CN107834864B - 一种组合式供电装置直接功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合式供电装置直接功率控制方法，其针对采用由变压器T₁、变压器T₂和变流器CON为中性段供电的组合式供电装置中，将变压器T₁绕组电压u₁₂的d轴分量和q轴分量、变压器T₂次边绕组压降以及变压器T₂原边绕组压降经过相应的处理，利用直接功率控制得到变流器CON所需要d轴电压分量和q轴电压分量，随后进行调制得到所需变流器输出电压，从而实现整个供电装输出电压的调整，达到控制组合式供电装置输出功率的目的。本发明实现了组合式供电装置的输出功率可控调节。

Description

一种组合式供电装置直接功率控制方法

技术领域

本发明涉及交直交电力机车(动车组)、交直电力机车地面过电分相装置、虚拟同相供电用组合式供电装置等领域，具体是一种组合式供电装置直接功率控制方法。

背景技术

电力机车(动车组)过电分相的方法有多种，早期列车速度较慢，通常采用手动过电分相，在分相区设有分相标志指挥司机过电分相操作。到中性段前，司机先将牵引级位降到0，断开辅助系统，再将牵引变压器原边主断路器断开，使机车不带电通过中性段。机车进入下一相供电臂的供电区后，司机合上主断路、并启动辅助系统、逐步恢复牵引级位。手动过电分相司机劳动强度大，在过分相时必须由司机断电，如果没断电过电分相，会在进入中性段时牵引网与受电弓产生过电压拉弧，烧坏牵引网和受电弓，甚至两相短路等严重事故，随着列车运行速度的不断提高这一问题将更为突出。

目前，电力机车(动车组)通常采用自动过电分相方法，主要有二种方法：地面自动过分相和车上自动过分相。采用地面过电分相时，电力机车(动车组)不需要任何动作，主电路断电时间很短，适合坡度较大的和运量大的困难地段，日本将这种方法用于高速动车组。

图1为传统地面自动过分相装置的工作原理图，其工作过程如下：当电力机车(动车组)运行到CG1时(列车运行方向如图所示；CG1～CG4为机车位置传感器，用于产生开关切换信号，列车运行到某一位置时，相应的开关动作)，开关K1闭合，中性段接触网由A相供电，待机车进入中性段，到达第二位置传感器CG2时，K1断开，K2迅速合上，完成中性段供电的换相变换。由于此时中性段已由B相供电，电力机车(动车组)可以在不用任何附加操作，负荷基本不变的情况下通过分相段，待机车驶离CG4处时，K2断开，各个设备恢复原始状态。反向行驶时，由控制系统控制两个开关以相反顺序轮流断开与闭合。地面过电分相时，电力机车(动车组)在中性段进行电压转换，是带载断开分相开关，会生产截流过电压，对开关要求较高；同时是满载闭合另一个分相开关，机车上有牵引变压器，因为两相相位不一样，变压器的稳态磁通有相差，合闸时会因为动态磁通饱和导致合闸浪涌过电流。对于旋转电机并从牵引变压器取电的机车，合闸时还会导致辅助系统过流。

针对传统地面过电分相装置的缺点，有研究人员提出了虚拟同相柔性过电分相装置，其中采用变压器与变流器的组合式虚拟同相供电装置，既能实现虚拟同相柔性过电分相的功能，又能大幅降低变流器的容量，从而降低装置的实现成本，具有明显优势。组合式虚拟同相柔性供电装置的结构如图2所示，图中虚拟同相柔性供电装置中的变压器T₁原边n₁₁从邻近的牵引供电臂取电，次边有两个绕组n₁₂、n₁₃，对应的电压分别为u₁₂、u₁₃；变流器CON从变压器T₁的次边绕组n₁₃取电，经过交直交变换后形成电压u₂₁，为变压器T₂的原边绕组n₂₁供电并在其次边n₂₂形成次边电压u₂₂；变压器T₁次边绕组n₁₂的电压u₁₂与变压器T₂的次边绕组电压u₂₂串联后形成u_neu为中性段供电，调整变流器输出电压u₂₁即可调整u_neu，从而实现虚拟同相供电装置的输出功率调整。因此，如何动态调整交直交变流器输出电压u₂₁，从而实现虚拟同相柔性供电装置输出功率动态调整，是组合式虚拟同相柔性供电装置的关键。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种组合式供电装置直接功率控制方法，在列车运行于分相区、列车受电弓同时接触牵引接触网导线与中性段时，通过对组合式虚拟同相供电装置的功率控制，实现列车所需的负载功率在牵引供电臂与中性段之间可控切换。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种组合式供电装置直接功率控制方法，用于虚拟同相供电系统，在采用由变压器T₁、变压器T₂和变流器CON为中性段供电的组合式供电装置中，根据组合式供电装置与牵引供电臂并联供电的等效电路图，设：

