CN110854875B - 一种牵引供电系统无功补偿优化调节方法 - Google Patents

一种牵引供电系统无功补偿优化调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种牵引供电系统无功补偿优化调节方法，针对电气化铁路供电系统的单相供电给三相电网造成功率不平衡时无功补偿的优化调节。本发明主要包括复合PI滞环控制、优化方向感知和无功提前感知三个部分，优化方向感知主要确定无功补偿的修正方向；无功提前感知针对历史无功补偿的数据的变化特征和当前数据，感知未来无功变化趋势；复合PI滞环控制在定相位角的基础上根据线电流差和未来无功动态的感知结果对补偿结果进行优化调节。与传统的固定无功相位角补偿方式不同，本发明不仅进行无功提前感知，而且在无功功率相位角变化时，可以及时感知并修正补偿，无功补偿结果更加灵活准确。

Description

一种牵引供电系统无功补偿优化调节方法
技术领域
本发明涉及电气化铁路牵引供电技术领域，特别是涉及一种牵引供电系统无功补偿优化调节方法。
背景技术
电气化铁路是未来高速铁路发展的重要方向，而铁路牵引供电系统是促进电气化铁路发展的重要因素。我国高速铁路全部为电气化铁路，铁路牵引供电网的制式为单相工频交流电源，通常采用V/v变压器接线方式从三相交流供电网络获取电能；由于从三相交流供电网络获取单相交流电，会导致电压不平衡给三相供电网络注入负序电流危害供电网络的安全。
为了保证电网安全以及供电网络质量，目前铁路供电系统普遍采用铁路功率调节器对电网功率进行平衡，但是在此过程中由于供电网络电压相位与三相电网相位不一致，为了使功率因数为1以提高供电容量进行了无功补偿。无功补偿过程中通常认为铁路负载即电力机车为电阻性负载功率因数为1，即供电网络相位与三相电网A相相位相差30度为固定值(供电网络以从UAB取电为例)；但是在实际运行中，交直交型电力机车的功率因数最大接近于1但仍然小于1，而交直型电力机车功率因数更低约为0.8左右；这就表明相位差在实际运行时并不为30度，且由于机车运行的状态并不是一成不变的，在机车加减速等等操作时，电网负载状态随之改变，相位差也就会产生相应的变化。
因此实际的供电网络相位差是在30度附近变动的，如果以30度相位差进行无功补偿量的计算，计算结果不准确，补偿的结果也会有偏差甚至会导致电网质量恶化。
由于电网电流的变化较快且具有随机性，但是在控制电流跟随计算结果时会产生一定的时滞，补偿结果落后于实际电流的变化，补偿就会产生误差不能达到良好的补偿效果。
本发明在30度固定相位差理论计算的基础上采用无功感知和优化方向感知的方法对无功补偿的结果进行修正，使得补偿量更加符合实际运行情况；采用历史数据提前感知无功变化，优化补偿的时滞问题，补偿效果得到优化。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种牵引供电系统无功补偿优化调节方法。
本发明所采用的技术方案是：
通过负载电流历史数据和当前检测的数据进行相关性比较以提前感知未来无功功率的变化；通过比较三相电网线电流的偏差|ia(t)-ic(t)|来感知优化方向进行判断；根据未来无功功率的预估值与优化方向感知结果通过复合PI滞环控制计算得出需要修正的无功补偿量；将计算得出的需要修正的无功补偿量与理论计算的补偿量叠加得到最终的无功补偿结果。
优化方向感知的具体技术方案是：根据
Figure BDA0002309854400000021
是随机变化且难以准确测量的特性采用间接感知的方法得到优化方向；如果无功补偿的量
Figure BDA0002309854400000022
不等于实际需要，那么三相电网线电流的偏差|ia(t)-ic(t)|就会不为0，|ia(t)-ic(t)|会根据
Figure BDA0002309854400000023
的变化而变化；根据|ia(t)-ic(t)|间接判断无功补偿的量是否合适。当无功补偿的量越合适，|ia(t)-ic(t)|就越接近于0，但是ia(t)-ic(t)的符号并不表征无功补偿方向的正确性；优化方向感知根据这一特点来判断优化调节的方向。
