CN107086577A - 一种用于铁路负序动态调节装置的控制系统 - Google Patents

一种用于铁路负序动态调节装置的控制系统 Download PDF

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CN107086577A CN201710362265.XA CN201710362265A CN107086577A CN 107086577 A CN107086577 A CN 107086577A CN 201710362265 A CN201710362265 A CN 201710362265A CN 107086577 A CN107086577 A CN 107086577A
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王文吉
邹明强
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Abstract

本发明涉及一种用于铁路负序动态调节装置的控制系统，所述铁路负序动态调节装置包括2个分别与两供电臂连接的电压源变流器以及1个为电压源变流器提供直流侧电压的直流电容，所述控制系统包括：参考信号检测装置，分别与2个电压源变流器连接，用于检测铁路负序动态调节装置当前的状态参数，并根据状态参数计算分别得到2个电压源变流器的控制电流；控制信号发生装置，根据参考信号检测装置计算得到的控制电流，结合直流电容提供的直流侧电压，对2个电压源变流器进行闭环控制。与现有技术相比，本发明具有控制性能稳定、控制精度高以及适应性强等优点。

Description

一种用于铁路负序动态调节装置的控制系统
技术领域
本发明涉及铁路牵引变电站的控制领域，尤其是涉及一种用于铁路负序动态调节装置的控制系统。
背景技术
电气化铁路牵引供电网的供电可靠和安全性是电力机车安全、可靠、经济运行的重要保障。而电力机车作为一种特殊的电力负荷，其釆用单相供方式,在未采取补偿措施时不可避免地向上级电力系统注入负序电流；由于电力机车负荷为整流驱动和具有随机性,同时带来了无功、谐波、电压波动等电能质量问题严重恶化了牵引供电网及其上级电力系统的电能质量。其中，负序电流增大同步电机的附加损耗、降低变压器出力、引起继电保护装置误动等；谐波电流引起发电机、变压器、输电线路附加损耗，并可能产生谐波放大烧毁电力设备；无功功率不足增加输电线路损耗,降低电压水平。给电力系统和牵引网的安全可靠供电带来了挑战。因此，必须采取有效的治理措施，对牵引供电网的电能质量进行控制，使其处于允许范围内，以保证电力系统和牵引网安全可靠供电。
目前国内外提出的电气化铁路负序、谐波和无功综合补偿方法可以分为主动治理和被动治理两类。主动治理方法主要有：(1)规划时增大牵引网容量,提高牵引网电能质量问题容忍能力；(2)牵引变电所进线换相接入，可明显降低因牵引网单相供电产生的负序；(3)采用平衡牵引变压器降低负序；(4)釆用交直交型电力机车,可有效降低机车谐波含量，且功率因数接近1，但不能解决负序问题。被动治理方法主要有：(1)无源补偿器。主要是静止无功补偿器(Static VarCompensator,SVC)；(2)有源补偿器。主要有单相接入的有源电力滤波器(ActivePower Filter，APF)、三相接入的静止同步补偿器(Static Compensator，STATCOM)、两相接入的铁路功率调节器(Railway Power Conditioner，负序动态调节装置)及各种变型结构。但是这些方式或技术只能部分改善电能质量，无法有效解决电气化铁路中严重存在的负序问题。
