CN110034568A - 一种铁路功率调节器的控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种铁路功率调节器的控制方法，包括，通过采用变参PI控制进行直流侧电压的稳压控制，采用预测PR控制对交流侧补偿电流进行跟踪控制，提高控制的精准度和快速性，有效减小RPC的运行容量，并且提高电能的利用率和补偿装置的经济性。本发明的控制方法通过采用改进PI控制进行直流侧电压的稳压控制，与常规PI调节相比缩短了调节时间，能够根据上一阶段的预估控制量预测当前所需的控制量，使反馈更加及时，减小了RPC交流侧电流的稳态跟踪误差，在使电能质量达到标准要求时所用的调整时间减少且调整过程中无超调，能够降低RPC的运行容量，提高装置的经济性。
Description
技术领域
本发明涉及控制方法，具体涉及一种铁路功率调节器的控制方法。
背景技术
高速铁路具有运输能力大、舒适方便、能耗少、环境影响小、节能环保等特点，在世界范围内得到了广泛的重视和应用，发展高速铁路己是当今世界铁路发展的共同趋势。由于高速铁路牵引供电负荷牵引功率大幅提高，且负荷单相供电，将产生大量的负序电流，导致公共电网的三相不平衡。因此，高速铁路对电力系统电能质量的影响主要是谐波和负序的问题。负序电流使发电机产生转子附加损耗与发热和附加振动，使电力系统中以负序分量启动的继电保护装置误动作，增加变压器的附加损失和发热等，严重影响电力系统的安全稳定运行。谐波电流给发电机、变压器电力设备带来额外功率损耗，引起继电保护装置误动或拒动，降低了电力系统的可靠性。
国内电气化铁路自投运以来，因其产生的电能质量问题，曾引发发电机跳闹而造成电网大面积停电、用户电机和电容器被烧毁或不能正常运行、小火电厂不能就近并网等电力事故，给经济发展和社会稳定均带来了不可估量的损失。因此，对电气化铁路牵引供电网的电能质量进行综合治理，使其满足电能质量国标要求，对提升牵引网供电系统安全、经济和稳定运行性能具有重要意义。
澳大利亚、英国、南非等国多采用静止无功补偿器(SVC)进行动态无功补偿，它是由晶闸管控制电抗器(TCR)与固定电容器(FC)组成的。安装于单相供电臂侧的SVC的主要功能是补偿机车负载无功功率，稳定牵引网电压，抑制机车产生的谐波电流，并能补偿部分负序电流。它具有接线简单、造价低、可靠性较好的特点，但也有所需的补偿容量大、各相参数较难配置、系统可靠性低等缺点。日本学者首先提出铁路功率调节器(RPC)概念，并于2002年终于成功发明20MVA/60kV的商用RPC，随后即于新干线铁路牵引网成功投运了多台有源补偿装置对负序、无功和谐波进行综合补偿，并获得了较好的补偿效果。RPC能快速检测出系统的电能质量问题并对其做出反应，对波动明显的机车负荷具有更好的系统平衡能力与电压波动抑制能力，能够综合解决电能质量问题，提高系统稳定性。很多学者对RPC的拓扑结构、补偿原理和控制方法进行研究并且取得了一定的成果，但是同时会造成新的问题，例如：
(1)RPC作为大功率电力电子器件，运行成本比较高；
(2)采用“有源+无源”混合补偿系统可以减小RPC补偿容量，降低成本，但是增加了系统的复杂性以及控制的难度。且无源器件自身会加重电流畸变，加重治理负担；
(3)传统控制方法难以满足系统的精准度和快速性。对于RPC，直流侧电压仍采用PI控制，对电流采用PR控制，用来提高动态性能，但仍存在直流侧电压过渡阶段超调大、响应速度慢等问题，交流侧电流也存在稳态误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新的铁路功率的控制方法，以抑制传统调节方式存在的缺陷，提高控制系统的动态性能并减小RPC的运行容量。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案具体如下：
一种铁路功率调节器的控制方法，包括：
S1：对RPC的a、b两供电臂侧的补偿电流进行检测，得牵引变压器二次侧的实测信号；以实测信号作为计算模块的输入，实时计算出各项参数；对两臂电压的频率与相位进行实时跟踪，并获得牵引网电压的频率与相角；
