CN109038617A

CN109038617A - 基于自抗扰控制器的statcom的电气化铁路低频振荡抑制方法

Info

Publication number: CN109038617A
Application number: CN201810863355.1A
Authority: CN
Inventors: 刘志刚; 胡鑫煊
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2018-08-01
Filing date: 2018-08-01
Publication date: 2018-12-18

Abstract

本发明公开了一种基于自抗扰控制器的STATCOM的电气化铁路低频振荡抑制方法，首先在dq坐标系下对单相STATCOM进行dq解耦数学建模，为STATCOM设计电压控制外环和电流控制内环的双闭环控制策略；其中，电压外环是通过一个PI控制器对STATCOM的直流电压进行控制，并获得有功电流的指令值；电流内环是通过两个一阶非线性自抗扰控制器获得d轴和q轴的公共连接点端口电压分量。然后将该电压分量作为调制波，在载波相移SPWM的调制方式下可得到STATCOM的开关管通断的控制信号。本发明的自抗扰控制器STATCOM具有良好的控制品质和较强的鲁棒性，可提高系统的稳定性，抑制电气化铁路低频振荡问题。

Description

基于自抗扰控制器的STATCOM的电气化铁路低频振荡抑制方法

技术领域

本发明涉及电气化铁路用电安全技术领域，具体为一种基于自抗扰控制器的STATCOM(Static Synchronous Compensator静止同步补偿器)的电气化铁路低频振荡抑制方法。

背景技术

随着我国电气化铁路不断地发展，大量交直交传动的CRH系列动车组和HXD系列大功率机车投入运行，引发了铁路牵引网电压的低频振荡问题，严重影响列车的安全运行以及行车调度秩序。电气化铁路低频振荡现象是机车-牵引网系统的电气匹配问题，在牵引变电所增设适当的补偿或控制设备，通过减小等效电源阻抗和提供额外系统阻尼，可以对低频振荡的进行抑制。基于自换相电力电子器件的STATCOM具有无功调节连续、谐波小、运行范围宽、响应速度快等优点，被广泛应用于各个领域。

目前在STATCOM中应用较多的是传统的PID控制器，其优点是控制简单并且易于实现,具有良好的动态响应。但在实际应用中，随着越来越多的非线性电子电子器件的投入，PID控制器不易满足高性能控制要求。韩京清研究员在对传统PID控制器进行深入学习分析后，提出了利用特殊非线性效应来开发具有特殊功能的环节，并以此来设计出高品质控制器，即自抗扰控制器，克服PID控制器的缺点。自抗扰控制器比传统PID控制器具有更好的控制性能，能使系统具有更好的鲁棒性。本发明基于上述现状，提出了一种基于自抗扰控制器的STATCOM的设计方法，用于抑制电气化铁路低频振荡问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种能够提高系统的控制稳定性和鲁棒性，有效地实现电气化铁路低频振荡抑制，并有效降低控制输入饱和的发生概率，改善控制器性能的基于自抗扰控制器的STATCOM的电气化铁路低频振荡抑制方法。技术方案如下：

一种基于自抗扰控制器的STATCOM的电气化铁路低频振荡抑制方法，包含如下步骤：

步骤1：建立dq坐标系下单相STATCOM的主电路数学模型，根据数学模型设计STATCOM并网控制策略：

单相STATCOM的主电路数学模型描述为：

式中，u_sd和u_sq为牵引网电压的在d轴和q轴上的分量；u_cd和u_cq分别为公共连接点端口电压在d轴和q轴上的分量；i_d和i_q分别为牵引网交流电流在d轴和q轴上的分量；ω为牵引网电压的角频率；L为交流侧连接电感；R为交流侧电阻；

为了进行dq解耦，便于自抗扰控制器的设计，表达式描述为：

式中，牵引网电压的角频率d轴分量ω_d＝ωLi_q+u_sd，q轴分量ω_q＝-ωLi_d+u_sq；

所述控制策略为电压控制外环和电流控制内环的双闭环控制；

步骤2：设计一阶非线性微分跟踪器TD：

针对单相STATCOM检测到的无功电流参考值i_qref，采用的TD形式如下：

式中，i_q1和i_q2分别为无功电流参考值i_qref的跟踪信号和近似微分信号；h₀为采样步长；h为积分步长；r为速度跟踪因子，是衡量系统响应快慢的时间尺度；fhan(*)为最速控制综合函数；

步骤3：设计二阶非线性扩张状态观测器ESO：

为使无功电流i_q和最终控制量u来实时跟踪估计系统的状态和扰动，二阶非线性ESO设计如下：

式中，为系统误差；Z₁为无功电流i_q的状态估计值；Z₂为无功电流i_q的状态估计值的近似微分；β₁、β₂为输出误差的可调参数；a为滤波因子；b为补偿因子；fel(*)为连续可微的非线性S型函数，表达式为：