基于上述原因和现有市场产品的缺陷和不足，提出一种铁路牵引变负序调节优化装置，该装置设置有分别与两供电臂连接的2个电压源变流器以及1个为电压源变流器提供直流侧电压的直流电容，它具有有功电流转移、无功补偿、稳定牵引网电压和滤波谐波等功能。运行结果表明，负序动态调节装置在稳定牵引系统供电电压和谐波治理方面，效果很好，可以替代目前采用的TCR+FC，SVC、单一负序动态调节装置等方案，其市场前景巨大，然而如何对该铁路牵引变负序调节优化装置进行控制，从而实现有功电流转移、无功补偿、稳定牵引网电压以及滤波谐波等功能，仍是一个未解决的问题。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题提供一种用于铁路负序动态调节装置的控制系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于铁路负序动态调节装置的控制系统，所述铁路负序动态调节装置包括2个分别与两供电臂连接的电压源变流器以及1个为电压源变流器提供直流侧电压的直流电容，所述控制系统包括：
参考信号检测装置，分别与2个电压源变流器连接，用于检测铁路负序动态调节装置当前的状态参数，并根据状态参数计算分别得到2个电压源变流器的控制电流；
控制信号发生装置，根据参考信号检测装置计算得到的控制电流，结合直流电容提供的直流侧电压，对2个电压源变流器进行闭环控制。
所述铁路负序动态调节装置当前的状态参数包括2个电压源变流器的电压信号值uα与uβ和实时电流值iα与iβ。
所述参考信号检测装置包括：
指令电流计算模块，根据2个电压源变流器的电压信号值uα与uβ和实时电流值iα与iβ，通过计算得到指令电流Imp；
有功与无功电流的叠加值计算模块，根据指令电流计算模块得到的指令电流Imp，结合2个电压源变流器的电压信号值uα与uβ，分别计算得到分别与2个电压源变流器对应的有功电流、无功电流和有功与无功电流的叠加值；
控制电流计算模块，根据得到的有功与无功电流的叠加值，结合2个电压源变流器的实时电流值，通过计算得到控制信号发生装置所需的控制电流icα和icβ。
所述指令电流计算模块的计算方法具体为：
11)分别计算2个电压源变流器的电压信号值与对应的实时电流值的乘积；
12)将步骤11)中计算得到的2个乘积值作和；
13)将步骤12)得到的计算结果进行低通滤波，得到指令电流Imp。
所述有功与无功电流的叠加值计算模块的计算方法具体为：
21)分别将得到的指令电流Imp、移相后的2个电压源变流器的电压信号值与无功系数值相乘得到分别与2个电压源变流器对应的无功电流；
22)将得到的指令电流Imp进行分别移相得到与2个电压源变流器对应的有功电流；
23)将步骤21)得到的无功电流和步骤22)得到的有功电流进行叠加，得到分别与2个电压源变流器对应的有功与无功电流的叠加值。
所述控制电流计算模块的计算方法具体为：将分别与2个电压源变流器对应的有功与无功电流的叠加值与2个电压源变流器的实时电流值作差，得到分别与2个电压源变流器对应的控制电流icα和icβ。
所述控制信号发生装置包括：
控制电流参考信号计算模块，用于根据参考信号检测装置得到的控制电流与有功偏差量进行求和，得到控制电流的参考信号；
驱动脉冲计算模块，用于根据得到的控制电流的参考信号进行计算，得到2个电压源变流器的驱动脉冲；
修正信号产生模块，用于根据驱动脉冲引起的直流电容上直流侧电压的信号波动，产生对于控制电流参考信号计算模块的修正信号，对控制电流的参考信号进行修正。
所述驱动脉冲计算模块的计算方法具体为：将控制电流的参考信号通过重复预测模型后进行无差拍控制计算，得到2个电压源变流器的驱动脉冲。
所述修正信号产生模块的计算方法具体为：
31)将驱动脉冲计算模块得到的驱动脉冲进行均值滤波；
32)检测驱动脉冲引起的直流电容上直流侧电压的信号波动值；