u_s12为变压器T₁次边绕组n₁₂的感应电压，R_n12为绕组n₁₂的等效电阻，L_n12为绕组n₁₂的等效电感，u_s22为变压器T₂次边绕组n₂₂的感应电压，R_n22为绕组n₂₂的等效电阻，L_n22为绕组n₂₂的等效电感，u_p21为变压器T₂原边绕组n₂₁的感应电压，R_n21为绕组n₂₁的等效电阻，L_n21为绕组n₂₁的等效电感，R_l为组合式供电装置输出线路的等效电阻，L_l为组合式供电装置输出线路的等效电感，u_con为变流器的输出电压，u_s为牵引供电臂的输出电压，R_s为牵引供电臂的变压器绕组及线路的等效电阻，L_s为牵引供电臂的变压器绕组及线路的等效电感，u_ref为牵引供电臂负载端与组合式供电装置的并联端电压，R_L为电力机车或动车组负载等效电阻，L_L为电力机车或动车组负载等效电感，P_L为电力机车或动车组负载的有功功率，Q_L为电力机车或动车组负载的无功功率，包括以下控制步骤：

1)对组合式供电装置的输出电压进行直接功率控制，则有

式中，u_neud、u_neuq分别为组合式供电装置输出端电压以u_ref为参照坐标进行旋转变换后得到的d轴分量、q轴分量，ω_s为牵引供电臂供电角频率，u_mref为电压u_ref的幅值，P_neu、Q_neu分别为组合式供电装置输出的有功功率、无功功率；

2)令前馈控制量u_ds及u_qs分别为

用PI控制器控制功率微分量，则得到

式中，K_Pp、K_Pi分别为有功PI控制器的比例和积分系数；K_Qp、K_Qi分别为无功PI控制器的比例和积分系数；P_neu ^*、Q_neu ^*分别为组合式供电装置参考给定功率；

3)变压器T₁的绕组n₁₂的输出电压u₁₂为

u₁₂＝u_s12-i_t(R_n12+jω_sL_n12) (4)

式中，i_t为组合式供电装置的输出电流；

将电压u₁₂进行旋转变换，得其d轴分量和q轴分量分别为u_12d、u_12q，则变压器T₂次边绕组输出电压的d轴分量和q轴分量分别为u_22d、u_22q，如式(5)所示：

变压器T₂次边绕组电压u_s22的d轴分量和q轴分量分别为u_s22d、u_s22q，利用式(6)求得：

式中，i_td、i_tq分为电流i_t的d轴分量和q轴分量；

4)令变压器T₂的变比为K，则变压器T₂的原边电压u_p21的d轴分量和q轴分量分别为：

则变流器输出电压u_con的d轴分量和q轴分量分别为：

式中，i_c为变流器输出电流的瞬时值，i_cd、i_cq分别为电流i_c的d轴分量和q轴分量；

5)变压器T₂的原边电流与次边电流满足式(9)

将式(5)～(9)整理并化简得

利用式(10)求出变流器所需调制电压的d轴分量和q轴分量，进行调制产生触发脉冲，从而得到所需的变流器输出，实现组合式供电装置的直接功率控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：可以实现电力机车所需功率在牵引供电臂与中性段的可控切换，从而实现列车带载无冲击的通过电分相，避免传统过电分相方式存在拉弧、截流过电压等暂态过程，提高了装置的适应性。

