顺，肖湘宁，等.主动配电网的多阶段鲁棒综合电压控制

[J].现代电力,2016 , 33(4)： 44-51.[7] 刘宇，高山，杨胜春，等.电力系统概率潮流算法综述[J].电力系

统自动化,2014 , 38(23)； 127 -135.[8 ] BEGOVIC M, PHADKE A G. Control of voltage stability using

sensitivity analysis [J]. IEEE Trans on Power Systems, 1992, 7( 1)：

5结束语本文得出主要结论如下：(1) 利用概率来量化风电场出力和负荷的随机波动变化过

114-123.[9] 周双喜，朱凌志,郭锡玖，等.电力系统电压稳定性及其控制[M].

北京：中国电力岀版社，2003.[10] 甘瑞研.风电场并网对电力系统电压稳定性的影响[D].山东：山

程，能更加准确地凸显风电并网系统中的各种随机扰动。(2) 厶指标可有效反应系统各负荷节点电压稳定程度,L-P

东大学，2016.[11] 董跃哲，马平，丁哲，等.考虑风光出力波动性的配电网无功优化策

灵敏度指标能有效衡量负荷节点有功功率波动对节点电压稳定 性的影响程度。(3) 电压薄弱节点集合能够准确地确定系统中最易失稳节

略[J]・青岛大学学报,2019, 34(1)： 47 -52.【作者简介】刘蕾(1994—),女，山东枣庄人，通信作者，硕士生，主要研究

点，在与薄弱节点集合强相关的负荷节点上装设无功补偿设备， 可有效提高系统电压稳定性。参考文献：方向电力系统静态电压稳定。 王卓群(1994—)，女，山东济宁，硕士生, 主要研究方向电力系统优化调度。 马平(1973—),女，辽宁盘锦人，博

士，副教授，硕士生导师，主要研究方向为电力系统优化调度分析与控

制等。[1 ]裴玮，盛鸥，孔力，等.分布式电源对配电网供电电压质量的影响Electrical Automation 109