CN109038607A - V/v型铁路功率调节器的损耗优化无功补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种V/v型铁路功率调节器的损耗优化无功补偿方法，针对采用V/v型变压器的铁路功率调节器，在对电力牵引供电系统进行无功补偿时，通过采用优化的补偿策略，使功率调节器的运行损耗达到最低，达到提高功率调节器运行效率的目的。该方法与传统补偿策略相比，具有最小的功率损耗，并在保证最低损耗的前提下合理设计功率调节器的子模块电容，对电气化铁路供电系统的补偿装置的实际工程应用具有重要的指导价值。

Description

V/v型铁路功率调节器的损耗优化无功补偿方法

技术领域

本发明涉及铁路功率调节器，特别是一种V/v型铁路功率调节器的损耗优化无功补偿方法。

背景技术

随着新型动力交通技术的出现，特别是我国电气化铁路，近几年发展迅速，但同时，电气化铁路的供电方式和交流电力机车组的负载特性，导致牵引电力系统出现电压闪变、负序谐波等电能质量问题，降低电力系统的供电质量。针对高速铁路供电系统的电能质量治理问题，除了优化供电系统外，为系统装设补偿装置可有效改善电能质量问题。由于传统的补偿装置容量受限，因而提出了铁路功率调节器(railway power conditioner，RPC)的新概念，RPC实现有功转移、无功补偿和谐波抑制等功能，牵引变压器一般采用Scott型和V/v型，为进一步提高RPC应用的电压和功率等级，通常采用并联型或多电平型的RPC结构，多电平型结构包括双星型半桥(double star chopper cells，DSCC)和双星型全桥(doublestar bridge cells，DSBC)。当RPC运行于无功补偿工况时，区别于Scott型RPC，由于V/v型RPC的输入输出电压和电流的初相位相差60°，当V/v型DSBC-RPC输出无功功率时，RPC内部会衍生出直流有功功率分量，致使各链节电容电压发散，导致链接组间子模块电容电压的不平衡，为抑制组间电压发散，需向各链节注入抵消不平衡现象的直流功率，通过注入环流电压和电流实现。当向RPC链节中注入环流时，链节电流的有效值会增大，RPC的运行功率损耗亦会增大，传统方法通常注入直流环流和直流电压，但直流环流经PWM调制后会在链节电容上激发出基频电压波动，由于电容电压波动与频率成反比，因而该方法在一定程度上增加了电容体积和制造成本，不利用工程实践的应用。当RPC中只注入高频交流环流时，虽然降低了电容电压的基频波动分量，但注入的交流环流幅值是直流环流的2倍，对于降低功率损耗方面是不利的，因而，兼顾RPC运行损耗和装置设计的无功功率控制问题亟待解决。目前，国内对于无功补偿工况下RPC装置的功率损耗优化和链节电容体积的优化设计等方面的研究较少。

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V/v型铁路功率调节器的损耗优化无功补偿方法，降低链节电容的基频电压波动，减小电容体积。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种V/v型铁路功率调节器的损耗优化无功补偿策略，包括以下步骤：

1)功率调节器的拓扑由四个链接构成，每个链节由N个全桥子模块级联组成，

当功率调节器对铁路牵引供电系统进行无功补偿时，以第i个链节(以下简称“链节i”)为例，计算链节i的瞬时功率中的直流分量，

表达式为：

式中，p_dci为链节i的直流功率分量，u_i和i_i分别为链节电压和链节电流。同时向功率调节器中注入直流环流和交流环流、直流电压和交流电压，产生的直流功率满足：

p_dci＝U_z(dc)I_z(dc)+0.5U_z(ac)I_z(ac)；

式中，U_z(dc)和U_z(ac)分别为注入的直流电压和交流电压幅值，I_z(dc)和I_z(ac)分别为注入的直流环流和交流环流幅值，并设定注入的直流电压和交流电压幅值相等，即U_z(dc)＝U_z(ac)，直流电压和电流、交流电压和电流分别耦合得到的直流功率分量之和为p_dci。

2)由步骤1)中得到链节i的瞬时功率中的直流分量p_dci，可求得直流环流和交流环流幅值之和I_zref，满足：

I_zref＝I_z(dc)+0.5I_z(ac)；

为了保证功率调节器能够运行在最低功率损耗工况下，在注入环流电压相等的前提下，对I_z(dc)和I_z(ac)进行优化设计，同时对交流环流的初相角θ_z进行优化设计，根据损耗和电流有效值成正比，则可得到最优交流环流幅值、最优交流环流的初相角和最优直流环流，表达如下：