S2：计算治理后的a、b供电臂的负载电流，分别与两供电臂负载电流的检测值相减，再减去谐波电流，即可得到需要补偿的电流指令值；
S3：测得a、b侧变流器端口的补偿电流实际值，并将它与计算得到的参考电流指令值、直流侧电容的充电电流进行比较，三者的差值作为预测PR控制器的输入信号，从而控制变流器产生补偿电流，形成闭环控制，实现对信号进行实时而准确的追踪。
进一步的，所述步骤S1具体包括：对RPC的a、b两供电臂侧的补偿电流进行检测，由电压互感器和电流互感器检测出牵引变压器二次侧的实测信号；以实测信号作为计算模块的输入，通过DFT技术实时计算出各项参数实时计算出各项参数；运用单相锁相环对两臂电压的频率与相位进行实时跟踪，并锁得牵引网电压的频率与相角。
进一步的，所述步骤S2具体包括：通过移相、有功转移得治理后的a、b供电臂的负载电流，分别与两供电臂负载电流的检测值相减，此时的补偿量中包含全部谐波，再减去谐波电流，即可得到需要补偿的电流指令值；
进一步的，所述步骤S3具体包括：由电流互感器测得a、b侧变流器端口的补偿电流实际值，并将它与计算得到的参考电流指令值、直流侧电容的充电电流进行比较，三者的差值作为预测PR控制器的输入信号，从而控制变流器产生补偿电流，形成闭环控制，实现对信号进行实时而准确的追踪。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的一种铁路功率调节器的控制方法通过采用改进PI控制进行直流侧电压的稳压控制，其参数能够随着电压误差实时变化，且根据输入的不同切换工作方式，与常规PI调节相比缩短了调节时间；
通过采用PPR控制对交流侧补偿电流进行跟踪控制，能够根据上一阶段的预估控制量预测当前所需的控制量，使反馈更加及时，减小了RPC交流侧电流的稳态跟踪误差。
本发明的一种铁路功率调节器的控制方法在使电能质量达到标准要求时所用的调整时间减少且调整过程中无超调，能够降低RPC的运行容量，提高装置的经济性。
附图说明
图1为本发明实施例1中的指令电流检测原理框图；
图2为本发明实施例1中的电压外环、电流内环控制框图；
图3为本发明实施例1中的补偿电流侧控制框图；
图4为本发明实施例1中的预测PR控制器结构设计图。
具体实施方式：
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种铁路功率调节器的控制方法，采用变参PI控制进行直流侧电压的稳压控制，采用预测PR控制对交流侧补偿电流进行跟踪控制，提高控制的精准度和快速性，有效减小RPC的运行容量，并且提高电能的利用率和补偿装置的经济性。通过加入预测环节的PR控制器将PR功能和预测功能进行有机结合，使控制系统既具有对未知的预测功能，同时又具有PR的功能，对带有滞后对象的系统能够进行有效控制，而且控制简单，参数调节方便直观。直流侧电压影响RPC两换流器的正常工作,同时对交流侧输出电流的跟踪性能有一定影响，应当设计一种性能较好的控制方法对直流侧电压进行稳压控制。在负载波动时,控制系统参数能自动满足负载电流变化的需要,可保证控制系统有合适的动态响应时间,使系统的输出快速、准确地逼近设定值,维持直流侧电压的稳定。
该技术的主要原理如下：
如图1-4所示，根据RPC的特殊结构对a、b两供电臂侧的补偿电流进行检测。由电压互感器和电流互感器检测出牵引变压器二次侧的实测信号，以实测信号作为计算模块的输入，通过使用DFT技术实时计算出各项参数。与此同时，运用单相锁相环对两臂电压的频率与相位进行实时跟踪，并锁得牵引网电压的频率与相角。通过移相、有功转移等步骤可得治理后的a、b供电臂的负载电流，分别与两供电臂负载电流的检测值相减。此时的补偿量中包含全部谐波，再减去满足国标要求的谐波电流，即可得到需要补偿的电流指令值。再由电流互感器测得a、b侧变流器端口的补偿电流实际值，并将它与计算得到的参考电流指令值、直流侧电容的充电电流进行比较，三者的差值作为预测PR控制器的输入信号，从而控制变流器产生补偿电流，由此形成了闭环控制，保证信号进行实时而准确的追踪。
