CN109301834A - 一种铁路功率调节器的指令信号提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铁路功率调节器的指令信号提取方法，铁路功率调节器通过降压变压器安装在三相V/V牵引变压器二次侧的两供电臂之间，该方法包括：S1、通过锁相环环节获取电压同步信号u_α1、u_β1、u_α2和u_β2；S2、检测两个供电臂的供电负载电流I_lα和I_lβ，分别乘以电压同步信号u_α1和u_β1后再相加，得到的信号通过低通滤波器环节后乘以得到I_LP；S3、I_LP乘以电压同步信号u_α2后加上I_lα，得到其中一个供电臂的指令信号i_αr；I_LP乘以电压同步信号u_β2后加上I_lβ，得到另一个供电臂的指令信号i_βr。与现有技术相比，本发明针对电气化铁路功率调节器所处单相供电、负序严重的供电环境，采用串联式结构的低通滤波器，能够有效的提高有功、无功指令信号的提取速度与质量。

Description

一种铁路功率调节器的指令信号提取方法

技术领域

本发明涉及铁路牵引系统的电能质量治理领域，尤其是涉及一种铁路功率调节器的指令信号提取方法。

背景技术

铁路电力机车作为一种特殊的负载，在单相供电中会出现负载不平衡的情况，由此产生的负序电流会极大地影响电网的安全运行。铁路功率调节器(railway staticpower conditioner，RPC)能有效克服传统治理装置对负序和谐波补偿效果不佳的缺点，为治理高速铁路的电能质量提供新的思路。为此，对于RPC的拓扑结构、指令电流、补偿原理和容量优化等进行了相关研究，为RPC的应用提供了相应基础。但从目前文献综述中却没有发现学者对指令电流的信号提取做详细阐述。但通过对RPC的控制策略中发现低通滤波器技术贯穿整个指令电流信号提取，它的好坏对指令信号的提取起着重要的作用，直接决定RPC的性能指标。

谐波电流的检测方法有很多种，基于快速傅里叶变换的谐波检测速度快、精度高，基于神经网络的谐波检测可对非线性信号进行分析，还有基于小波分析的谐波检测，和基于瞬时无功功率的谐波检测。目前关于低通滤波器的文献主要集中在数字信号处理及通信领域，在电能质量信号提取方面也有相关阐述，但大多集中在三相或负载平衡系统，然而这些方法并不完全照搬应用于电气化铁路功率调节器这种单相供电、负载不平衡的应用场合。而且低通滤波器的延时特性会使系统的跟踪时间较长，影响信号检测的实时性与精度。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种铁路功率调节器的指令信号提取方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种铁路功率调节器的指令信号提取方法，所述铁路功率调节器通过降压变压器安装在三相V/V牵引变压器二次侧的两供电臂之间，所述方法包括：

S1、通过锁相环环节获取电压同步信号u_α1＝cos(ωt)、u_α2＝sin(ωt)和

S2、检测两个供电臂的供电负载电流I_lα和I_lβ，分别乘以电压同步信号u_α1和u_β1后再相加，得到的信号通过低通滤波器环节后乘以得到I_LP；

S3、I_LP乘以电压同步信号u_α2后加上I_lα，得到其中一个供电臂的指令信号i_αr；I_LP乘以电压同步信号u_β2后加上I_lβ，得到另一个供电臂的指令信号i_βr。

优选的，所述步骤S2中低通滤波器环节包括串联的前、后两级低通滤波器，前级为一阶的巴特沃斯滤波器，后级为均值滤波器。

优选的，所述前级低通滤波器和后级低通滤波器的离散表达式分别为：

其中，Q₁(n)、Q₂(n)分别表示前级、后级低通滤波器的传递函数的差分形式，m表示阶数，a_k、b_k分别表示前级低通滤波器传递函数分子和分母的第k个多项式因子，x表示采样信号，h表示序列数，p表示后级低通滤波器系数。

优选的，所述步骤S1中锁相环环节通过提取电网电压中一次基波分量获取电压同步信号。

优选的，所述电网电压中一次基波分量为：

其中，分别表示电网电压在dq坐标系中d轴、q轴的正序一次基波分量，分别表示电网电压在dq坐标系中d轴、q轴的负序一次基波分量，分别表示电网电压在dq坐标系中d轴、q轴的正序电压，分别表示电网电压在dq坐标系中d轴、q轴的负序电压，分别为对应电压的平均值，θ表示锁相环输出角度。

优选的，所述通过锁相环环节中的一阶低通滤波器的传递函数得到。

与现有技术相比，本发明针对电气化铁路功率调节器所处单相供电、负序严重的供电环境，采用串联式结构的低通滤波器，在保证快速性的同时保证了提取直流分量的精度，由于二阶比一阶滤波器速度慢，因此添加均值滤波器对速度变化没有太大影响，而是使得波形提取更加平滑，能够有效的提高有功、无功指令信号的提取速度与质量。