优化方向感知的具体判断步骤为：首先预设优化的方向；然后检测三相电网线电流的偏差|ia(t)-ic(t)|与上之前时刻偏差进行比较；如果偏差呈扩大趋势则说明补偿方向相反即修改补偿方向为反方向，如果偏差呈减小趋势则说明补偿方向正确无需修改；偏差的趋势判断逻辑如下式：
Figure BDA0002309854400000031
其中t表示当前时刻，t-1表示上一时刻，以此类推；a(t)＝|ia(t)-ic(t)|-|ia(t-1)-ic(t-1)|，表示偏差变化趋势；ε是比较小的量，一般取ε＝0.5～1，以防止电流高频干扰对判断结果的影响；flag(t)表示当前优化方向，“-”表示优化方向取反。
对未来无功功率的预估采用最大相关系数法，通过负载电流的变化间接感知无功功率的变化，具体过程如下：
步骤1：存储历史无功补偿后功率因数仍然小于0.8的线电流数据
Figure BDA0002309854400000032
m表示第m组数据，N表示第N个采样周期；
步骤2：采集从当前时刻起始的前N个采样周期的线电流数据，记为x＝[iα(t-N+1)iα(t-N+2)...iα(t)]；
步骤3：分别计算线电流数据X每一行的1到N列数据与x的相关系数ρm＝corr(Xm,1...N,x)，ρm表示第m组历史数据与当前数据的相关系数；
步骤4：求相关系数最大的历史数据序号i，满足ρi＝max(ρm)，则预估的线电流变化的结果为iα(t+1)＝iα(i,N+1)，t+1表示当前时刻起始的下一个时刻；如果ρi＜0.7，表明相关性较弱，则取iα(t+1)＝iα(t)；
步骤5：t＝t+1进入下一周期，跳转至步骤2循环。
复合PI滞环控制根据线电流数据的预测结果iα(t+1)与ic(t)的差值|iα(t+1)-ic(t)|及当前线电流的差值|ia(t)-ic(t)|确定无功补偿的最终修正量，由于该控制的输入参考量主要有两个|ia(t)-ic(t)|和|iα(t+1)-ic(t)|，在具体计算修正量时需要择机选择其中一个参考量进行计算，在选择策略中采用滞环控制保证不频繁切换参考量导致控制系统不稳定；同时采用复合PI控制保证不产生较大超调恶化补偿结果并兼顾系统补偿的准确性。
滞环控制的技术方案使用下列规则定义，设参考信号为e，e1＝|ia(t)-ic(t)|，e2＝|iα(t+1)-ic(t)|，则：
规则1：当e2-e1≤0时，则e取e1；
规则2：当e当前值取e1，且0＜e2-e1＜δ2时，则e取e1不变；
规则3：当e当前值取e1，且e2-e1≥δ2时，则e取e2；
规则4：当e当前值取e2，且e2-e1≥δ1时，则e取e2不变；
规则5：当e当前值取e2，且0＜e2-e1＜δ1时，则e取e1；
其中δ1和δ2为滞环切换节点，且δ2＞δ1，一般取δ1＝2～3,δ2＝3～4。
规则1表明当当前线电流的差值|ia(t)-ic(t)|比线电流数据的预测结果iα(t+1)与ic(t)的差值|iα(t+1)-ic(t)|大时，参考信号取当前线电流的差值|ia(t)-ic(t)|；规则2至规则5表明，只有当e的当前值与另一个参考信号值的差别比较大时，才切换参考信号，如果e的当前值与另一个参考信号值的差别在小范围内波动时，e保持当前值不变，这样即避免频繁切换参考信号导致系统不稳定。
复合PI控制兼顾控制系统的超调和控制的精确性，该控制算法是在PI控制的基础上进行改进，基本过程为“P+PI”的控制过程，如下式：
Figure BDA0002309854400000041
该式包括离散化比例控制和比例积分控制，其表达式为增量式，其中ΔI′αq为无功补偿的修正调节量的增量，Kp为比例系数，Ki为积分系数，e(k)为当前时刻参考信号(即为控制器输入的误差)，e(k-1)为前一时刻参考信号，
Figure BDA0002309854400000051
是供电臂的同步信号，ε′是定义的偏差参考值，一般取基波信号幅值的5％～8％。
由上式可知，当参考信号偏差比较大时，说明需要一个比较大的优化调节量，采用比例控制来确定优化调节量的大小；当参考信号偏差比较小时，说明优化调节量比较小，此时采用比例积分使得控制误差逐步减小，保证控制的精确性。
将复合PI滞环控制的计算结果与理论计算结果进行叠加作为无功补偿的最终结果送入RPC控制器进行下一步控制。