预测PR控制器的主要思想是将PR功能和预测功能进行有机结合，通过预估上一阶段补偿电流实际值与目标值的差值，对当前所需的控制量进行预测，使控制系统既具有对未知的预测功能，同时又具有PR的功能，能缩短补偿电流的调节时间，减小超调量，加快补偿电流的响应速度，减小稳态误差。能对带有滞后对象的系统能够进行有效控制，而且控制简单，参数调节方便直观。
由于RPC两侧的原理相同，只分析其中一侧。将其等效为一阶惯性滞后环节，可得输入电压与输出电流的传递函数及期望其闭环传递函数分别为：
综上，可推出：
整理，可得：
实施例2
本实施例通过仿真实例结果来对比常规控制策略和改进控制策略在控制效果上的优缺点。利用MATLAB/SIMULINK平台搭建RPC综合补偿系统进行仿真验证。由于高速铁路两供电臂功率因数接近于1，且含有谐波，因此用电阻负载和不可控整流负载并联来模拟高速铁路电力机车负载。设计一种特殊的工况，令a相供电臂接入机车，b相供电臂空载，仿真实验参数如下：电网电压：220kV/50Hz；V/v牵引变压器变比：220:27.5；降压变压器变比：27.5:1；两供电臂阻抗电感：0.2mH；两供电臂阻抗电阻：0.01Ω；降压变压器变比：27.5:1；RPC变流器交流输出侧电感：0.4mH；直流侧电容：20mF。
补偿前的三相电流有效值分别为IA＝37.79A、IB＝0.32A、IC＝37.82A，三相电流不平衡度达到99.2％，三相电压不平衡度为4.23％，超过了国标的允许范围(≤1.2％)。采用一般控制策略进行补偿后，三相电流接近平衡，并且补偿后a相供电臂网侧电流较负载电流谐波含量明显减少；采用改进控制策略进行补偿后，电压、电流不平衡度降低到更低的水平，谐波量也进一步减少。
系统在补偿前谐波电流量较高，负序电流较大，负序电压不平衡度为4.03％，超过国标规定。采用常规策略补偿后，三相电流不平衡度减小至2.42％，三相电压不平衡度为0.76％；采用改进控制策略补偿后，进一步降低了电压、电流的不平衡度，将RPC的运行容量由4.88MV·A降低至3.62MV·A，较原来减小了25.82％的容量，提高了补偿装置的经济性。
Claims (4)
1.一种铁路功率调节器的控制方法，其特征在于，包括，
S1：对RPC的a、b两供电臂侧的补偿电流进行检测，得牵引变压器二次侧的实测信号；以实测信号作为计算模块的输入，实时计算出各项参数；对两臂电压的频率与相位进行实时跟踪，并获得牵引网电压的频率与相角；
S2：计算治理后的a、b供电臂的负载电流，分别与两供电臂负载电流的检测值相减，再减去谐波电流，即可得到需要补偿的电流指令值；
S3：测得a、b侧变流器端口的补偿电流实际值，并将它与计算得到的参考电流指令值、直流侧电容的充电电流进行比较，三者的差值作为预测PR控制器的输入信号，从而控制变流器产生补偿电流，形成闭环控制，实现对信号进行实时而准确的追踪。
2.根据权利要求1所述的一种铁路功率调节器的控制方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：对RPC的a、b两供电臂侧的补偿电流进行检测，由电压互感器和电流互感器检测出牵引变压器二次侧的实测信号；以实测信号作为计算模块的输入，通过DFT技术实时计算出各项参数实时计算出各项参数；运用单相锁相环对两臂电压的频率与相位进行实时跟踪，并锁得牵引网电压的频率与相角。
3.根据权利要求1所述的一种铁路功率调节器的控制方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：通过移相、有功转移得治理后的a、b供电臂的负载电流，分别与两供电臂负载电流的检测值相减，此时的补偿量中包含全部谐波，再减去谐波电流，即可得到需要补偿的电流指令值。
4.根据权利要求1所述的一种铁路功率调节器的控制方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：由电流互感器测得a、b侧变流器端口的补偿电流实际值，并将它与计算得到的参考电流指令值、直流侧电容的充电电流进行比较，三者的差值作为预测PR控制器的输入信号，从而控制变流器产生补偿电流，形成闭环控制，实现对信号进行实时而准确的追踪。
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