附图说明

图1为本发明中电气化铁路电能质量优化补偿系统结构图；

图2为补偿有功和无功后电流向量图；

图3为本发明中有功指令提取原理框图；

图4为本发明中无功指令提取原理框图；

图5为本发明中总补偿指令提取原理框图；

图6为DDSRF-SPLL双同步坐标系示意图；

图7为实施例的锁相实验验证中频率突变时离散谐振的锁相结果；

图8为实施例的锁相实验验证中频率突变时降阶谐振的锁相结果；

图9为实施例的锁相实验验证中单相基波的频率和相位都突变时离散谐振的锁相结果；

图10为实施例的锁相实验验证中单相基波的频率和相位都突变时降阶谐振的锁相结果；

图11为实施例的有功、无功直流分量提取实验的波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，本实施例中，铁路功率调节器(RPC)通过降压变压器安装在三相V/V牵引变压器二次侧的两供电臂之间，电力机车分别由左右α、β两相供电臂提供27.5kV单相供电，三相220kV母线经V/V变压器给两供电臂供电。RPC由共用直流电容的2个变流器组成，两变流器中间并联大容量直流电容保证其性能稳定，并通过降压变压器与牵引供电臂相连接，通过控制变流器的IGBT桥来控制两臂的电能流动，实现两供电臂的负序及谐波的治理。

具体分析功率调节器工作原理，见图2，图中U_A、U_B、U_C为牵引变一次侧电压；I_A、I_B、I_C为一次侧三相电流；I_α0、I_β0为补偿前α、β两供电臂基波电流有效值；有功补偿量为ΔI，其补偿电流方向和I_A0、I_B0方向平行；无功补偿量为ΔI_Qα、ΔI_Qβ，其补偿电流方向和I_A0、I_B0方向垂直。ΔP_α、ΔP_β为所需要进行补偿的有功量，ΔQ_α、ΔQ_β为所需要进行补偿的无功量。由RPC补偿原理及图2所示电流相量可知，完全补偿需要补偿有功量ΔP_α、ΔP_β，无功量ΔQ_α、ΔQ_β分别为：

由图2可见，完全补偿后三相电流I_A、I_B、I_C平衡，大小相等。

根据电气化铁路电能质量补偿原理，可以得到有功、无功指令的提取方法，进而得到全补偿指令提取方法。

有功指令的提取方法如图3所示，当I_lα＞I_lβ时，两侧负载转移的有功电流为：

考虑到相位的不同，补偿的有功电流的i_pα、i_pβ大小分别为：

提取无功指令的方法如图4所示，设两桥臂的α、β供电臂负载的无功电流分别为i_lαr、i_lβr。补偿后的有功电流乘以tan30°为补偿后的无功部分，则补偿的无功指令i_qα、i_qβ的表达式分别为：

本申请提出一种铁路功率调节器的指令信号提取方法，该指令信号为包括有功、无功指令的全补偿指令信号，如图5所示，本方法包括：

S1、锁相环环节通过提取电网电压中一次基波分量获取电压同步信号u_α1＝cos(ωt)、u_α2＝sin(ωt)和

S2、检测两个供电臂的供电负载电流I_lα和I_lβ，分别乘以电压同步信号u_α1和u_β1后再相加，得到的信号通过低通滤波器环节后乘以得到I_LP；

S3、I_LP乘以电压同步信号u_α2后加上I_lα，得到其中一个供电臂的指令信号i_αr；I_LP乘以电压同步信号u_β2后加上I_lβ，得到另一个供电臂的指令信号i_βr。

下面分析锁相环中的低通滤波器。在非线性负载或者电网电压故障(单相接地短路，两相短路等)的影响下，电网电压中会包含：正序分量、负序分量、零序分量，可表示为：

式中，v_abc表示三相电压，+n,-n,0n分别代表正序、负序、零序分量的n次谐波分量。由式(7)可以将电压矢量等价为正序基波分量与谐波分量的组合。如附图6所示，建立d-q和dⁿ-qⁿ双同步坐标系，V¹为正序基波矢量，为V¹与d轴夹角；Vⁿ为n次谐波矢量，为Vⁿ与dⁿ轴夹角；θ为d轴与α轴的夹角，即锁相环输出角度；nθ为dⁿ轴与α轴的夹角；

考虑到电气化铁路牵引变供电电网环境中主要的谐波为奇次谐波分量及不平衡电网造成的负序分量，对锁相环的影响最为严重的为负序基波分量。为此，本实施例中选择n＝-1，得到：

分别表示电网电压在dq坐标系中d轴、q轴的正序电压，分别表示电网电压在dq坐标系中d轴、q轴的负序电压。

由式(9)可以得出，负序分量的存在导致正序坐标系下dq轴上都耦合了二倍频的交流分量，而其中下划线的部分为基波正序和负序分量，也是将要提取的部分，因此只要通过合适的方法求取各式的平均值就可以提取出基波分量。采用低通滤波器可以有效的滤除交流分量，但是滤波器的带宽与响应速度是相互矛盾的，所以要提取纯净的直流分量只依赖滤波器，则会增加滤波器参数的设计难度。通过观察可以看出正负序基波分量相互耦合，因此可以采用解耦数学模型进行解耦，其解耦模型如式(10)所示：

