CN105450035A - 一种mmc式铁路牵引功率调节器的单相模型预测控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MMC式铁路牵引功率调节器的单相模型预测控制方法,为了实现铁路系统无功和负序的补偿，提出了一种四边形单相AC-AC变换结构的铁路功率补偿器，由四个级联型H桥链组成，每个桥链都是由多个H桥级联组成，该种铁路牵引功率调节器，中间不需要直流环节，能够实现功率的双向变换和流动。同时，提出了铁路功率补偿器的单相模型预测控制方法，将铁路牵引功率调节器等效成四个独立的单相逆变系统，有效减低控制系统的复杂性，能提高系统的工作性能和方法的实用性。

Description

一种MMC式铁路牵引功率调节器的单相模型预测控制方法

技术领域

本发明涉及一种铁路牵引系统的电能质量治理领域,特别是一种一种MMC式铁路牵引功率调节器的单相模型预测控制方法。

背景技术

高速电气化铁路作为当代高新技术的集成，具有运能大、能耗低、污染小、安全舒适等优势，是可持续性和环境友好性的运输模式，是国家创新能力、综合国力以及国家现代化程度的重要标志之一。然而，高速电气化铁路由于其独特的供电方式和机车负载特性，给电力系统带来了负序、谐波、电压波动和闪变等电能质量问题，降低了电力系统的供电质量，影响邻近电网安全稳定运行。近年来，随着高速铁路供电系统的进一步发展和壮大，由此带来的负序和无功等电能质量问题已越来越严重，必须采取有效的治理措施，来实现铁路牵引供电系统高质、安全和经济供电。

为了治理铁路供电系统的负序、无功等电能质量问题，国内外有多种的电能质量补偿方案被提出和应用。有文献采用斯科特(SCOTT)变压器、阻抗匹配变压器等平衡变压器结构来减小负序电流平衡三相电流。在传统的电力机车线路上，由于其功率因数较低，有文献采用安装无源滤波器，无源部分容易与电网阻抗产生串并联谐振。有文献采用TCR型静止无功补偿器(staticvarcompensator，SVC)对牵引变电所的无功进行动态补偿，但是产生谐波电流。有文献提出了基于磁控电抗器的静止型动态无功补偿器，无谐波污染，但是动态补偿能力有限。为了抑制电力机车和静止无功补偿器产生的谐波电流，有文献采用混合型有源滤波器对谐波电流进行动态补偿，无源和有源混合在一起，结构复杂，可靠性不高。有文献提出采用全控型静止同步发生器(StaticsynchronousCompensator,STATCOM)对牵引系统的无功和谐波动态补偿，但是STATCOM是安装在三相高压侧，结构复杂，功率器件多，成本昂贵。考虑到铁路供电系统的结构特点，日本学者提出了铁路功率调节器(Railwaystaticpowerconditioner，RPC)，利用背靠背的2个功率变流器安装在供电系统的两供电臂上，两者可以联合进行有功、无功及谐波控制，能实现对负序和无功综合补偿。

由于铁路机车负载是重性负载，容量大，所以补偿装置的容量需求也大。为了提高功率补偿装置容量，有学者提出采用多模块并联形式组成一种多重化的铁路功率调节器，单个背靠背功率模块单元各个变流器(H桥)的交流侧通过降压分裂变压器的副边分裂绕组并联，直流侧电容相互独立，通过载波移相实现多重化。该种结构需要两个降压分裂变压器，容量与补偿容量相当的，从而导致装置的成本高，体积大笨重。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种MMC式铁路牵引功率调节器的单相模型预测控制方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种MMC式铁路牵引功率调节器的单相模型预测控制方法，MMC式铁路牵引功率调节器包括连接成四个边，四个边连接成四边形；每个边包括一个H桥链和一个与该H桥链连接的滤波电感；H桥链包括多个串联的H桥单元；四边形的四个交点按对角线分成两组，两组交点分别各与一个牵引供电臂连接，该方法包括：

