CN108321831A - 一种铁路功率调节器滤波电感参数不确定的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁路功率调节器滤波电感参数不确定的控制方法。其步骤如下：1)检测得到a、b两相牵引变压器侧电流i_a、i_b，负载电流i_aL、i_bL，直流侧电压U_dc；2)将负载电流分解成有功和无功叠加的形式；3)计算参考指令电流的有功分量有效值；4)计算参考指令电流的无功分量有效值；5)计算两供电臂中负载有功瞬时电流ipa、ipb的直流分量；6)根据参考指令电流的基波有功、无功分量有效值得到完全补偿负序和无功时的参考指令电流；7)将参考指令电流与实际电流之差送入电流内环的μ综合控制器，产生控制信号驱动换流器工作。本发明可以较好地保证系统的标称性能和鲁棒性能，提升铁路功率调节器的动态性能。

Description

一种铁路功率调节器滤波电感参数不确定的控制方法

技术领域

本发明涉及一种铁路功率调节器的控制方法，特别涉及一种用于V/v变压器铁路功率调节器交流侧滤波电感参数不确定控制的方法。

背景技术

近年来我国高速铁路发展十分迅速，已建成世界上最发达的高速铁路网，电气化高速铁路具有运载能力强、行车速度快、节约能源环境污染小的优点，为国民经济的快速发展起到了举足轻重的作用。然而由于电力机车为大功率单相负荷，具有非线性、不对称性和波动性等特点，在运行过程中产生大量的谐波电流，易使电网电压波动畸变、三相不平衡等问——对电力系统的安全、稳定和经济运行带来严重的影响。

电气化铁路系统中广泛采用铁路功率调节器进行电能质量的治理，并具有较好的治理效果。铁路功率调节器常用的直流侧电压的控制方法主要有PI控制方法、单周控制方法、模糊控制方法、线性最优控制方法等。但当实际系统中环境变化、工况改变或元件老化等导致的V/v变压器铁路功率调节器交流侧滤波电感参数摄动时，这些方法均难以保证系统的鲁棒性。

发明内容

为了解决铁路功率调节器交流侧滤波电感参数不确定时控制方法存在的上述技术问题，本发明提供一种用于V/v变压器铁路功率调节器交流侧滤波电感参数不确定的控制方法，保证系统的标称性能和鲁棒性能，提升铁路功率调节器的动态性能，保证电网的正常稳定运行。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种用于V/v变压器铁路功率调节器交流侧滤波电感参数不确定控制的方法，包括以下几个步骤:

1)检测得到a、b两相牵引变压器侧电流i_a、i_b，负载电流i_aL、i_bL，直流侧电压U_dc；

2)将负载电流分解成有功和无功叠加的形式：

上式中θ_a、θ_b分别为两供电臂上的负载功率因素角，I_aLf,I_bLf分别为负载电流的基波有效值；

3)进行有功补偿，取铁路功率调节器两臂中有功电流之差的绝对值的一半，从重载臂转移到轻载臂，转移后两臂中的负载电流i_a’，i_b‘幅值相等，相位相差π/3-θ_b+θ_a；铁路功率调节器转移的基波有功电流即为参考指令电流的有功分量，其有效值为：

I_pa ^*＝I_pb ^*＝|I_bLf cosθ_b-I_aLf cosθ_a|/2；

4)进行无功补偿，a、b相需补偿的基波无功电流即为参考指令电流的无功分量，其有效值为：

5)两供电臂中负载有功瞬时电流ipa、ipb的直流分量为：

6)参考指令电流的基波有功、无功分量有效值I_pa ^*，I_pb ^*，I_qa ^*，I_qb ^*分别为：

完全补偿负序和无功时的参考指令电流i_ca ^*，i_cb ^*为：

其中，

7)将参考指令电流i_ca ^*，i_cb ^*与实际电流i_a、i_b之差送入电流内环的μ综合控制器进行调节，将其输出量和三角载波进行逻辑比较，产生SPWM控制信号，驱动换流器开关模块的工作。

上述的铁路功率调节器滤波电感参数不确定的控制方法中，所述步骤7)中μ综合控制器的求取步骤如下：

71)根据换流器的传递函数模型得到对象G的状态空间表达式；

72)根据实际经验确定L的摄动范围，得到其线性分式变换式；

73)选取合适的理想模型M，确定其状态方程；

74)得到RPC数学模型和理想模型M的状态空间表达式后，进一步得到模型匹配系统中广义被控对象G的状态空间实现；

75)得到广义被控对象G(s)的状态空间实现后，利用DK迭代求解μ综合控制器。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果在于：本发明针对V/v牵引变压器系统中RPC交流侧滤波电感参数不确定问题，采用μ综合鲁棒控制，通过在广义系统中抽象出不确定块，将实际被控对象模型匹配问题转化为结构化不确定性问题，通过DK迭代得到μ综合控制器，采用本发明所提出的控制方法，能够有效增加系统的稳定性，提升铁路功率调节器的动态性能。