33)将均值滤波后的结果值与信号波动值作为输入，进行复合PI控制计算，得到修正信号。
所述复合PI控制计算的输入值还包括基于历史数据的在线辨识值，所述基于历史数据的在线辨识值具体为：根据基于遗忘因子的递推最小二乘法，对直流侧电压的信号波动进行在线辨识。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)通过参考信号检测装置和控制信号发生装置的配合，通过对铁路负序动态调节装置的电流和电压信号进行检测计算，得到2个电压源变流器的控制电流，并根据该控制电流产生对2个电压源变流器的驱动信号，从而实现负序动态调节，并根据驱动信号而带来的直流侧电压的波动，对驱动信号进行闭环控制，提高了控制的精度，保证了控制的实时性。
(2)通过对负序动态调节装置的两个电压源变流器进行分别控制，而电压源变流器具有谐波抑制、无功补偿和整流的功能，从而可以通过闭环控制实现有功电流转移、无功补偿、稳定牵引网电压和滤波谐波等功能。
(3)利用参考信号检测装置，对检测到的电压信号值和实时电流值进行计算处理，从而得到当前情况下的控制电流，为后续进行闭环控制提供准确度高的基础信息。
(4)在进行控制电流的计算过程中，先求取最基础的指令电流，再根据指令电流分别进行有功电流和无功电流，最后根据已有的信息计算控制电流，一方面先求取指令电流大大减小了重复计算量，简化了后续计算，另一方面将有功电流和无功电流分开计算再求和，这种计算方式更为简单直观，且提高了计算的准确程度。
(5)控制信号发生装置包括控制电流参考信号计算模块、驱动脉冲计算模块和修正信号产生模块，三者形成了闭环控制结构，通过参考信号的计算结合驱动脉冲计算模块，计算电压源变流器的初始驱动脉冲，实现对负序动态调节装置的控制，继而通过修正信号产生模块，根据初始驱动脉冲带来的直流电容的电压波动来计算修正信号，从而再将该修正信号反馈给控制电流参考信号计算模块就算修正后的参考信号，根据修正后的参考信号再次进行驱动脉冲的计算，通过一个反馈调节过程，保证了负序动态调节装置的控制准确性和高度的自适应性。
(6)驱动脉冲计算模块是将参考信号通过重复预测模型后通过无差拍控制方法精确地计算每个控制周期的占空比，该计算方法准确性高，实用性能强，提高了整体系统的控制精度。
(7)在进行修正信号的计算过程中，通过基于遗忘因子的递推最小二乘法，利用历史数据对直流侧电压的信号波动进行在线辨识，该方法可以显著的提高控制的精确性和适应性。
附图说明
图1为用于铁路负序动态调节装置的控制系统的控制框图；
图2为用于铁路负序动态调节装置的控制系统的简化原理图；
图3为系统负序补偿矢量原理图，(3a)为三相电压原理图，(3b)为副边电压原理图，(3c)为电流原理图；
其中，1为参考信号检测装置，11为锁相环，12为移相器，13为低通滤波器，2为控制信号发生装置，21为重复预测模型，22为无差拍控制器，23为均值滤波器，24为复合PI控制器，25为最小二乘算法器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图2所示，三相220kV高压经三相V/V变压器变为2个电压等级为27.5kV的单相电压给两供电臂机车供电。负序动态调节装置通过2个降压变压器连接于两供电臂，2个背靠背电压源变流器通过1个共用的直流电容连接在一起，直流电容给两变流器提供直流电压。负序动态调节装置可采用合适的控制方法，联合两逆变器实现有功功率从一供电臂转移至另一供电臂，同时能各自进行无功与谐波补偿，从而达到负序和谐波补偿的目的。
由于高速铁路机车一般为交直交电力机车，采取四象限脉宽调制(pulse widthmodulation，PWM)脉冲整流控制方式，功率因数接近1。为便于分析，假设V/V牵引变压器变比KB＝1，α相供电臂有机车负载电流为IαL，而β相供电臂机车负载电流为IβL。