1)检测两个牵引供电臂的供电电压u_a和u_b，然后通过锁相环环节获取其电压同步信号sy_a和sy_b；

2)检测两个牵引供电臂的负载电流i_La和i_Lb，然后分别乘以同步参考信号sy_a和sy_b，通过低通滤波器滤除同步参考信号sy_a和sy_b的交流成分，获得两个牵引供电臂负载电流有功幅值的一半I_Lap，I_Lbp；I_Lap和I_Lbp相加之后分别乘以同步参考信号sy_a和sy_b，得到两牵引供电臂的稳态期望电流I_Lap*sy_a和I_Lbp*sy_b；

3)将检测得到的负载电流i_La减去I_Lap*sy_a，将检测得到的负载电流i_Lb减去I_Lbp*sy_b，求得铁路牵引功率调节器的两相输出电流的指令信号和

4)检测每相链节的直流侧电压的总和：

$u_{cx}^{\Σ}=\underset{y}{\Σ}{u}_{cxy},x=1,2,3,4;y=1,\mathrm{2...}N;$

其中u_cxy表示x^th相桥链的第y个H桥单元的直流侧电压值，N表示每相链节的H桥单元的数量；求得第1、4节桥链和第2、3节桥链的直流侧电压平均值u_cav14和u_cav23为： $\left\{\begin{array}{cc}{u}_{c14}^{\Σ}=u_{c1}^{\Σ}+u_{c4}^{\Σ},& u_{cav14}=(u_{c1}^{\Σ}+u_{c4}^{\Σ})/2N\\ u_{c23}^{\Σ}=u_{c2}^{\Σ}+u_{c3}^{\Σ},& u_{cav23}=(u_{c2}^{\Σ}+u_{c3}^{\Σ})/2N\end{array}\right.;$

5)将直流侧电压参考信号u_ref分别减去直流侧电压平均值u_cav14和u_cav23，然后通过PI控制器，获得直流侧电压的调节信号ΔI₁₄和ΔI₂₃；将ΔI₁₄和ΔI₂₃分别乘以复合同步信号sy_b-sy_a和sy_b+sy_a，获得的两个值分别与电流信号和相加，得到第1、4节桥链和第2、3节桥链的电流指令参考信号，即为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_1^{ref}=i_4^{ref}={\mathrm{\ΔI}}_{14}*({\mathrm{sy}}_b-{\mathrm{sy}}_a)+\frac{(i_{cb}^r-i_{ca}^r)}{2}\\ i_2^{ref}=i_3^{ref}={\mathrm{\ΔI}}_{23}*({\mathrm{sy}}_b+{\mathrm{sy}}_a)+\frac{(i_{cb}^r+i_{ca}^r)}{2}\end{array}\right.;$

6)根据模型分析，将铁路牵引功率调节器等效成四个独立的单相链节，每个单相桥链采用一套单相模型预测控制，控制每相桥链的H桥单元功率开关管输出期望的电压和电流信号。

步骤6)中每个单相链节的单相模型预测控制具体实施步骤如下：

a)采样第x^th相桥链的电流i_x和等效电网电压e_s，得到离散化的电流i_x(k)和等效电网电压e_s(k)；

b)根据离散预测模型预测出当前输出电平的三个临近输出电平作用时(k+1)时刻的电流预测值，并得到x^th相桥链的输出电平增量ΔQ(k+1)；

c)根据开关分配策略将开关动作分配至开关器件。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明可以将铁路牵引供电系统等效成四个独立的单相逆变系统，每个单相链节采用一套模型预测控制方法，这样可以有效降低整个系统的复杂性，提高系统的工作性能和方法的实用性。本发明使用的四边形单相AC-AC变换器，中间不需要直流环节，能够实现功率的双向变换和流动。

