CN107681659A - 电气化铁路电能质量综合治理装置的滞环控制建模方法 - Google Patents

电气化铁路电能质量综合治理装置的滞环控制建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电气化铁路电能质量综合治理装置的滞环控制建模方法，针对高速铁路供电系统中存在的负序、无功和谐波等电能质量问题，提出两个背靠背的逆变器构成铁路功率调节器RPC来实现电能治理。在RPC两臂背靠背的逆变器上使用滞环控制，用IGBT桥导通时间ton和开关周期ts来实现滞环控制的小信号建模。从数学角度对滞环控制参数进行优化，以达到最好的治理效果。

Description

电气化铁路电能质量综合治理装置的滞环控制建模方法
技术领域
本发明涉及一种控制方法，特别涉及一种电气化铁路电能质量综合治理装置的滞环控制建模方法。
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，其采用单相供方式，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)采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(StaticVarCompensator，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，RPC)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。
2002年，日本在新延伸的东北新干线每个牵引变电所安装了20MVA/60kV的商用铁路功率调节器(railway static power conditioner，RPCs)。RPCs用两个电压源型变流器(VSC)组成背靠背结构，直流侧共用电容，交流侧分接于牵引变电所两供电臂。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，RPC在稳定牵引系统供电电压和谐波治理方面，效果很好，如图1所示电气化铁路电能质量综合治理装置简化原理图。
基于上述原因和现有市场产品的缺陷和不足，提出一种电气化铁路电能质量综合治理装置，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，RPC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等方案，其市场前景巨大。传统的检测方法分别检测有功、无功、谐波电流并分别补偿，检测繁杂且算法复杂，对于RPC需要有适合有效的信号检测算法来适应其运用。
发明内容
本发明是针对RPC运用需要快速有效的滞环追踪能力的问题，提出了一种电气化铁路电能质量综合治理装置的滞环控制建模方法，从数学角度对滞环控制参数进行优化，以达到最好的治理效果。
本发明的技术方案为：一种电气化铁路电能质量综合治理装置的滞环控制建模方法，高速铁路供电系统中用两个背靠背的逆变器构成铁路功率调节器RPC来实现电能治理，所述逆变器采用滞环控制，用IGBT桥导通时间ton和开关周期ts来实现滞环控制的小信号建模，可得RPC补偿电流小信号量对补偿电流小信号量的传递函数为：
uin为RPC直流侧电压，ud为隔离变压器二次侧电压，为uin、ud对应的小信号量，iref为补偿电流，iref＝ia-ial，ia为经补偿负序和谐波后a相供电臂的电流值，ial为两供电臂负载瞬时电流，kS为桥臂上的滤波电感电流采样系数。
所述小信号建模的具体方法如下：
iL为桥臂上的滤波电感电流；为桥臂上的滤波电感电流平均值；UTP、LTP是周期内电感电流的峰值和谷值；h为环宽，toff为IGBT桥关断时间，取ton和ts为输入量，则有
式中ΔiL——电流变化量，对式(1)进行小信号处理，有
式中——ts、ton、uin、ud的小信号量，其中ton＝dts，
小信号处理后电感峰值电流iLP与之间的关系为：
式中——iLP、的小信号量，联立式(2)和式(3)，消除得
式中——d的小信号量，在ts内有
令电感电流采样系数为ks，将式(6)代入式(4)得
其中，误差信号 为iref的小信号量；
结合式(7)和RPC结构，可得对的传递函数为
根据式(8)可知，滞环控制为惯性环节，当ks确定后，ts的变化会影响iCC跟踪iref。
本发明的有益效果在于：本发明电气化铁路电能质量综合治理装置的滞环控制建模方法，针对高速铁路供电系统中存在的负序、无功和谐波等电能质量问题，提出两个背靠背的逆变器构成铁路功率调节器RPC来实现电能治理。在RPC两臂背靠背的逆变器上使用滞环控制，对其采用小信号建模。从数学角度对滞环控制参数进行优化，以达到最好的治理效果。
附图说明
图1为本发明电气化铁路电能质量综合治理装置简化原理图；
图2为本发明滞环控制的单相桥臂补偿系统结构框图；
图3为本发明一个开关周期的电感电流局部放大图。
具体实施方式
RPC结构如图1所示，电力机车分别由左右两相供电臂提供27.5kV单相供电，供电臂经V/v变压器挂载到三相220kV高压母线上。两变流器中间并联大容量直流电容保证其性能稳定，变流器通过隔离变压器分别连接a、b两相供电臂，通过控制变流器的IGBT桥来控制两臂的电能流动，实现两供电臂的电能治理。图2即图1中单相桥臂补偿装置。
因RPC两臂完全对称，以其中一相桥臂建立模型，如图2所示滞环控制的单相桥臂补偿系统结构框图。图2中，直流侧电压Uin通过并联的滤波电容Cin接IGBT桥输入两端，IGBT桥输出通过滤波电感L1接隔离变压器，隔离变压器另一侧接负载。L1为桥臂上的滤波电感；隔离变压器二次侧电压为Ud；Ug为负载供电臂电压；iL为滤波电感电流；iCC为RPC补偿电流，隔离变压器变比为n，则n Ud＝Ug，iL＝niCC；iref为补偿电流(采样自a、b两臂电流，图中省略了另一臂)(iref＝ia-ial，ta为经补偿负序和谐波后a相供电臂的电流值，ial为两供电臂负载瞬时电流)，Uin为直流侧电压；Cin为滤波电容。用IGBT桥导通时间ton和开关周期ts来实现滞环控制的小信号建模。一个开关周期中，iL局部放大图如图3所示。
图3中，iL为电感电流；为电感电流平均值；UTP、LTP是周期内电感电流的峰值和谷值；h为环宽，toff为IGBT桥关断时间，k为当前开关周期数，取kS为0.01(ks是控制器电感电流采样系数，是电流信号和电压信号的转化系数)。取ton和ts为输入量，则有
式中ΔiL——电流变化量。对式(1)进行小信号处理，有
式中——ts、ton、uin、ud的小信号量，其中ton＝dts(d为微分标志)。
根据图3，得小信号处理后电感峰值电流iLP与之间的关系为：
式中——iLP、的小信号量。联立式(2)和式(3)，消除得
式中——d的小信号量，在ts内有
令电感电流采样系数为ks，将式(6)代入式(4)得
其中，误差信号 为iref的小信号量。
结合式(7)和图2，可得对的传递函数为
根据式(8)可知，滞环控制为惯性环节。当ks确定后，ts的变化会影响iCC跟踪iref。
由RPC模型得到开环传递函数为：
Gopen(s)＝Gc(s) (9)
闭环函数为：
G(s)＝GC(s)/[1+Gc(s)] (10)
经过仿真和开关损耗分析我们选择开环。