与现有技术相比，本发明采用在固定相位角的理论计算结果上进行无功修正的方法优化无功补偿的结果，通过采集线电流的差值|ia(t)-ic(t)|配合控制输出感知优化方向；通过采集历史无功补偿后功率因数仍然小于0.8的线电流变化的数据与当前线电流变化数据用最大相关系数法预估出未来无功功率的变化；根据优化方向的感知结果以及无功功率的预估结果采用复合PI滞环控制计算得出无功功率补偿的修正量；将无功功率补偿的修正量与理论计算结果叠加作为最终的无功补偿结果；使得牵引供电系统在负载运行状态变化引起负载无功的产生或变化时可以及时准确有效地修正无功补偿结果，将供电网络的功率因数提高到0.8以上，达到三相电网电压平衡及提高供电系统容量的有益效果。
附图说明
图1为铁路牵引供电系统接线方式和铁路功率调节器的接线方式示意图；
图2为图1接线方式下的电气矢量图；
图3为本发明的结构性示意图；
图4为滞环控制示意图。
具体实施方式
为了更加详实地说明本发明的目的技术方案和优势，下面结合附图对本发明进一步说明。
如图1所示，牵引供电网络采用V/v接线方式，供电臂α和β分别从三相110kV电网的AC相和BC相经过V/v变压器获取标准电压27.5kV，铁路功率调节器RPC两端分别连接到牵引供电网络的两供电臂；假设A相单位电压为uA(t)＝sin(ωt′)，则供电臂α和β单位电压分别为eα(t)＝sin(ωt′-π/6)和eβ(t)＝sin(ωt′-π/2)。
该补偿系统的电气矢量图如图2所示，其中α供电臂在理想条件下与A相相位相差30°，β供电臂在理想条件下与B相相位相差30°；
Figure BDA0002309854400000061
和
Figure BDA0002309854400000062
为实际负载电流相位与理想条件下的偏差；
Figure BDA0002309854400000063
和
Figure BDA0002309854400000064
为需要补偿的无功功率；
Figure BDA0002309854400000065
和
Figure BDA0002309854400000066
为补偿后的电流，三者大小相等，分别与A相、B相和C相相位一致。
理想条件下，α供电臂需要补偿的无功功率量为：
Figure BDA0002309854400000067
其中Iαp为α供电臂的有功电流幅值，Iβp为β供电臂的有功电流幅值。
本发明的优化调节是在上式的理论计算基础上进行的，下面以α供电臂的无功补偿为例进行说明。
通过负载电流历史数据和当前检测的数据进行相关性比较以提前感知未来无功功率的变化；通过比较三相电网线电流的偏差|ia(t)-ic(t)|来感知优化方向进行判断；根据未来无功功率的预估值与优化方向感知结果通过复合PI滞环控制计算得出需要修正的无功补偿量；将计算得出的需要修正的无功补偿量与理论计算的补偿量叠加得到最终的无功补偿结果。
优化方向感知的具体技术方案是：根据
Figure BDA0002309854400000068
是随机变化且难以准确测量的特性采用间接感知的方法得到优化方向；如果无功补偿的量
Figure BDA0002309854400000071
不等于实际需要，那么三相电网线电流的偏差|ia(t)-ic(t)|就会不为0，|ia(t)-ic(t)|会根据
Figure BDA0002309854400000072
的变化而变化；根据|ia(t)-ic(t)|间接判断无功补偿的量是否合适。当无功补偿的量越合适，|ia(t)-ic(t)|就越接近于0，但是|ia(t)-ic(t)|的符号并不表征无功补偿方向的正确性；优化方向感知根据这一特点来判断优化调节的方向。
优化方向感知的具体判断步骤为：首先预设优化的方向；然后检测三相电网线电流的偏差|ia(t)-ic(t)|与上之前时刻偏差进行比较；如果偏差呈扩大趋势则说明补偿方向相反即修改补偿方向为反方向，如果偏差呈减小趋势则说明补偿方向正确无需修改；偏差的趋势判断逻辑如下式：
Figure BDA0002309854400000073
其中t表示当前时刻，t-1表示上一时刻，以此类推；a(t)＝|ia(t)-ic(t)|-|ia(t-1)-ic(t-1)|，表示偏差变化趋势；ε是比较小的量，取ε＝1，以防止电流高频干扰对判断结果的影响；flag(t)表示当前优化方向，“-”表示优化方向取反。