附图说明

图1为铁路牵引功率调节器的拓扑结构图；

图2为铁路牵引功率调节器的等效电路图；

图3为铁路牵引功率调节器的x^th相链节等效电路图；

图4为本发明一实施例铁路牵引功率调节器的控制框图；

图2中，1为铁路牵引功率调节器；2为H桥链；3为滤波电感。

具体实施方式

铁路牵引功率调节器如图1所示。牵引系统采用Scott平衡变压器，将高压三相电网电压转化成两个相互相差90°的中压牵引供电电压。铁路牵引功率调节器1是由四个边组成；每个边由一个H桥链2和一个滤波电感3组成；H桥链2是由多个H桥单元串联形成；四边形的四个交点按对角线分成两组，两组交点分别通过电缆与两个牵引供电臂相连接。该装置通过采用多电平级联变换器组成一个四边形单相AC-AC变换器，不需要降压变压器直接可与牵引供电臂连接。同时中间不需要直流环节，能够直接实现功率的双向变换和流动，同时能补偿牵引供电臂机车负载产生的无功。故装置通过采用多电平级联变换技术，节省了两个降压变压器，大大减小了装置的体积和成本。

铁路牵引功率调节器的等效电路如图2所示。其中R为链节等效电阻，u_x(x＝1、2、3、4)为链节x的输出电压，i_x为流经链节x的电流，u_a、u_b分别为scott牵引供电臂a相与b相电网电压，i_ca、i_cb为RTPC的两端输出补偿电流，不影响输出电流。建立KCL方程，可得：

$\{\begin{array}{c}{i}_{cb}=i_1+i_3=i_2+i_4\\ i_{ca}=i_2-i_1=i_3-i_4\end{array}---\left(1\right)$

由于RTPC电路结构高度对称，则有：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_1=\frac{i_{cb}-i_{ca}}{2},i_3=\frac{i_{cb}+i_{ca}}{2}\\ i_2=\frac{i_{cb}+i_{ca}}{2},i_4=\frac{i_{cb}-i_{ca}}{2}\end{array}\right.;$

由图2，建立KVL方程，可得

$\left\{\begin{array}{c}{u}_b-u_a=u_1+u_4+L\frac{d(i_1+i_4)}{dt}+R(i_1+i_4)\\ u_b+u_a=u_2+u_3+L\frac{d(i_2+i_3)}{dt}+R(i_2+i_3)\end{array}\right.---\left(3\right)$

同样由RTPC的对称性，可知各链节电压如式(4)，为方便分析，考虑到链节之间具有相似性，将链节1、4归为组1，链节2、3归为组2。

$\left\{\begin{array}{c}{u}_1=\frac{u_b-u_a}{2}-\frac{L}{2}\frac{d(i_{cb}-i_{ca})}{dt}-\frac{R}{2}(i_{cb}-i_{ca})\\ u_2=\frac{u_b+u_a}{2}-\frac{L}{2}\frac{d(i_{cb}+i_{ca})}{dt}-\frac{R}{2}(i_{cb}+i_{ca})\\ u_3=\frac{u_b+u_a}{2}-\frac{L}{2}\frac{d(i_{cb}+i_{ca})}{dt}-\frac{R}{2}(i_{cb}+i_{ca})\\ u_4=\frac{u_b-u_a}{2}-\frac{L}{2}\frac{d(i_{cb}-i_{ca})}{dt}-\frac{R}{2}(i_{cb}-i_{ca})\end{array}\right.---\left(4\right)$

假设e_a＝(u_b-u_a)/2，e_b＝(u_b+u_a)/2，根据(2)和(4)，可得：

假设各链节H桥功率模块电容电压平衡良好，各链节输出电压可表示为式(6)，其中n_x为链节x调制系数，为链节x的功率模块电容电压之和。

$u_x=n_x{u}_{cx}^{\Σ}---\left(6\right)$

结合(1)-(6)式可知，通过控制4个链节的调制系数n_x即可控制各个链节的电流i_x，不仅可实现输出补偿电流i_ca、i_cb的间接控制。

铁路牵引功率调节器的单个链节等效电路如图3所示。根据图2和公式(5)，铁路牵引功率调节器本质上可以等效为四个独立的单相逆变系统，由此可以建立图3所示的单个链节等效电路图，图中N个H桥模块经级联再通过连接电抗器L与电网相连，R为电抗器寄生电阻与线路阻抗等效电阻，各H桥模块直流侧为电容C。图中e_s表示单个链节的等效电网电压，e_s＝e_a或者e_b。