步骤4：设计一阶非线性状态误差反馈控制率NLSEF：

为实现扰动的动态补偿，需求取误差反馈控制量u₀，采用的NLSEF为：

式中：fal函数是最优控制函数；表达式为a为滤波因子，d为非线性因子，sgn(e)为符号函数；k为反馈控制率的比例系数；u为最终控制量；e₀为i_q1和Z₁之差，即NLSEF的输入信号；u₀为状态误差的非线性反馈控制量；b为补偿因子；其中a、d、k、b为可调参数；

步骤5：获取STATCOM的开关控制信号：

通过两个自抗扰控制器分别得到d轴和q轴的公共连接点端口电压分量u_cd和u_cq，在载波相移SPWM的调制方式下得到STATCOM的开关管通断的控制信号

进一步的，所述单相STATCOM的主电路数学模型是通过二阶广义积分器虚构β轴后并经过Park变换而建立的。

更进一步的，所述电压控制外环是通过一个PI控制器对STATCOM的直流电压进行控制，并获得有功电流的指令值i_dref。

更进一步的，所述连续可微的非线性S型函数的表达式为：

本发明的有益效果是：本发明针对单相STATCOM，设计了非线性自抗扰控制器，提高了系统的控制稳定性和鲁棒性，为牵引网提供实时无功功率补偿，有效地实现了电气化铁路低频振荡抑制；使用了一个连续可微的非线性S型函数，有效降低了控制输入饱和的发生概率，改善了控制器性能。

附图说明

图1为本发明的采用自抗扰控制器的单相STATCOM系统控制框图。

图2为本发明的一阶自抗扰控制器的控制框图。

图3为本发明的单相STATCOM连接到多车-牵引网系统结构示意图。

图4a)为8台CRH5机车并联运行时的牵引网电压波形图。

图4b)为8台CRH5机车并联运行时的牵引网电流波形图。

图4c)为8台CRH5机车并联运行时的机车中间电压波形图。

图5a)为本发明的接入STATCOM后8台CRH5机车并联运行时的牵引网电压波形图。

图5b)为本发明的接入STATCOM后8台CRH5机车并联运行时的牵引网电流波形图。

图5c)为本发明的接入STATCOM后8台CRH5机车并联运行时的机车中间电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。本实施例通过设计一阶非线性自抗扰控制器，获得单相STATCOM的开关控制信号，提供牵引网无功功率补偿以实现电气化铁路低频振荡抑制。包括建立dq坐标系下单相STATCOM的主电路数学模型；设计一阶非线性微分跟踪器TD(Tracking Differentiator)；设计二阶非线性扩张状态观测器ESO(extended state observer)；设计一阶非线性状态误差反馈控制率NLSEF(NonlinearState Error Feedback)；获取STATCOM的开关控制信号。具体步骤如下：

步骤1：建立dq坐标系下单相STATCOM的主电路数学模型：

单相STATCOM的主电路数学模型可描述为：

式中u_sd和u_sq为牵引网电压的在d轴和q轴上的分量；u_cd和u_cq分别为公共连接点端口电压在d轴和q轴上的分量；i_d和i_q分别为牵引网交流电流在d轴和q轴上的分量；ω为牵引网电压的角频率；L为交流侧连接电感；R为交流侧电阻；

为了进行dq解耦，便于自抗扰控制器的设计，表达式可描述为：

式中ω_d＝ωLi_q+u_sd，ω_q＝-ωLi_d+u_sq。

单相STATCOM的主电路数学模型是通过二阶广义积分器虚构β轴后并经过Park变换而建立的。根据数学模型设计STATCOM并网控制策略，采用自抗扰控制器的单相STATCOM系统控制框图如图1所示。一阶自抗扰控制器的控制框图如图2所示。控制策略为电压控制外环和电流控制内环的双闭环控制，其中电压外环是通过一个PI控制器对STATCOM的直流电压进行控制，并获得有功电流的指令值i_dref；电流内环是通过两个一阶非线性自抗扰控制器获得d轴和q轴的公共连接点端口电压分量u_cd和u_cq。

步骤2：设计一阶非线性微分跟踪器TD：

由于d轴和q轴的自抗扰控制器的原理、参数一致，以q轴自抗扰控制器为例进行说明。

针对单相STATCOM检测到的无功电流参考值i_qref，为使其输出量能够快速、准确地跟踪输入信号，需安排过渡过程，采用的TD形式如下：

式中i_q1和i_q2分别为无功电流参考值i_qref的跟踪信号和近似微分信号；h₀为采样步长；h为积分步长；r为速度跟踪因子，是衡量系统响应快慢的时间尺度；fhan(*)为最速控制综合函数。