附图说明

图1是传统地面过电分相装置的工作原理图。

图2是组合式(虚拟同相)供电装置的结构图。

图3是组合式(虚拟同相)供电装置的等效电路图。

图4是本发明的功率控制框图，图中u_dc为变流器的中间直流电压，主要包括负载实时功率计算、锁相环、前馈功率控制、调制等环节构成。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图3为组合式供电装置与牵引供电臂并联供电的等效电路图，图中u_s12为变压器T₁次边绕组n₁₂的感应电压，R_n12为绕组n₁₂的等效电阻，L_n12为绕组n₁₂的等效电感，u_s22为变压器T₂次边绕组n₂₂的感应电压，R_n22为绕组n₂₂的等效电阻，L_n22为绕组n₂₂的等效电感，u_p21为变压器T₂原边绕组n₂₁的感应电压，R_n21为绕组n₂₁的等效电阻，L_n21为绕组n₂₁的等效电感，R_l为组合式供电装置输出线路的等效电阻，L_l为组合式供电装置输出线路的等效电感，u_con为变流器的输出电压，u_s为牵引供电臂的输出电压，R_s为牵引供电臂的变压器绕组及线路的等效电阻，L_s为牵引供电臂的变压器绕组及线路的等效电感，u_ref为牵引供电臂负载端与组合式供电装置的并联端电压，R_L为电力机车或动车组负载等效电阻，L_L为电力机车或动车组负载等效电感，P_L为电力机车或动车组负载的有功功率，Q_L为电力机车或动车组负载的无功功率。

对组合式供电装置的输出电压进行直接功率控制，则有

式中，u_neud、u_neuq分别为组合式供电装置输出端电压以u_ref为参照坐标进行旋转变换后得到的d轴分量、q轴分量，ω_s为牵引供电臂供电角频率，u_mref为电压u_ref的幅值，P_neu、Q_neu分别为组合式供电装置输出的有功功率、无功功率。

令前馈控制量u_ds及u_qs分别为

用PI控制器控制功率微分量，则可得到

式中，K_Pp、K_Pi分别为有功PI控制器的比例和积分系数；K_Qp、K_Qi分别为无功PI控制器的比例和积分系数；P_neu ^*、Q_neu ^*分别为组合式供电装置参考给定功率。

变压器T₁的绕组n₁₂的输出电压u₁₂为

u₁₂＝u_s12-i_t(R_n12+jω_sL_n12) (4)

式中，i_t为组合式供电装置的输出电流。

将电压u₁₂进行旋转变换，可得其d轴分量和q轴分量分别为u_12d、u_12q，则变压器T₂次边绕组输出电压的d轴分量和q轴分量u_22d、u_22q如下式所示

变压器T₂次边绕组电压u_s22的d轴分量和q轴分量u_s22d、u_s22q利用下式求得

式中，i_td、i_tq分别为电流i_t的d轴分量和q轴分量。

令变压器T₂的变比为K，则变压器T₂的原边电压u_p21的d轴分量和q轴分量分别为

则变流器输出电压u_con的d轴分量和q轴分量分别为

式中，i_c为变流器输出电流的瞬时值，i_cd、i_cq分别为电流i_c的d轴分量和q轴分量。

变压器T₂的原边电流与次边电流满足下式

将式(5)～(9)整理并化简可得

这样，利用式(10)求出变流器所需调制电压的d轴分量和q轴分量，进行调制产生触发脉冲就可以得到所需的变流器输出，实现整个组合装置的直接功率控制。组合式虚拟同相供电装置直接功率控制的框图如图4所示。

Claims (1)