附图说明

图1为本发明中铁路功率调节器综合补偿系统拓扑结构图；

图2为本发明中基于μ综合控制的RPC系统控制框图；

图3为本发明中VSC₁电流内环传递函数模型图；

图4为本发明中基于模型匹配的μ综合控制框图；

图5为本发明中系统对应的μ曲线图。

具体实施方式

如图1所示，基于全桥结构的铁路功率调节器的补偿对象是采用三相V/v牵引变压器的高速铁路供电系统，所述铁路功率调节器包括两个单相降压变压器和两个单相电压源换流器VSC₁和VSC₂，所述两个换流器共用一个直流侧电容形成背靠背结构，电容给铁路功率调节器提供稳定的直流侧电压，所述两个单相电压源换流器交流侧分别通过一个滤波电感与所述两个降压变压器副边连接，所述两个单相降压变压器的原边分别与V/v牵引变压器两个单相牵引供电臂连接，定义图中三相V/v牵引变压器副边ac端连接的供电臂为a相，另一臂为b相。其中，i_A、i_B、i_C为网侧三相电流，i_a、i_b为牵引变压器侧电流，i_aL、i_bL为两臂上负载电流，i_ca、i_cb为a相、b相实际电流,i_ca ^*、i_cb ^*为a相、b相参考指令电流，u_1s、u_2s表示a相、b相电网电压，u_1c、u_2c表示a相、b相换流器交流电压，L为两相串联电感。

参见图2，图2为本发明中基于μ综合控制的RPC系统控制框图。a相换流器VSC₁由U_dc的稳压PI控制和电流内环构成，令两供电臂上的负载功率因素角分别为θ_a,θ_b,暂不考虑谐波，i_qa1+i_qa2，i_qb2-i_qb1为两臂上需补偿无功电流，I_aLf,I_bLf分别为负载电流的基波有效值。将负载电流分解成有功和无功叠加的形式：

也可表示为：

先进行有功补偿，取铁路功率调节器两臂中有功电流之差的绝对值的一半，从重载臂转移到轻载臂，转移后两臂中的负载电流i_a’，i_b‘幅值相等，相位相差π/3-θ_b+θ_a，实现了两供电臂有功功率的平衡。铁路功率调节器转移的基波有功电流(即参考指令电流的有功分量)的有效值为：

I_pa ^*＝I_pb ^*＝|I_bLf cosθ_b-I_aLf cosθ_a|/2 (3)

有功补偿后，再进行无功补偿，i_a’滞后u_A的相位角π/6+θ_a，i_b‘超前u_B的相位角π/6-θ_b，系统中仍然存在负序电流，还需补偿一定的无功才能消除。需补偿的无功分为两个部分：一部分为铁路功率调节器两臂负载本身的无功i_qa1,i_qb1，另一部分为为使网侧A，B相电流与其对应的相电压相位一致应补偿的无功i_qa2,i_qb2。通过向量分析，可得a,b相需补偿的基波无功电流(即参考指令电流的无功分量)的有效值为：

根据瞬时功率理论，将两臂中的负载电流分别与其同步信号sinθ’,sinθ”相乘，得到两供电臂中负载有功瞬时电流ipa,ipb,经低通滤波器后，提取出其中的直流分量为：

通过计算可得到两供电臂中参考指令电流的基波有功、无功分量有效值I_pa ^*，I_pb ^*，I_qa ^*，I_qb ^*分别为：

即完全补偿负序和无功时的参考指令电流i_ca ^*，i_cb ^*为：

其中，

将计算得到的参考指令电流i_ca ^*由电流内环的μ综合控制器进行调节，将其输出量和三角载波进行逻辑比较，产生PWM控制信号，驱动a相换流器开关模块的工作。

图3为本发明VSC₁电流内环传递函数模型图。以a相供电臂VSC₁为例，定义L为摄动量，标称值为L₀，R表示两相电路等效电阻。令x＝i_ca，u＝u_1s-u_1c，y＝i_ca,可得对象G的状态空间表达式，则有：

L的摄动范围为±20％，即L＝L₀(1+0.2δ_L)，δ_L为参数摄动量，变化区间为[-1,1]。对于形如L＝L₀(1+0.2δ_L)的参变量，有如下线性分式变换：

其中

图4为本发明基于模型匹配的μ综合控制框图，在图3的基础上结合模型匹配结构得来。其中，M为已知的理想模型传递函数；T为已知的被控对象；Δ为不确定摄动块；K_μ为待设计的控制器；w为外部输入信号；r为偏差信号；u为控制信号；y为输出信号；δ_u为摄动输出；δ_y为摄动输入；ρ为权因子。易得知，w指代为参考指令电流i_ca ^*，y指代i_a，r＝i_ca ^*-i_a。