图中，第i个H桥S_i1与S_i2组成H桥左桥臂，S_i3与S_i4组成H桥右桥臂，定义左桥臂上管导通时，左桥臂开关状态S_Li为1，关断时S_Li为0，右桥臂上管导通时，右桥臂开关状态S_Ri为1，关断时S_Ri为0。定义第i个H桥开关状态H_i为该H桥左桥臂与右桥臂开关状态之差，则H_i为

$H_i=\left\{\begin{array}{cc}1& S_{Li}=1,S_{Ri}=0\\ 0& \begin{array}{c}{S}_{Li}=0,S_{Ri}=0\\ S_{Li}=1,S_{Ri}=1\end{array}\\ -1& S_{Li}=0,S_{Ri}=1\end{array}\right.---\left(7\right)$

定义级联变换器开关状态Q为各级联H桥开关状态之和：

Q＝H₁+H₂+…+H_i+…H_n(8)

假设各模块电容电压相等，建立单相级联变换器时域方程如下：

$e_s\left(t\right)=L\frac{{\mathrm{di}}_x\left(t\right)}{dt}+{\mathrm{Ri}}_x\left(t\right)+v_x\left(t\right)---\left(9\right)$

其中v_x，e_s分别为x^th相链节的等效输出电压与等效电网电压；对上式求解积分，得变换器离散模型近似如下：

$i_x(k+1)=i_x\left(k\right)(1-\frac{{\mathrm{RT}}_s}{L})+\left(e_s\right(k)-v_x(k\left)\right)\frac{T_s}{L}---\left(10\right)$

式中T_s为采样周期，i_x(k+1)为k+1时刻的交流电流值，e_s(k)和v_x(k)为k时刻的电网电压和变换器输出电压值。根据级联H桥变换器输出电压特性可知：

$v_x=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{H}_i{V}_{dci}=Q\frac{V_{dc}}{N},Q=\[-N,-(N-1),...,0,N-1,N\]---\left(11\right)$

其中V_dc表示某相链节的直流侧电压的综合；V_dci某相链节第i个单元的直流侧电压。在一个控制周期里v_x的有2N+1个可取值，若直接预测则一个控制周期内要进行2N+1次预测，当模块数比较多时，增加了控制器的计算量。根据文献所述为限制dv/dt，只选择当前周期输出电平邻近的三个电平作为下一周期变换器输出电压电平数，即输出电平增量ΔQ为下一周期输出电平数与当前周期输出电平数之差:

ΔQ＝Q(k+1)-Q(k)ΔQ＝[-1,0,1](12)

定义电流跟踪控制指标函数如下：

$\min g_1=\min |i_x^{ref}(k+1)-i_{xp}(k+1){|}_{\mathrm{\Δ}Q=-1,0,1}---\left(13\right)$

为了得到使指标函数g₁最小的输出电平增量ΔQ再经开关动作分配将开关动作分配至开关器件。根据式(10)变换器离散模型，在第k时刻对v_x的三个可取值分别预测，求得i_x的三个预测值i_xp(k+1)，选择使预测值i_xp(k+1)离期望值最近的v_x取值作为k至k+1时刻变换器需输出的电压值。由于每个控制周期都进行优化控制，该种模型控制策略是一种滚动式的有限时域优化策略。

本发明实施案例铁路牵引功率调节器的模型预测调制控制框图如图4所示。主要包括三个部分组成：参考信号检测环节，每相链节的指令电流生成环节以及x^th相链节的模型预测控制环节。

参考信号的检测环节实施步骤如下：

1)检测Scott两个牵引供电臂的供电电压u_a和u_b，然后通过锁相环环节获取其电压同步信号sy_a和sy_b；

2)检测两个牵引供电臂的负载电流i_La和i_Lb，然后分别乘以两个牵引供电臂的同步参考信号sy_a和sy_b，通过低通滤波器(LPF)滤除其交流成分，获得其两个牵引供电臂负载电流的有功幅值的一半I_Lap和I_Lbp；两者相加之后分别乘以两个牵引供电臂的同步参考信号sy_a和sy_b，可以得到两牵引供电臂的稳态期望电流I_Lap*sy_a和I_Lbp*sy_b；