其中，分别表示电网电压在dq坐标系中d轴、q轴的正序一次基波分量，分别表示电网电压在dq坐标系中d轴、q轴的负序一次基波分量，分别为对应电压的平均值，可以通过锁相环环节中的一阶低通滤波器的传递函数式(11)得到。

其中，LPF(s)表示低通滤波器传递函数，ω_f表示截止频率。

本方法中针对电气化铁路功率调节器所处单相供电、负序严重的供电环境，提出一种串联式结构的低通滤波器，能够有效提高有功、无功指令信号的提取速度与质量。因此步骤S2中采用了两种滤波器串联形式的低通滤波器，在保证快速性的同时保证了提取直流分量的精度。串联的前、后两级低通滤波器中，前级Q₁为一阶的巴特沃斯滤波器，后级Q₂为均值滤波器。

前级低通滤波器和后级低通滤波器的离散表达式分别为：

其中，Q₁(n)、Q₂(n)分别表示前级、后级低通滤波器的传递函数的差分形式，m表示阶数，a_k、b_k分别表示前级低通滤波器传递函数分子和分母的第k个多项式因子，x表示采样信号，h表示序列数，p表示后级低通滤波器系数，具体设置可参照公开文献(周柯,罗安,夏向阳,等.一种改进的ip-iq谐波检测方法及数字低通滤波器的优化设计[J].中国电机工程学报,2007,27(34):96-101.)。

由于二阶比一阶滤波器速度慢，因此添加均值滤波器对速度变化没有太大影响，而是使得波形提取更加平滑。

为了验证本申请提出的指令信号提取方法，本实施例中，利用DSP进行了锁相环实验和有功、无功低通滤波器性能实验。用两台380：220的单相变压器组成V/V牵引变压器等效结构，让其连接两供电臂接入220V三相母线供电网。RPC主电路板通过220：220的隔离变压器并联到供电臂，使用TMS320F28335DSP芯片对整个RPC主电路进行控制，实验结果使用FLUKE_435电能质量仪进行记录。

一、锁相实验验证

设定单相电压基波幅值为3V，观察电压频率由50Hz变为60Hz对锁相的影响。图7、图8分别显示了离散谐振和降阶谐振的锁相结果，可以看出，锁相环频率的动态性能一致。图9、图10分别为单相基波的频率和相位都改变时的波形，可以看出两者区别不大，锁相结果良好。

二、有功、无功低通滤波器性能实验验证

进一步观察单相基波的频率和相位都改变时的波形，确定锁相结果良好。再做一个对二阶滤波器和一阶滤波加均值两种情况对比的实验，在RPC的α相桥臂负载电流0.5A的情况下，将β相桥臂由0A突增到5A，观察改进的滤波器结构提取速度以及波形平滑度。从图11实验波形可以看出，改进的滤波器结构提取速度更快，波形更为平滑。

Claims (6)

1.一种铁路功率调节器的指令信号提取方法，所述铁路功率调节器通过降压变压器安装在三相V/V牵引变压器二次侧的两供电臂之间，其特征在于，所述方法包括：

S1、通过锁相环环节获取电压同步信号u_α1＝cos(ωt)、u_α2＝sin(ωt)和

S2、检测两个供电臂的供电负载电流I_lα和I_lβ，分别乘以电压同步信号u_α1和u_β1后再相加，得到的信号通过低通滤波器环节后乘以得到I_LP；

S3、I_LP乘以电压同步信号u_α2后加上I_lα，得到其中一个供电臂的指令信号i_αr；I_LP乘以电压同步信号u_β2后加上I_lβ，得到另一个供电臂的指令信号i_βr。

2.根据权利要求1所述的一种铁路功率调节器的指令信号提取方法，其特征在于，所述步骤S2中低通滤波器环节包括串联的前、后两级低通滤波器，前级为一阶的巴特沃斯滤波器，后级为均值滤波器。

3.根据权利要求2所述的一种铁路功率调节器的指令信号提取方法，其特征在于，所述前级低通滤波器和后级低通滤波器的离散表达式分别为：

其中，Q₁(n)、Q₂(n)分别表示前级、后级低通滤波器的传递函数的差分形式，m表示阶数，a_k、b_k分别表示前级低通滤波器传递函数分子和分母的第k个多项式因子，x表示采样信号，h表示序列数，p表示后级低通滤波器系数。

4.根据权利要求1所述的一种铁路功率调节器的指令信号提取方法，其特征在于，所述步骤S1中锁相环环节通过提取电网电压中一次基波分量获取电压同步信号。

5.根据权利要求4所述的一种铁路功率调节器的指令信号提取方法，其特征在于，所述电网电压中一次基波分量为：

其中，分别表示电网电压在dq坐标系中d轴、q轴的正序一次基波分量，分别表示电网电压在dq坐标系中d轴、q轴的负序一次基波分量，分别表示电网电压在dq坐标系中d轴、q轴的正序电压，分别表示电网电压在dq坐标系中d轴、q轴的负序电压，分别为对应电压的平均值，θ表示锁相环输出角度。

6.根据权利要求5所述的一种铁路功率调节器的指令信号提取方法，其特征在于，所述通过锁相环环节中的一阶低通滤波器的传递函数得到。