技术领域
[0001] 本
发明涉及电
气化铁道技术领域，尤其涉及一种交流机车多重化网侧变流器的试验平台。
背景技术
[0002] 近年来我国电气化铁路多次发生高次谐波谐振和低频振荡，造成了
接触网避雷器等高压电气设备烧损、
变电所馈线保护跳闸、机车主
断路器跳闸及牵引变流器封
锁等事故，严重影响了铁路运输系统的安全稳定运行。这些事故是由新型
电力机车(包括动车组)的电气负荷特性对牵引供电系统的供电条件不适应造成，属于车网电气匹配失稳现象。我国目前主流的HXD系列大功率
电力机车和CRH(及最新CR)系列高速动车组均采用“交-直-[0003] 交”型牵引
传动系统，可统称交流机车。其中网侧的“交-直”部分为多重化单相PWM
整流器，简称多重化网侧变流器。已有的理论分析和仿真计算都证明了多重化网侧变流器决定了交流机车的电气负荷特性，优化其控制
算法、调整控制参数对改善车网电气匹配是效果明显的。其他改善车网电气匹配性的方式，如地面安装无源
滤波器、车载无源和有源滤波技术都需要有
硬件的投入，从成本、设备体积、占地面积和安全可靠性等方面考虑，均不如优化多重化网侧变流器控制算法。
[0004] 目前，在我国交流机车牵引变流器技术相对封闭，相关优化控制算法还停留在的理论推导和仿真验证的阶段，离实际应用还有一段距离，而专
门设计用于车网电气匹配优化控制算法相关研究的多重化变流器高效率试验平台基本上是技术空白。
发明内容
[0005] 本发明的
实施例提供了一种交流机车多重化网侧变流器的试验平台，用于解决
现有技术中存在的采用基于有源和无源滤波技术的方法解决车网电气匹配失稳问题时，需要增加大量的硬件投资成本、设备安装的空间成本，且在系统中新增设备容易降低系统的可靠性的技术问题。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
[0007] 一种交流机车多重化网侧变流器的试验平台，包括相互电性连接的主
电路和控制电路；
[0008] 主电路包括依次电性连接的
电网仿真器、多绕组
变压器、多路并网电路、多重化变流器和可编程负载；
[0009] 控制电路包括实时
控制器以及分别与该实时控制器电性连接的采集模
块和
信号转换器；
[0010] 电网仿真器用于在试验平台中承担电网网侧电路，并且与多绕组变压器一起模拟牵引供电系统环境；多路并网电路用于向多重化变流器提供电源
电压；多重化变流器提供
电源电压用于模拟多重化PWM整流器；可编程负载用于模拟机车牵引和
再生制动工况；
[0011] 采集模块用于采集主电路各部件的电气信息的模拟量
电信号，并将采集该模拟量电信号转换成
数字量电信号传送给实时控制器；实时控制器基于的数字量电信号获得控制命令，通过信号转换器发送到多重化变流器。
[0012] 优选地，多重化变流器包括N个单相H桥变流器模块和/或M个单相NPC桥变流器模块；其中，2≤N≤6，N为整数，2≤M≤6，M为整数。
[0013] 优选地，多重化并网电路包括多组单相并网电路，每组单相并网电路包括依次电性连接的并网主断路器、并网滤波电路、预充电
电阻；
[0014] 通过对多重化并网电路的并网主断路器进行分合操作模拟对交流机车负荷的投入和
切除，并网滤波电路用于配置滤波参数，实时控制器还用于对预充电电阻进行充电，以及通过预充电电阻启动多重化变流器。
[0015] 优选地，实时控制器还用于对电网仿真器的
输出电压和输出阻抗进行控制，使电网仿真器可模拟牵引和再生制动工况。
[0016] 优选地，实时控制器还用于对多重化变流器的输出电压幅值、输入
电流幅值和
相位进行周期控制。
[0017] 优选地，的实时控制器对多重化变流器的输出电压幅值、输入电流幅值和相位的控制周期小于20微秒。
[0018] 优选地，可编程负载包括可编程
电子负载和可编程直流电源，分别用于模拟机车牵引和再生制动工况。
[0019] 由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明提供的交流机车多重化网侧变流器的试验平台，能够优化交流机车网侧变流器控制策略、调整控制器参数的方法不增加任何硬件投入，可有效改善机车电气负荷特性对牵引供电系统供电条件的匹配性能。