3)然后将检测得到的负载电流i_La和i_Lb分别减去I_Lap*sy_a和I_Lbp*sy_b，可以求得铁路牵引功率调节器的两相输出电流的指令信号和

每相链节的指令电流生成环节基本实现步骤如下：

1)为了维持直流侧电压的稳定，检测每相链节的直流侧电压的总和：

$u_{cx}^{\Σ}=\underset{y}{\Σ}{u}_{cxy},x=1,2,3,4;y=1,\mathrm{2...}N---\left(14\right)$

其中u_cxy表示x^th相链节的第y个H桥单元的直流侧电压值，N表示每相链节的H桥单元的数量；可求得链节1、4和链节2、3的直流侧电压平均值u_cav14和u_cav23为：

2)将直流侧电压参考信号u_ref分别减去直流侧电压平均值u_cav14和u_cav23，然后通过PI控制器，可以获得直流侧电压的调节信号ΔI₁₄和ΔI₂₃；然后将ΔI₁₄和ΔI₂₃分别乘以复合同步信号sy_b-sy_a和sy_b+sy_a，然后分别与电流信号和相加，可以分别得到链节1、4和链节2、3的电流指令参考信号，即为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_1^{ref}=i_4^{ref}={\mathrm{\ΔI}}_{14}*({\mathrm{sy}}_b-{\mathrm{sy}}_a)+\frac{(i_{cb}^r-i_{ca}^r)}{2}\\ i_2^{ref}=i_3^{ref}={\mathrm{\ΔI}}_{23}*({\mathrm{sy}}_b+{\mathrm{sy}}_a)+\frac{(i_{cb}^r+i_{ca}^r)}{2}\end{array}\right.---\left(16\right)$

这里研究的铁路牵引功率调节器本质上可以等效为四个独立的单相逆变系统，第x^th相链节的模型预测控制环节的实现步骤如下：

1)采样第x^th相链节的电流i_x和等效电网电压e_s，得到离散化的电流i_x(k)和等效电网电压e_s(k)；

2)根据式(10)和(13)离散预测模型预测出当前输出电平的三个临近输出电平作用时(k+1)时刻的电流预测值，并得到x^th相链节的输出电平增量ΔQ(k+1)。

3)根据开关分配策略将开关动作分配至开关器件。

级联H桥变换器开关数众多，满足同一输出状态的开关具有多种组合方式。维持级联变换器电容电压平衡是变换器正常工作的保证，通过对开关动作的分配可以实现电容电压平衡。有文献【熊桥坡,罗安,帅智康,马伏军,黎小聪.级联型SVG单载波调制策略研究,中国电机工程学报,vol.33,no.24,pp.74-81,2013.】对基于电容电压排序算法的级联H桥多电平变换器直流侧电容电压平衡控制方法及开关分配策略进行了详细的叙述，本发明只给出主要的实施步骤：

1)电容电压排序。检测N个H桥直流侧电容电压得到瞬时值，并按由小到大的顺序对电容电压排序；

2)开关动作分配至H桥。当ΔQ＝-1时，若i_x>0，执行此开关动作将降低该H桥的输入功率，为平衡各H桥电容电压，选择输出状态不为-1且电容电压最高的H桥模块执行开关动作；若i_x<0，执行此开关动作将增加该H桥的输入功率，为平衡各H桥电容电压，选择输出状态不为-1且电容电压最低的H桥模块执行开关动作；当ΔQ＝1时，若i_x>0，则选择输出状态不为1且电容电压最低的H桥模块执行开关动作，若i_x<0，则选择输出状态不为1且电容电压最高的H桥模块执行开关动作；当ΔQ＝0时，开关状态维持不变。

3)开关动作分配至桥臂。为平衡H桥左右桥臂开关动作次数，引入开关动作均衡标志，使得左右桥臂开关轮流动作，实现开关动作桥臂间的均匀分配。

Claims (2)