式中，I_ac(opt)和θ_z(opt)分别表示注入的交流环流的最优幅值和最优初相角，I_dc(opt)表示注入的最优直流环流，表示注入链节环流的有效值的最小值。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明针对运行于无功补偿工况下的V/v型铁路功率调节器，提出一种考虑损耗最优的优化环流注入控制策略，通过同时向功率调节器各链节中注入直流环流和交流环流、直流电压和交流电压，并对环流的幅值和初相角进行优化设计，在抑制各链节能量不平衡的同时，保证功率调节器能够运行在损耗最小的工况下，相比传统只注入直流环流和直流电压的方法，本发明所提出的优化无功补偿策略，在一定程度上降低了链节电容的基频电压波动，减小了电容体积，具有一定的工程应用价值。

附图说明

图1是本发明V/v型铁路功率调节器及其等效电路图；(a)为应用于电气化铁路牵引供电系统的V/v型铁路功率调节器的基本结构图；(b)为(a)中V/v型功率调节器的等效电路模型；

图2是本发明一实施例的优化环流控制策略框图。

具体实施方式

图1为本发明V/v型铁路功率调节器及其等效电路图。

(a)为应用于电气化铁路牵引供电系统的V/v型铁路功率调节器的基本结构图，功率调节器经隔离变压器安装在为电力机车供电的两供电臂上，设θ_a和θ_b分别为a相和b相供电电压的初相角，满足θ_a-θ_b＝π/3。该功率调节器由4个桥臂组成，每个桥臂由N个全桥子模块组成的H桥链节和滤波电感L串联构成，u_dci(i＝1,2,..N)为各全桥子模块的电容电压，这种结构可降功率器件的电压应力和电容C的电压等级。

(b)为(a)中V/v型功率调节器的等效电路模型，R为链节等效电阻，u_x(x＝1,2,3,4)和i_x为链节x的输出电压和链节电流，u_b/u_a，i_cb/i_ca分别为输入、输出的电压和电流，i_z为功率调节器的内部环流，不影响系统外部性能。根据图1的(b)中功率调节器电路结构的对称性，将1、4链节归为一组，2、3链节归为一组，建立基尔霍夫电流定律(Kirchhoff'scircuit laws，KCL)方程，各链节电流i_x和环流i_z可分别表示为：

同理，建立基尔霍夫电压定律(Kirchhoff voltage law，KVL)方程，得到各链节电压为：

由环路模型，可知环流电压u_z1、u_z2满足：

假设I_P和I_Q分别为功率调节器需要转移和补偿的有功电流和无功电流幅值，U_s为输入、输出电压幅值，根据图1中(b)中的电压和电流方向，则输入、输出电压和电流可分别表示为：

以链节1为例，当不考虑内部环流时，其瞬时功率p₁计算如下：

则链节1的瞬时功率的直流分量p_dc1可表示为：

因此，需在功率调节器内部注入环流电压和环流电流，产生功率为

图2是本发明一实施例的优化环流控制策略框图，优化无功补偿策略的具体实施过程如下所示。

(1)计算环流注入前各链节电流的初相角和幅值θ_i和I_i

根据功率调节器拓扑结构的对称性，θ₁和I₁(链节1,4)主要取决于功率调节器传输的有功功率和无功功率，链节2,3则计算θ₂和I₂。

(2)计算可注入环流电压限值U_zlim

计算链节电压u_1,4和u_2,3的幅值U₁和U₂，由较大的电压幅值决定最大可利用的环流电压范围U_zlim，当采用同时注入交流环流和直流环流方案时，考虑注入的直流环流电压和交流环流电压的幅值相等，为防止控制系统超调，在满调制度运行工况下，环流电压幅值取为电压限值的一半，即为：U_zref＝0.5U_zlim。

(3)计算最优注入环流i_z(opt)

在无功补偿运行工况下，功率调节器内部的直流功率p_dc可计算得到，因而可求取注入环流的总幅值I_zref，表达式为：

I_zref＝p_dc/U_zref；

在I_zref的基础上对交流环流幅值I_ac和直流环流I_dc进行优化计算。首先，结合步骤(1)求取的基频电流幅值和初相角，通过链节电流的几何关系，求取注入环流的最小幅值I_ac(min)和I_dc(min)，以及对应的交流环流的初相角θ_z(min)，表达式为：