[0020] 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0021] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0022] 图1为本发明提供的一种交流机车多重化网侧变流器的试验平台的原理图；
[0023] 图2为本发明提供的一种交流机车多重化网侧变流器的试验平台的基于单相H桥拓扑结构的多重化变流器主电路示意图；
[0024] 图3为本发明提供的一种交流机车多重化网侧变流器的试验平台的基于单相NPC桥拓扑结构的多重化变流器主电路示意图。
具体实施方式
[0025] 下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0026] 本技术领域技术人员可以理解，除非特意
声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的
说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
[0027] 本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0028] 为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
[0029] 参见图1至3，本发明提供的一种交流机车多重化网侧变流器的试验平台，包括相互电性连接的主电路和控制电路；
[0030] 主电路包括依次电性连接的电网仿真器GS、多绕组变压器MT、多路并网电路MGC、多重化变流器MC和可编程负载GL；
[0031] 控制电路包括实时控制器RTC以及分别与该实时控制器电性连接的采集模块VIS和信号转换器SC；
[0032] 电网仿真器用于在试验平台中模拟承担交流机车电网网侧电路，并且连接多绕组变压器的一次侧绕组，一起模拟牵引供电系统环境；多路并网电路具有多个二次绕组通过多路并行的并网电路GC，向具有多个变流器单元的多重化变流器提供电源电压，实现车网
电能传递和变换；多重化变流器提供电源电压用于模拟交流机车网侧多重化PWM整流器；可编程负载用于模拟机车牵引和再生制动工况；
[0033] 采集模块用于采集主电路各部件的电气信息的模拟量电信号，并将采集该模拟量电信号转换成数字量电信号传送给实时控制器；实时控制器根据该数字量电信号经过计算获得控制命令，通过信号转换器发送到多重化变流器去执行控制命令；
[0034] 本发明提供的交流机车多重化网侧变流器的试验平台，能够优化交流机车网侧变流器控制策略、调整控制器参数的方法不增加任何硬件投入，可有效改善机车电气负荷特性对牵引供电系统供电条件的匹配性能。
[0035] 进一步的，在一些优选实施例中，如图2和3所示的拓扑结构，多重化变流器包括相互并行的由N个单相H桥变流器模块组成的模块组和由M个单相NPC桥变流器模块组成的模块组，每个单相H桥变流器模块、单相NPC桥变流器模块采用
开关频率不低于10kHz的IGBT器件，该单相H桥变流器模块组用于模拟2电平变流器的交流机车车型，该单相NPC桥变流器模块组成的模块组用于模拟3电平变流器的交流机车车型，通过控制变流器开关器件的通断，实现从电网仿真器吸收电能供给负载，和从负载回馈
能量给电网仿真器；根据实际需要对单相H桥变流器模块组以及单相NPC桥变流器模块组进行独立控制，也可以单独设置为多重化变流器由单相H桥变流器模块组或单相NPC桥变流器模块组构成；在该实施例中，单相NPC桥变流器的数量为2≤N≤6，单相NPC桥变流器的数量为2≤M≤6；
[0036] 本领域技术人员应能理解上述变流器的应用类型仅为举例，其他现有的或今后可能出现的变流器应用类型如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。
[0037] 进一步的，在一些优选实施例中，多重化并网电路包括多组单相并网电路，每组所述单相并网电路包括依次电性连接的并网主断路器、并网滤波电路、预充电电阻；
[0038] 如图1所示，在多重化并网电路中Kg1-KgN为多路并网主断路器，通过对其进行分合操作模拟对交机车负荷的投入和切除；在该实施例中设置了多路并网滤波电路(F1-FN)以及其接入端口，用于配置滤波参数；在该实施例中，r1-rN为多路预充电电阻，Kr1-KrN为多路预充电电阻的旁路开关；通过设计控制逻辑使实时控制器对预充电电阻进行充电，以及通过预充电电阻启动多重化变流器。