如图3所示，Ua、Ub、Uc为原边三相电压，Uα、Uβ为牵引变压器副边电压，其相角相差π/3。在负序动态调节装置补偿前，两桥臂分别有有功机车负载电流IαL和IβL，首先通过负序动态调节装置将两牵引臂有功电流差值的1/2，即为(IαL-IβL)/2，从轻载侧转移到重载侧，此时两桥臂电流的幅值分别为Iα和Iβ，其幅值相等，相角相差π/3，但此时可计算得到电流不平衡度为50％。在此基础上，在α桥臂补偿一定的容性无功电流Icα，使电Icβ，使电流滞后该桥臂电压π/6，此时有
这样补偿之后得到的两桥臂电流Iα、Iβ分别与IA和IB重合，相角相差2π/3，并可以求得原边C相电流。此时原边三相电流完全对称，负序电流为0，并且可推知原边三相功率因数都为1，此时就到达了综合补偿的目的。对于其他任何负载情况下的V/V牵引系统，负序动态调节装置都遵循上述的负序补偿原理。
为提高负序动态调节装置补偿装置的控制性能及安全稳定性能，本实施例从信号检测及控制方法着手，构建出图1所示负序动态调节装置的控制系统。其算法描述就是根据能量平衡的关系，直流侧电压外环采用了一种基于精确反馈的调节器，电压误差被调节器处理后分别乘以两供电臂的同步信号，得到负序动态调节装置的两逆变器直流侧电压调节信号，并与检测环节求得的电流参考信号叠加，得到两变流器的实际电流参考信号。直流侧电压通过两变流器的充放电来共同维持，保证了两变流器两侧功率平衡，功率模块损耗由两供电臂分担。为了实现对内环电流信号的快速跟踪，本文通过采用无差拍控制方法精确地计算出每个控制周期的占空比。考虑到系统参数波动对双环控制具有很大的负面影响，通过采用基于遗忘因子的递推最小二乘算法，利用历史数据对系统参数进行在线辨识，来提高控制的精确性与适应性。
参考信号检测装置1
两相电压信号和实时电流相乘后将乘积相加，经低通滤波器后，其值为两相有功电流峰值和的一半，这应该是补偿后a、b相供电臂电流峰值的理想值。也就是说，补偿后a、b相供电臂电流均为有功，且大小为两供电臂电流值的一半。将两臂电流平均峰值乘以a、b相供电臂电压同步信号，即得到两相的有功电流瞬时值。由于负序动态调节装置并不承担所有的无功补偿，因此将无功电流分离检测出来，与有功电流叠加，再与a、b相供电臂负载电流相减，得到负序动态调节装置补偿电流的负序和谐波参考量。因为已将无功电流减去，负序与谐波参考量中并不包含无功补偿参考量。负序动态调节装置无功补偿量根据无功分配得到。
控制信号发生装置2
负序动态调节装置两变流器要正常工作，必须获得一个稳定的直流侧电压。因此负序动态调节装置电流控制要兼顾直流侧电压控制。负序动态调节装置包括了两个变流器单元，它们均具有谐波抑制、无功补偿和整流(或逆变)的功能，两个变流器通过一个直流侧连接起来，实际上可以视为两个独立的变流器单元，其直流侧电压由两个变流器共同补充或释放能量。当直流侧电压低于参考电压时，由两变流器共同给其充电，当直流侧电压低于参考电压时，由两变流器共同向电网释放电能，共同作用维持直流侧电压稳定。同时，实现了功率模块开关损耗由两供电臂共同承担，这样就保证了两变流器两侧的功率相等，进一步保证了三相电流的对称。
基于上述考虑，负序动态调节装置实际的补偿参考电流在原来负序、谐波和无功参考电流的基础上再叠加一个直流侧电压控制得到的有功电流分量。直流侧电压的跟踪误差经PI调节后，分别与a、b相供电臂电压的同步信号sinωt和sin(ωt-π/2)相乘，得到负序动态调节装置中a、b相变流器的有功指令，并与负序、谐波和无功补偿电流参考指令叠加，得到负序动态调节装置两变流器的实际电流参考指令。通过直流侧电压由两变流器共同控制维持的方法，保证了两变流器两侧功率平衡，功率模块损耗由两供电臂分担。负序动态调节装置两变流器电流跟踪选取滞环控制方法，保证两变流器具有较快的响应速度。因此，负序动态调节装置两变流器的控制实际上可视为直流侧电压外环、电流内环的双闭环控制方法。