对未来无功功率的预估采用最大相关系数法，通过负载电流的变化间接感知无功功率的变化，具体过程如下：
步骤1：存储历史无功补偿后功率因数仍然小于0.8的线电流数据
Figure BDA0002309854400000074
m表示第m组数据，N表示第N个采样周期；
步骤2：采集从当前时刻起始的前N个采样周期的线电流数据，记为x＝[iα(t-N+1)iα(t-N+2)...iα(t)]；
步骤3：分别计算线电流数据X每一行的1到N列数据与x的相关系数ρm＝corr(Xm,1...N,x)，ρm表示第m组历史数据与当前数据的相关系数；
步骤4：求相关系数最大的历史数据序号i，满足ρi＝max(ρm)，则预估的线电流变化的结果为iα(t+1)＝iα(i,N+1)，t+1表示当前时刻起始的下一个时刻；如果ρi＜0.7，表明相关性较弱，则取iα(t+1)＝iα(t)；
步骤5：t＝t+1进入下一周期，跳转至步骤2循环。
复合PI滞环控制根据线电流数据的预测结果iα(t+1)与ic(t)的差值|iα(t+1)-ic(t)|及当前线电流的差值|ia(t)-ic(t)|确定无功补偿的最终修正量，由于该控制的输入参考量主要有两个|ia(t)-ic(t)|和|iα(t+1)-ic(t)|，在具体计算修正量时需要择机选择其中一个参考量进行计算，在选择策略中采用滞环控制保证不频繁切换参考量导致控制系统不稳定；同时采用复合PI控制保证不产生较大超调恶化补偿结果并兼顾系统补偿的准确性。
滞环控制的技术方案使用下列规则定义，设参考信号为e，e1＝|ia(t)-ic(t)|，e2＝|iα(t+1)-ic(t)|，则：
规则1：当e2-e1≤0时，则e取e1；
规则2：当e当前值取e1，且0＜e2-e1＜δ2时，则e取e1不变；
规则3：当e当前值取e1，且e2-e1≥δ2时，则e取e2；
规则4：当e当前值取e2，且e2-e1≥δ1时，则e取e2不变；
规则5：当e当前值取e2，且0＜e2-e1＜δ1时，则e取e1；
其中δ1和δ2为滞环切换节点，且δ2＞δ1，取δ1＝2A,δ2＝3.5A。
规则1表明当当前线电流的差值|ia(t)-ic(t)|比线电流数据的预测结果iα(t+1)与ic(t)的差值|iα(t+1)-ic(t)|大时，参考信号取当前线电流的差值|ia(t)-ic(t)|；规则2至规则5表明，只有当e的当前值与另一个参考信号值的差别比较大时，才切换参考信号，如果e的当前值与另一个参考信号值的差别在小范围内波动时，e保持当前值不变，这样即避免频繁切换参考信号导致系统不稳定。
复合PI控制兼顾控制系统的超调和控制的精确性，该控制算法是在PI控制的基础上进行改进，基本过程为“P+PI”的控制过程，如下式：
Figure BDA0002309854400000091
该式包括离散化比例控制和比例积分控制，其表达式为增量式，其中ΔI′αq为无功补偿的修正调节量的增量，Kp为比例系数，Ki为积分系数，e(k)为当前时刻参考信号(即为控制器输入的误差)，e(k-1)为前一时刻参考信号，
Figure BDA0002309854400000092
为α供电臂的同步信号，ε′是定义的偏差参考值，取ε′＝5。
由上式可知，当参考信号偏差比较大时，说明需要一个比较大的优化调节量，采用比例控制来确定优化调节量的大小；当参考信号偏差比较小时，说明优化调节量比较小，此时采用比例积分使得控制误差逐步减小，保证控制的精确性。
将复合PI滞环控制的计算结果与理论计算结果进行叠加作为无功补偿的最终结果送入RPC控制器进行下一步控制。
以上为α供电臂的无功补偿，β供电臂的无功补偿与该过程一致且同步进行。上述实例仅为本发明的一部分实例，本发明请求保护的范围并不局限于上述具体实施方式，在不付出创造性劳动的前提下，得到与本发明实质相同或相近的方案，也属本发明保护范围。

Claims (3)

1.一种牵引供电系统无功补偿优化调节方法，其特征在于包括以下步骤：
S1：通过负载电流历史数据和当前检测的数据进行相关性比较提前感知未来无功功率的变化；
S2：通过比较三相电网线电流的偏差大小|ia(t)-ic(t)|的变化趋势，感知优化方向，ia(t)表示当前采样时刻A相负载电流幅值，ic(t)当前采样时刻C相负载电流幅值，t表示当前采样时刻；