1.一种组合式供电装置直接功率控制方法，用于虚拟同相供电系统，在采用由变压器T₁、变压器T₂和变流器CON为中性段供电的组合式供电装置中，根据组合式供电装置与牵引供电臂并联供电的等效电路图，设：

u_s12为变压器T₁次边绕组n₁₂的感应电压，R_n12为绕组n₁₂的等效电阻，L_n12为绕组n₁₂的等效电感，u_s22为变压器T₂次边绕组n₂₂的感应电压，R_n22为绕组n₂₂的等效电阻，L_n22为绕组n₂₂的等效电感，u_p21为变压器T₂原边绕组n₂₁的感应电压，R_n21为绕组n₂₁的等效电阻，L_n21为绕组n₂₁的等效电感，R_l为组合式供电装置输出线路的等效电阻，L_l为组合式供电装置输出线路的等效电感，u_con为变流器的输出电压，u_s为牵引供电臂的输出电压，R_s为牵引供电臂的变压器绕组及线路的等效电阻，L_s为牵引供电臂的变压器绕组及线路的等效电感，u_ref为牵引供电臂负载端与组合式供电装置的并联端电压，R_L为电力机车或动车组负载等效电阻，L_L为电力机车或动车组负载等效电感，P_L为电力机车或动车组负载的有功功率，Q_L为电力机车或动车组负载的无功功率；

所述组合式供电装置的连接结构为：所述变压器T₁的次边绕组包括绕组n₁₂和绕组n₁₃，绕组n₁₂一端连接到中性段，另一端连接变压器T₂的次边绕组n₂₂，变压器T₂原边绕组n₂₁连接到变流器的输出端，变流器的输入端连接到绕组n₁₃；所述等效电路中变流器的输出电压u_con加载于依次串联的绕组n₂₁的等效电感L_n21、等效电阻R_n21和感应电压u_p21两端；牵引供电臂负载端与组合式供电装置的并联端电压u_ref加载于依次串联的牵引供电臂的变压器绕组及线路的等效电阻R_s和等效电感L_s，及牵引供电臂的输出电压u_s两端，同时加载于依次串联的电力机车或动车组负载的等效电感L_L和等效电阻R_L两端，还加载于依次串联的组合式供电装置输出线路的等效电感L_l和等效电阻R_l，绕组n₁₂的等效电感L_n12、等效电阻R_n12和感应电压u_s12，以及绕组n₂₂的等效电感L_n22、等效电阻R_n22和感应电压u_s22两端；

其特征在于，包括以下控制步骤：

1)对组合式供电装置的输出电压进行直接功率控制，则有

式中，u_neud、u_neuq分别为组合式供电装置输出端电压以u_ref为参照坐标进行旋转变换后得到的d轴分量、q轴分量，ω_s为牵引供电臂供电角频率，u_mref为电压u_ref的幅值，P_neu、Q_neu分别为组合式供电装置输出的有功功率、无功功率；

2)令前馈控制量u_ds及u_qs分别为

用PI控制器控制功率微分量，则得到

式中，K_Pp、K_Pi分别为有功PI控制器的比例和积分系数；K_Qp、K_Qi分别为无功PI控制器的比例和积分系数；P_neu ^*、Q_neu ^*分别为组合式供电装置参考给定功率；

3)变压器T₁的绕组n₁₂的输出电压u₁₂为

u₁₂＝u_s12-i_t(R_n12+jω_sL_n12) (4)

式中，i_t为组合式供电装置的输出电流；

将电压u₁₂进行旋转变换，得其d轴分量和q轴分量分别为u_12d、u_12q，则变压器T₂次边绕组输出电压的d轴分量和q轴分量分别为u_22d、u_22q，如式(5)所示：

变压器T₂次边绕组电压u_s22的d轴分量和q轴分量分别为u_s22d、u_s22q，利用式(6)求得：

式中，i_td、i_tq分为电流i_t的d轴分量和q轴分量；

4)令变压器T₂的变比为K，则变压器T₂的原边电压u_p21的d轴分量和q轴分量分别为：

则变流器输出电压u_con的d轴分量和q轴分量分别为：

式中，i_c为变流器输出电流的瞬时值，i_cd、i_cq分别为电流i_c的d轴分量和q轴分量；

5)变压器T₂的原边电流与次边电流满足式(9)

将式(5)～(9)整理并化简得

利用式(10)求出变流器所需调制电压的d轴分量和q轴分量，进行调制产生触发脉冲，从而得到所需的变流器输出，实现组合式供电装置的直接功率控制。