基于上述原理，最终得到一种用于铁路负序动态调节装置的控制系统，包括：
参考信号检测装置1，分别与2个电压源变流器连接，用于检测铁路负序动态调节装置当前的状态参数(包括2个电压源变流器的电压信号值uα与uβ和实时电流值iα与iβ)，并根据状态参数计算分别得到2个电压源变流器的控制电流；控制信号发生装置2，根据参考信号检测装置计算得到的控制电流，结合直流电容提供的直流侧电压，对2个电压源变流器进行闭环控制。
其中，参考信号检测装置1包括：指令电流计算模块，根据2个电压源变流器的电压信号值uα与uβ和实时电流值iα与iβ，通过计算得到指令电流Imp；有功与无功电流的叠加值计算模块，根据指令电流计算模块得到的指令电流Imp，结合2个电压源变流器的电压信号值uα与uβ，分别计算得到分别与2个电压源变流器对应的有功电流、无功电流和有功与无功电流的叠加值；控制电流计算模块，根据得到的有功与无功电流的叠加值，结合2个电压源变流器的实时电流值，通过计算得到控制信号发生装置所需的控制电流icα和icβ。
指令电流计算模块的计算方法具体为：
11)分别计算2个电压源变流器的电压信号值与对应的实时电流值的乘积；
12)将步骤11)中计算得到的2个乘积值作和；
13)将步骤12)得到的计算结果通过低通滤波器13进行低通滤波，得到指令电流Imp。
有功与无功电流的叠加值计算模块的计算方法具体为：
21)分别将得到的指令电流Imp、经过锁相环11和移相器12移相后的2个电压源变流器的电压信号值与无功系数值相乘得到分别与2个电压源变流器对应的无功电流；
22)将得到的指令电流Imp进行分别移相得到与2个电压源变流器对应的有功电流；
23)将步骤21)得到的无功电流和步骤22)得到的有功电流进行叠加，得到分别与2个电压源变流器对应的有功与无功电流的叠加值。
控制电流计算模块的计算方法具体为：将分别与2个电压源变流器对应的有功与无功电流的叠加值与2个电压源变流器的实时电流值作差，得到分别与2个电压源变流器对应的控制电流icα和icβ。
控制信号发生装置2包括：控制电流参考信号计算模块，用于根据参考信号检测装置得到的控制电流与有功偏差量进行求和，得到控制电流的参考信号；驱动脉冲计算模块，用于根据得到的控制电流的参考信号进行计算，得到2个电压源变流器的驱动脉冲；修正信号产生模块，用于根据驱动脉冲引起的直流电容上直流侧电压的信号波动，产生对于控制电流参考信号计算模块的修正信号，对控制电流的参考信号进行修正。
驱动脉冲计算模块的计算方法具体为：将控制电流的参考信号通过重复预测模型21后通过无差拍控制器22进行无差拍控制计算，得到2个电压源变流器的驱动脉冲。
修正信号产生模块的计算方法具体为：
31)将驱动脉冲计算模块得到的驱动脉冲通过均值滤波器23进行均值滤波；
32)检测驱动脉冲引起的直流电容上直流侧电压的信号波动值；
33)将均值滤波后的结果值与信号波动值作为输入，通过复合PI控制器24进行复合PI控制计算，得到修正信号。
复合PI控制计算的输入值还包括基于历史数据的在线辨识值，具体为：根据基于遗忘因子的递推最小二乘法，利用最小二乘算法器25对直流侧电压的信号波动进行在线辨识。

Claims (10)

1.一种用于铁路负序动态调节装置的控制系统，所述铁路负序动态调节装置包括2个分别与两供电臂连接的电压源变流器以及1个为电压源变流器提供直流侧电压的直流电容，其特征在于，所述控制系统包括：
参考信号检测装置，分别与2个电压源变流器连接，用于检测铁路负序动态调节装置当前的状态参数，并根据状态参数计算分别得到2个电压源变流器的控制电流；