模型匹配问题就是求取K∈RH_∞，使得取极小，这里RH_∞是所有实有理正则稳定的矩阵集合。为能够方便运用μ综合鲁棒控制理论对μ综合控制器进行求解，将模型匹配问题转化为一般控制构成问题。其内在关系可表示为：

整理成矩阵形式为：

δ_u＝δ_Lδ_y

为抑制检测过程中的噪声等干扰信号，理想模型M取为理想低通滤波器。M的表达式为

若取M(s)＝1，即a₀＝b₀＝1,则M的状态空间表达式为：

得到RPC数学模型和理想模型M的状态空间表达式后，即可进一步得到模型匹配系统中广义被控对象G的状态空间实现。将数学模型和理想模型M中的状态变量统一重新编号，设x₁,……，x_n-1为M的状态变量，x_n为数学模型的状态变量，这样，G的状态空间实现为：

其中，

C₂＝[0 -1] D₂₁＝[1] D₂₂＝[0]

得到广义被控对象G(s)的状态空间实现后，即可利用Matlab软件中mutools中的hinfsyn功能函数很方便地来求解K_μ(s)控制器。通过改变全因子ρ可改变补偿精度，通过改变迭代的给定允许误差可决定H_∞次优控制器逼近理论上的H_∞最优控制器的精确程度。

在Matlab/Simulink平台下搭建RPC仿真模型，某工况下，a相供电臂有功功率、无功功率分别为8MW,6Mvar,b相供电臂空载，仿真参数设置如下：网侧三相电压220kV/50Hz；牵引变压器变比220:27.5；降压变压器变比27.5:1；C＝20000μF，U＝2000V，R＝12.6mΩ，L₀＝0.4mH,取ρ＝0.01，利用鲁棒工具箱和μ分析与综合工具箱可以方便地求出具体的K_μ控制器，如式：

其中，[a₄ a₃ a₂ a₁ a₀]＝[0 0 0 99.998 3149.943]；

[b₅ b₄ b₃ b₂ b₁]＝[0 0 1 50001.115 1.018]

在确定控制器K_μ后，可求得系统的特征根如下：

-4553+3972i,-4553-3972i,-5.893,-10000。特征根均在复平面的左半平面，所以求出的系统是一个稳定系统，具有标称稳定性。

图5为本发明实施例1对应的μ曲线图。根据式(16)求出的K_μ控制器，可画出系统μ曲线。图中，标称性能、鲁棒稳定性、鲁棒性能对应的μ曲线的峰值分别为0.2546、0.2413、0.9765，均小于1，满足标称性能、鲁棒稳定性、鲁棒性能的目标。故所设计的μ综合鲁棒控制器能够使RPC系统的标称性能、鲁棒稳定性、鲁棒性能均得到保证，能够增加系统的稳定性，铁路功率调节器的动态性能提升。

Claims (2)

1.一种铁路功率调节器滤波电感参数不确定的控制方法，包括以下步骤:

1)检测得到a、b两相牵引变压器侧电流i_a、i_b，负载电流i_aL、i_bL，直流侧电压U_dc；

2)将负载电流分解成有功和无功叠加的形式：

上式中θ_a、θ_b分别为两供电臂上的负载功率因素角，I_aLf,I_bLf分别为负载电流的基波有效值；

3)进行有功补偿，取铁路功率调节器两臂中有功电流之差的绝对值的一半，从重载臂转移到轻载臂，转移后两臂中的负载电流i_a’，i_b‘幅值相等，相位相差π/3-θ_b+θ_a；铁路功率调节器转移的基波有功电流即为参考指令电流的有功分量，其有效值为：

I_pa ^*＝I_pb ^*＝|I_bLf cosθ_b-I_aLf cosθ_a|/2；

4)进行无功补偿，a、b相需补偿的基波无功电流即为参考指令电流的无功分量，其有效值为：

5)两供电臂中负载有功瞬时电流ipa、ipb的直流分量为：

6)参考指令电流的基波有功、无功分量有效值I_pa ^*，I_pb ^*，I_qa ^*，I_qb ^*分别为：

完全补偿负序和无功时的参考指令电流i_ca ^*，i_cb ^*为：

其中，

7)将参考指令电流i_ca ^*，i_cb ^*与实际电流i_a、i_b之差送入电流内环的μ综合控制器进行调节，将其输出量和三角载波进行逻辑比较，产生SPWM控制信号，驱动换流器开关模块的工作。

2.根据权利要求1所述的铁路功率调节器滤波电感参数不确定的控制方法，其特征在于，所述步骤7)中μ综合控制器的求取步骤如下：

71)根据换流器的传递函数模型得到对象G的状态空间表达式；

72)根据实际经验确定L的摄动范围，得到其线性分式变换式；

73)选取合适的理想模型M，确定其状态方程；

74)得到RPC数学模型和理想模型M的状态空间表达式后，进一步得到模型匹配系统中广义被控对象G的状态空间实现；

75)得到广义被控对象G(s)的状态空间实现后，利用DK迭代求解μ综合控制器。