Claims (2)

1.一种电气化铁路电能质量综合治理装置的滞环控制建模方法，高速铁路供电系统中用两个背靠背的逆变器构成铁路功率调节器RPC来实现电能治理，其特征在于，所述逆变器采用滞环控制，用IGBT桥导通时间ton和开关周期ts来实现滞环控制的小信号建模，可得RPC补偿电流小信号量对补偿电流小信号量的传递函数为：
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uin为RPC直流侧电压，ud为隔离变压器二次侧电压，为uin、ud对应的小信号量，iref为补偿电流，iref＝ia-ial，ia为经补偿负序和谐波后a相供电臂的电流值，ial为两供电臂负载瞬时电流，kS为桥臂上的滤波电感电流采样系数。
2.根据权利要求1所述电气化铁路电能质量综合治理装置的滞环控制建模方法，其特征在于，所述小信号建模的具体方法如下：
iL为桥臂上的滤波电感电流；为桥臂上的滤波电感电流平均值；UTP、LTP是周期内电感电流的峰值和谷值；h为环宽，toff为IGBT桥关断时间，取ton和ts为输入量，则有
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式中ΔiL——电流变化量，对式(1)进行小信号处理，有
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式中——ts、ton、uin、ud的小信号量，其中ton＝dts，
小信号处理后电感峰值电流iLP与之间的关系为：
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式中——iLP、的小信号量，联立式(2)和式(3)，消除得
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式中——d的小信号量，在ts内有
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令电感电流采样系数为ks，将式(6)代入式(4)得
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其中，误差信号 为iref的小信号量；
结合式(7)和RPC结构，可得对的传递函数为
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根据式(8)可知，滞环控制为惯性环节，当ks确定后，ts的变化会影响iCC跟踪iref。
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