控制信号发生装置，根据参考信号检测装置计算得到的控制电流，结合直流电容提供的直流侧电压，对2个电压源变流器进行闭环控制。
2.根据权利要求1所述的用于铁路负序动态调节装置的控制系统，其特征在于，所述铁路负序动态调节装置当前的状态参数包括2个电压源变流器的电压信号值uα与uβ和实时电流值iα与iβ。
3.根据权利要求2所述的用于铁路负序动态调节装置的控制系统，其特征在于，所述参考信号检测装置包括：
指令电流计算模块，根据2个电压源变流器的电压信号值uα与uβ和实时电流值iα与iβ，通过计算得到指令电流Imp；
有功与无功电流的叠加值计算模块，根据指令电流计算模块得到的指令电流Imp，结合2个电压源变流器的电压信号值uα与uβ，分别计算得到分别与2个电压源变流器对应的有功电流、无功电流和有功与无功电流的叠加值；
控制电流计算模块，根据得到的有功与无功电流的叠加值，结合2个电压源变流器的实时电流值，通过计算得到控制信号发生装置所需的控制电流icα和icβ。
4.根据权利要求3所述的用于铁路负序动态调节装置的控制系统，其特征在于，所述指令电流计算模块的计算方法具体为：
11)分别计算2个电压源变流器的电压信号值与对应的实时电流值的乘积；
12)将步骤11)中计算得到的2个乘积值作和；
13)将步骤12)得到的计算结果进行低通滤波，得到指令电流Imp。
5.根据权利要求3所述的用于铁路负序动态调节装置的控制系统，其特征在于，所述有功与无功电流的叠加值计算模块的计算方法具体为：
21)分别将得到的指令电流Imp、移相后的2个电压源变流器的电压信号值与无功系数值相乘得到分别与2个电压源变流器对应的无功电流；
22)将得到的指令电流Imp进行分别移相得到与2个电压源变流器对应的有功电流；
23)将步骤21)得到的无功电流和步骤22)得到的有功电流进行叠加，得到分别与2个电压源变流器对应的有功与无功电流的叠加值。
6.根据权利要求3所述的用于铁路负序动态调节装置的控制系统，其特征在于，所述控制电流计算模块的计算方法具体为：将分别与2个电压源变流器对应的有功与无功电流的叠加值与2个电压源变流器的实时电流值作差，得到分别与2个电压源变流器对应的控制电流icα和icβ。
7.根据权利要求1所述的用于铁路负序动态调节装置的控制系统，其特征在于，所述控制信号发生装置包括：
控制电流参考信号计算模块，用于根据参考信号检测装置得到的控制电流与有功偏差量进行求和，得到控制电流的参考信号；
驱动脉冲计算模块，用于根据得到的控制电流的参考信号进行计算，得到2个电压源变流器的驱动脉冲；
修正信号产生模块，用于根据驱动脉冲引起的直流电容上直流侧电压的信号波动，产生对于控制电流参考信号计算模块的修正信号，对控制电流的参考信号进行修正。
8.根据权利要求7所述的用于铁路负序动态调节装置的控制系统，其特征在于，所述驱动脉冲计算模块的计算方法具体为：将控制电流的参考信号通过重复预测模型后进行无差拍控制计算，得到2个电压源变流器的驱动脉冲。
9.根据权利要求7所述的用于铁路负序动态调节装置的控制系统，其特征在于，所述修正信号产生模块的计算方法具体为：
31)将驱动脉冲计算模块得到的驱动脉冲进行均值滤波；
32)检测驱动脉冲引起的直流电容上直流侧电压的信号波动值；
33)将均值滤波后的结果值与信号波动值作为输入，进行复合PI控制计算，得到修正信号。
10.根据权利要求9所述的用于铁路负序动态调节装置的控制系统，其特征在于，所述复合PI控制计算的输入值还包括基于历史数据的在线辨识值，所述基于历史数据的在线辨识值具体为：根据基于遗忘因子的递推最小二乘法，对直流侧电压的信号波动进行在线辨识。
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