步骤3：设计二阶非线性扩张状态观测器ESO：

式中，为系统误差；Z₁为无功电流i_q的状态估计值；Z₂为无功电流i_q的状态估计值的近似微分；β₁、β₂为输出误差的可调参数，合适的取值可保证较好地估计系统无功电流及其微分量以及系统的扰动；a为可调的滤波因子；b为补偿因子。fel(*)为连续可微的非线性S型函数，表达式为：

传统的自抗扰控制下的系统波形存在抖动，一定程度是fal(e,a,d)函数在±d位置不光滑造成的。针对这个问题，使用了一个连续可微的非线性S型函数，它是ESO环节的核心构成，相比fal(e,a,d)函数，它有效降低了控制输入饱和的发生概率，改善控制器性能。

步骤4：设计一阶非线性状态误差反馈控制率NLSEF：

式中：fal函数是最优控制函数。表达式为a为滤波因子，d为非线性因子，sgn(e)为符号函数；k为反馈控制率的比例系数；u为最终控制量；e₀为i_q1和Z₁之差，即NLSEF的输入信号；u₀为状态误差的非线性反馈控制量；b为补偿因子；其中a、d、k、b为可调参数。

步骤5：获取STATCOM的开关控制信号：

如图1所示，通过两个自抗扰控制器分别得到d轴和q轴的公共连接点端口电压分量u_cd和u_cq，在载波相移SPWM的调制方式下可得到STATCOM的开关管通断的控制信号。

为了验证该方法的有效性和正确性，在Matlab/Simulink搭建相应的模型。单相STATCOM连接到多车-牵引网系统结构示意图如图3所示，用戴维南等效电路模拟牵引网电路，8台机车选取的是CRH5动车组，机车接入的形式为渐进式，STATCOM并联接入到牵引网侧对多车-牵引网系统进行无功补偿来抑制低频振荡。

8台CRH5机车逐台接入并联运行20秒时，牵引网电压、牵引网电流以及机车中间电压波形图如图4a)、图4b)、图4c)所示。多车-牵引网系统发生了频率约为3Hz的低频振荡现象，牵引网电压波动为±4300V，牵引网电流波动为±100A，机车中间电压波动为±390V，严重影响了多车-牵引网系统的安全性能。接入STATCOM后8台CRH5机车逐台接入并联运行20秒时，牵引网电压、牵引网电流以及机车中间电压波形图如图5a)、图5b)、图5c)所示。多车-牵引网系统的低频振荡现象消失了，牵引网电压、牵引网电流以及机车中间电压都稳定在各自的指标范围内，且系统的谐波畸变率也降低了，可见基于自抗扰控制器的STATCOM在有效地抑制电气化铁路低频振荡的同时，还改善了多车-牵引网系统的性能。

Claims

1.一种基于自抗扰控制器的STATCOM的电气化铁路低频振荡抑制方法，其特征在于，包含如下步骤：

单相STATCOM的主电路数学模型描述为：

步骤2：设计一阶非线性微分跟踪器TD：

步骤3：设计二阶非线性扩张状态观测器ESO：

式中，为系统误差；Z₁为无功电流i_q的状态估计值；Z₂为无功电流i_q的状态估计值的近似微分；β₁、β₂为输出误差的可调参数；a为滤波因子；b为补偿因子；

fel(*)为连续可微的非线性S型函数，表达式为：

步骤4：设计一阶非线性状态误差反馈控制率NLSEF：

式中：fal(*)函数是最优控制函数；表达式为a为滤波因子，d为非线性因子，sgn(e)为符号函数；k为反馈控制率的比例系数；u为最终控制量；e₀为i_q1和Z₁之差，即NLSEF的输入信号；u₀为状态误差的非线性反馈控制量；b为补偿因子；其中a、d、k、b为可调参数；

步骤5：获取STATCOM的开关控制信号：

通过两个自抗扰控制器分别得到d轴和q轴的公共连接点端口电压分量u_cd和u_cq，在载波相移SPWM的调制方式下得到STATCOM的开关管通断的控制信号。

2.根据权利要求1所述的基于自抗扰控制器的STATCOM的电气化铁路低频振荡抑制方法，其特征在于，所述单相STATCOM的主电路数学模型是通过二阶广义积分器虚构β轴后并经过Park变换而建立的。

3.根据权利要求1所述的基于自抗扰控制器的STATCOM的电气化铁路低频振荡抑制方法，其特征在于，所述电压控制外环是通过一个PI控制器对STATCOM的直流电压进行控制，并获得有功电流的指令值i_dref。

4.根据权利要求1所述的基于自抗扰控制器的STATCOM的电气化铁路低频振荡抑制方法，其特征在于，所述连续可微的非线性S型函数的表达式为：