将上式中求取的最小幅值和初相角作为优化过程的初始值，并赋值给I_ac(init)，I_dc(init)和θ_z(init)；为提高最优环流求取过程中计算的实时性和准确性，在每个控制周期T内，通过链节电流的闭环控制实时校正I_ac(init)，I_dc(init)和θ_z(init)，设每个控制周期内电流幅值和相角的校正量为ζ_Iac(k)和ζ_θz(k)，k表示时刻。根据数学原理，通过分析链节电流，得到链节1电流的有效值I_{1_rms}，可求取链节电流有效值关于交流环流初相角的导数dI_{1_rms}/dθ_z(以链节1为例)。当θ_z∈[-3π/2+2θ₁,-π/2+2θ₁]时，dI_{1_rms}/dθ_z<0，θ_z∈[-π/2+2θ₁,π/2+2θ₁]时，dI_{1_rms}/dθ_z>0，因而检测相邻控制周期ΔT内电流有效值I_{1_rms}和初相角校正量ζ_θz的变化情况，记为dI_{1_rms}(I_{1_rms}(k)-I_{1_rms}(k-1))和dζ_θz(ζ_θz(k)-ζ_θz(k-1))。先求取初相角的最优值，若dI_{1_rms}/dζ_θz<0，则ζ_θz(k+1)＝ζ_θz(k)+a_θz(a_θz为靠近最优值的增量，设置为一较小的角度变化量)；反之，若dI_{1_rms}/dζ_θz>0，则ζ_θz(k+1)＝ζ_θz(k)-a_θz。以一个工频周期T_o为计算基准，令n＝T_o/T，得到初相角θ_z的最优值：θ_z(opt)＝θ_z(init)+ζ_θz(n)。同理，在I_ac(init)的基础上，采用类似的优化策略可求取最优I_ac(opt)＝I_ac(init)+ζ_θz(n)，进而得到I_dc(opt)，最优环流表示为：i_z(opt)＝I_ac(opt)sin(2ωt+θ_z(opt))+I_dc(opt)。

综上，则注入最优环流后的链节电流的表达式为：

Claims (4)

1.一种V/v型铁路功率调节器的损耗优化无功补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)计算V/v型铁路功率调节器在无功补偿工况下的直流功率分量；

2)同时向V/v型铁路功率调节器各链节中注入直流环流和交流环流、直流电压和交流电压，并根据步骤1)中的直流功率分量，计算出最优交流环流幅值、最优交流环流的初相角和最优直流环流。

2.根据权利要求1所述的V/v型铁路功率调节器的损耗优化无功补偿方法，其特征在于，所述V/v型铁路功率调节器由四个链接构成，每个链节由N个全桥子模块级联组成，当功率调节器对铁路牵引供电系统进行无功补偿时，链节i的瞬时功率同时包含交流功率和直流功率，表达式为p_i＝p_aci+p_dci；其中，p_i，p_aci和p_dci分别表示链节i的瞬时功率、瞬时交流功率和直流功率；i＝1,2,3,4。

3.根据权利要求1所述的V/v型铁路功率调节器的损耗优化无功补偿方法，其特征在于，同时向V/v型铁路功率调节器中注入直流环流和交流环流、直流电压和交流电压，产生的直流功率满足p_dci＝U_z(dc)I_z(dc)+0.5U_z(ac)I_z(ac)；其中，U_z(dc)和U_z(ac)分别为注入的直流电压和交流电压幅值，I_z(dc)和I_z(ac)分别为注入的直流环流和交流环流幅值，并设定注入的直流电压和交流电压幅值相等，即U_z(dc)＝U_z(ac)，直流电压和电流、交流电压和电流分别耦合得到的直流功率分量之和为p_dci。

4.根据权利要求3所述的V/v型铁路功率调节器的损耗优化无功补偿方法，其特征在于，最优交流环流幅值、最优交流环流的初相角和最优直流环流

其中，I_ac(opt)和θ_z(opt)分别表示注入的最优交流环流幅值和最优交流环流的初相角，I_dc(opt)表示注入的最优直流环流，表示注入链节环流的有效值的最小值。