S3：根据未来无功功率的预估值与优化方向，通过复合PI滞环控制计算得出修正的无功补偿量；所述复合PI滞环控制过程如下：
复合PI滞环控制根据线电流数据的预测结果iα(t+1)与ic(t)的差值|iα(t+1)-ic(t)|及当前线电流的差值|ia(t)-ic(t)|确定无功补偿的最终修正量；采用滞环控制保证不频繁切换参考量导致控制系统不稳定，同时采用复合PI控制保证不产生较大超调恶化补偿结果并兼顾系统补偿的准确性；
滞环控制的方案使用下列规则定义，设参考信号为e，e1＝|ia(t)-ic(t)|，e2＝|iα(t+1)-ic(t)|，则：
规则1：当e2-e1≤0时，则e取e1；
规则2：当e当前值取e1，且0＜e2-e1＜δ2时，则e取e1；
规则3：当e当前值取e1，且e2-e1≥δ2时，则e取e2；
规则4：当e当前值取e2，且e2-e1≥δ1时，则e取e2；
规则5：当e当前值取e2，且0＜e2-e1＜δ1时，则e取e1；
其中δ1和δ2为滞环切换节点，且δ2＞δ1，取δ1＝2～3,δ2＝3～4；
规则1表示当当前线电流的差值|ia(t)-ic(t)|比线电流数据的预测结果iα(t+1)与ic(t)的差值|iα(t+1)-ic(t)|大时，参考信号取当前线电流的差值|ia(t)-ic(t)|；规则2至规则5表示，只有当e1和e2的差别比较大时，才切换参考信号，如果e1和e2的差别在小范围内波动时，e保持当前取值不变，避免频繁切换参考信号导致系统的不稳定；
复合PI控制兼顾控制系统的超调和控制的精确性，复合PI控制算法是在PI控制的基础上进行改进，基本过程为“P+PI”的控制过程，如下式：
Figure FDA0004119831600000021
该式包括离散化比例控制和比例积分控制，其表达式为增量式，其中ΔI′αq为无功补偿的修正调节量的增量，Kp为比例系数，Ki为积分系数，e(k)为当前时刻参考信号值，e(k-1)为前一时刻参考信号值，
Figure FDA0004119831600000022
是供电臂的同步信号，ε′是定义的偏差参考分界值，取基波信号幅值的5％～8％；
S4：将计算得出的修正的无功补偿量与理论计算的补偿量叠加得到最终的无功补偿结果。
2.如权利要求1所述的牵引供电系统无功补偿优化调节方法，其特征在于：所述S1中，
采用最大相关系数法预估未来的无功功率，通过负载电流的变化间接感知无功功率的变化，具体过程如下：
步骤1：存储历史无功补偿后功率因数仍然小于0.8的线电流数据
Figure FDA0004119831600000023
m表示第m组数据，N表示第N个采样周期；
步骤2：采集从当前时刻起始的前N个采样周期的线电流数据，记为x＝[iα(t-N+1) iα(t-N+2) ... iα(t)]；t表示当前采样时刻；
步骤3：分别计算线电流数据X每一行的1到N列数据与x的相关系数ρm＝corr(Xm,1...N,x)，ρm表示第m组历史数据与当前数据的相关系数；
步骤4：求相关系数最大的历史数据序号i，满足ρi＝max(ρm)，则预估的线电流变化的结果为iα(t+1)＝iα(i,N+1)，t+1表示当前采样时刻起始的下一个时刻；如果ρi＜0.7，表明相关性较弱，则取iα(t+1)＝iα(t)；
步骤5：进入下一周期，跳转至步骤2循环。
3.如权利要求1所述的牵引供电系统无功补偿优化调节方法，其特征在于：所述S2中，
优化方向感知的具体方案是：根据|ia(t)-ic(t)|间接判断无功补偿的优化方向；首先预设优化的方向；然后检测三相电网线电流的偏差|ia(t)-ic(t)|与上一时刻偏差进行比较；如果偏差呈扩大趋势则说明补偿方向相反即修改补偿方向为反方向，如果偏差呈减小趋势则说明补偿方向正确无需修改；偏差的趋势判断逻辑如下式：
Figure FDA0004119831600000031
其中t表示当前采样时刻，t-1表示上一采样时刻，以此类推；a(t)＝|ia(t)-ic(t)|-|ia(t-1)-ic(t-1)|，表示偏差变化趋势；ε是比较小的量，取ε＝0.5～1，防止电流高频谐波对判断结果的影响；flag(t)表示当前优化方向，“-”表示优化方向取反。
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