1.一种MMC式铁路牵引功率调节器的单相模型预测控制方法，MMC式铁路牵引功率调节器包括四个边，四个边连接成四边形；每个边包括一个H桥链和一个与该H桥链连接的滤波电感；H桥链包括多个串联的H桥单元；四边形的四个交点按对角线分成两组，两组交点分别各与一个牵引供电臂连接，其特征在于，该方法包括：

1)检测两个牵引供电臂的供电电压u_a和u_b，然后通过锁相环环节获取其电压同步信号sy_a和sy_b；

2)检测两个牵引供电臂的负载电流i_La和i_Lb，然后分别乘以同步参考信号sy_a和sy_b，通过低通滤波器滤除同步参考信号sy_a和sy_b的交流成分，获得两个牵引供电臂负载电流有功幅值的一半I_Lap，I_Lbp；I_Lap和I_Lbp相加之后分别乘以同步参考信号sy_a和sy_b，得到两牵引供电臂的稳态期望电流I_Lap*sy_a和I_Lbp*sy_b；

3)将检测得到的负载电流i_La减去I_Lap*sy_a，将检测得到的负载电流i_Lb减去I_Lbp*sy_b，求得铁路牵引功率调节器的两相输出电流的指令信号和

4)检测每相链节的直流侧电压的总和：

$u_{cx}^{\mathrm{\&Sigma;}}=\underset{y}{\&Sigma;}{u}_{cxy},x=1,2,3,4;y=1,2...N;$

其中u_cxy表示x^th相桥链的第y个H桥单元的直流侧电压值，N表示每相链节的H桥单元的数量；求得第1、4节桥链和第2、3节桥链的直流侧电压平均值u_cav14和u_cav23为： $\left\{\begin{array}{cc}{u}_{c14}^{\mathrm{\&Sigma;}}=u_{c1}^{\mathrm{\&Sigma;}}+u_{c4}^{\mathrm{\&Sigma;}},& u_{cav14}=(u_{c1}^{\mathrm{\&Sigma;}}+u_{c4}^{\mathrm{\&Sigma;}})/2N\\ u_{c23}^{\mathrm{\&Sigma;}}=u_{c2}^{\mathrm{\&Sigma;}}+u_{c3}^{\mathrm{\&Sigma;}},& u_{cav23}=(u_{c2}^{\mathrm{\&Sigma;}}+u_{c3}^{\mathrm{\&Sigma;}})/2N\end{array}\right.;$

5)将直流侧电压参考信号u_ref分别减去直流侧电压平均值u_cav14和u_cav23，然后通过PI控制器，获得直流侧电压的调节信号ΔI₁₄和ΔI₂₃；将ΔI₁₄和ΔI₂₃分别乘以复合同步信号sy_b-sy_a和sy_b+sy_a，获得的两个值分别与电流信号和相加，得到第1、4节桥链和第2、3节桥链的电流指令参考信号，即为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_1^{ref}=i_4^{ref}={\mathrm{\&Delta;I}}_{14}*({\mathrm{sy}}_b-{\mathrm{sy}}_a)+\frac{(i_{cb}^r-i_{ca}^r)}{2}\\ i_2^{ref}=i_3^{ref}={\mathrm{\&Delta;I}}_{23}*({\mathrm{sy}}_b+{\mathrm{sy}}_a)+\frac{(i_{cb}^r-i_{ca}^r)}{2}\end{array}\right.;$

6)根据模型分析，将铁路牵引功率调节器等效成四个独立的单相链节，每个单相桥链采用一套单相模型预测控制，控制每相桥链的H桥单元功率开关管输出期望的电压和电流信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤6)中每个单相链节的单相模型预测控制具体实施步骤如下：

a)采样第x^th相桥链的电流i_x和等效电网电压e_s，得到离散化的电流i_x(k)和等效电网电压e_s(k)；

b)根据离散预测模型预测出当前输出电平的三个临近输出电平作用时(k+1)时刻的电流预测值，并得到x^th相桥链的输出电平增量ΔQ(k+1)；

c)根据开关分配策略将开关动作分配至开关器件。