[0039] 进一步的，在一些优选实施例中，可编程负载包括可编程电子负载GEL和可编程直流电源GDCS，分别用于模拟机车牵引和再生制动工况。
[0040] 进一步的，在一些优选实施例中，电网仿真器在该试验平台中承担交流机车电网网侧电路，该电网仿真器可在4象限运行，自适应输出和吸收功率，模拟牵引和再生制动工况。
[0041] 本发明提供的试验平台的控制电路原理示意如图1下半部分所示，采集模块VIS从主电路中采集多个电气量的状态，主要包括网侧电压uN和电流iN，上述的每个变流器模块的输入电流ic1，变流器直流侧电压udc；将采集到的各电气量模拟电信号转换成数字电
信号传输给实时控制器。实时控制器可供使用者将预制的通过理论推导和仿真验证所得的优化控制算法进行编入，可以对编写好的控制算法的各个控制参数进行在线实时调节；实时控制器根据采集的主电路各电气量状态，按照控制算法计算控制指令，计算控制指令并下发给信号转换器；信号转换器将接受电信号控制指令转换为
光信号控制指令，并下发给多重化变流器进行执行。
[0042] 进一步的，在一些优选实施例中，实时控制器还用于对所述电网仿真器的输出电压和输出阻抗进行控制，使所述电网仿真器可模拟牵引和再生制动工况。
[0043] 进一步的，在一些优选实施例中，实时控制器还用于对所述多重化变流器的输出电压幅值、输入电流幅值和相位进行快速周期控制，最快控制周期可以是小于20毫秒。
[0044] 本发明还提供一个实施例，用于示例性地显示本试验平台的架构过程：
[0045] 第一步，目标系统组建；根据研究的目标车型的牵引传动系统结构，组建所需的多重化变流器电路，2电平车型选择图2所示基于单相H桥拓扑的电路，3电平车型选择图3所示基于单相NPC桥拓扑的电路，根据实际多重化变流器个数确定H桥变流器和/或NPC桥变流器的个数，根据直流侧并联情况连接上述多个个变流器环节；按图1所示连接整个试验平台；
[0046] 第二步，程序配置；在实时控制器中，将使用者已经过理论推导和仿真验证并且需要进行试验验证的控制算法编入；在电网仿真器中，配置输出电压uGS和输出阻抗ZGS，使其输出使用者所需的牵引供电系统环境；根据试验工况，牵引工况选择可编程电子负载，再生制动工况选择可编程直流电源，配置使用者所需机车负载；
[0047] 第三步，试验运行；启动实时控制器，系统开始以闭环控制的形式运行；包括启动过程中多重化并电路的动作过程、运行过程中可编程负载的突变动作等，都将按照编写好的系统配置自动进行；
[0048] 第四步，参数调整；在试验运行过程中，使用者可观察采集模块获得的主电路各电气量的实时动态，根据既定控制目标评价设计的控制算法的性能表现；对于各项控制参数，可以在实时控制器RTC中实时
修改，然后在线下发并执行，再根据采集的实时动态评价新的控制参数性能表现；
[0049] 通过上述步骤的反复执行，实现高效率的控制参数的在线整定。
[0050] 综上所述，本发明提供的一种交流机车多重化网侧变流器的试验平台，运用电网仿真器模拟牵引供电系统供电条件；采用多绕组变压器、多重化并网电路和多重化变流器构成交流机车网侧主电路模型；采用可编程电子负载和可编程直流电源模拟交流机车牵引和再生制动负荷；通过信号采集模块获得交流机车在牵引供电系统中的工作状态并发送给控制器；实时控制器根据采集的运行状态信息按照设计的控制策略计算最优控制指令，并通过信号转换器发送给变流器执行；本发明提供的试验平台具有如下优点：
[0051] 提供了一个对交流机车网侧变流器控制策略进行高效率试验验证的环境，为相关变流器控制技术应用于实际系统中解决车网电气匹配失稳现象提供了必要的试验条件
基础；
[0052] 优化交流机车网侧变流器控制策略、调整控制器参数的方法不增加任何硬件投入，可有效改善机车电气负荷特性对牵引供电系统供电条件的匹配性能；
[0053] 有效减少硬件投资成本、设备安装的空间成本，增加试验系统可靠性。
[0054] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉
本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以
权利要求的保护范围为准。
