CN111181176B - 一种牵引供电系统低频阻尼自适应补偿装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种牵引供电系统低频阻尼自适应补偿装置及其控制方法。自适应补偿装置包括变压器，变压器的二次侧通过交流侧输入电感连接到单相整流桥的输入端，单相整流桥的输出端连接到直流侧支撑电容；所述变压器的一次侧用于连接牵引变电所牵引主变压器的二次侧。本发明通过在牵引供电系统牵引变电所主变压器的二次侧输出端与机车输入端的公共耦合点处并联一台阻尼自适应补偿装置，用以抑制低频振荡现象，不需要改变系统中各机车的控制方法和软硬件参数，不影响机车正常工况，具有良好的兼容性。

Description

一种牵引供电系统低频阻尼自适应补偿装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及轨道交通牵引供电系统领域，特别是一种牵引供电系统低频阻尼自适应补偿装置及其控制方法。

背景技术

随着我国高速铁路与重载运输快速发展，一系列大功率交直交型动车组和电力机车投入运行，极大提高了我国铁路高速、重载运输能力。与此同时，交直交机车的密集开行导致牵引供电系统低频振荡问题频发，引发牵引网电压电流大幅波动，触发机车保护造成牵引闭锁。因此，低频振荡问题对全国铁路运输造成了严重影响。

目前，牵引供电系统低频振荡问题的抑制方法已被广泛研究，主要可分为牵引网侧抑制手段和机车侧抑制手段：在牵引网侧，更换大容量变压器、减小牵引网长度等，以减小牵引网侧阻抗；在机车侧，修改控制参数、改进控制方法，以调整机车的输入阻抗特性。上述方法仅针对牵引供电系统的输出阻抗特性保持不变的情况，固定的抑制措施无法实现对参数变化的低频振荡系统进行有效的抑制；且系统稳定时若措施不当，反倒有可能造成额外的功率损耗。因此，为了保证在发生低频振荡的系统中采取合适的抑制措施，自适应的低频阻尼补偿装置对于保障牵引供电系统的安全稳定且高效运行有着重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种牵引供电系统低频阻尼自适应补偿装置及其控制方法，可以有效增强系统稳定性，对不同数量机车接入时系统在低频段的不同负阻尼特性有良好的自适应补偿效果，且不需要改变系统中各机车的控制方法和软硬件参数。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种牵引供电系统低频阻尼自适应补偿装置，包括变压器，变压器的二次侧通过交流侧输入电感连接到单相整流桥的输入端，单相整流桥的输出端连接到直流侧支撑电容；所述变压器的一次侧用于连接牵引变电所牵引主变压器的二次侧。

上述补偿装置的控制方法为：

采集PCC点电压u_pcc，经过二阶广义积分器产生正交的电压αβ分量u_α、u_β，再经过dq变换得到d轴、q轴的分量u_d、u_q；u_q还经过锁相环获得交流侧相位θ；采集所述补偿装置的输入电流i_a，延迟四分之一周期获得输入电流αβ分量i_a、i_β，经过dq变换得到d轴、q轴的分量i_d、i_q；

采集所述补偿装置的接入点处的负载电流i_L，延迟四分之一周期获得负载电流αβ分量i_La、i_Lβ，经过dq变换得到d轴、q轴的分量i_Ld、i_Lq；i_Ld、i_Lq还分别通过低通滤波器得到直流分量i_Ld0、i_Lq0；i_Ld、i_Lq分别与i_Ld0、i_Lq0相减获得电流环第一参考信号i_dhref、i_qhref；

采集所述补偿装置的直流侧电压u_dc，与直流电压参考值u_dcref间的差值通过电压环PI控制器得到电流环第二参考信号i_d0ref，并令电流环第二参考信号i_q0ref为0，即

i_d0ref＝(u_dcref-u_dc)×(K_pvd+K_ivd/s)；

其中，K_pvd、K_ivd是电压环PI控制器的参数，s是拉普拉斯变换后的复变量；

u_d还通过带通滤波器提取其低频振荡信号，进行限幅和平方化后再通过低通滤波器得到低频振荡信号的方均值V_LFO，即

其中，ω_c1是带通滤波器中心频率，Q是带通滤波器的品质因数，ω_c2是低通滤波器的截止频率；

方均值V_LFO若小于方均参考值V_LFO0，则令实际误差值V_err为0，否则进一步判断方均值V_LFO后得到实际误差值V_err，具体为：

其中，V_ref为误差参考值，V_max、V_min分别是阈值；

V_err经过虚拟电阻计算环路的PI控制器后，得到补偿的虚拟电阻值R_v，即

其中，K_pd、K_id是PI控制器的参数；

将u_d、u_q除以虚拟电阻值R_v，得到电流环第三参考信号i_dvref、i_qvref，即

令所述补偿装置的电流环参考信号i_dref、i_qref分别为电流环第一、第二、第三参考信号之和，即

将i_dref、i_qref分别与i_d、i_q做差，差值经过电流环PI控制器分别得到调制信号参考值u_abdref、u_abqref，即

其中，K_pcd、K_icd是电流环PI控制器的控制参数，L_d为所述补偿装置的交流侧输入电感；

u_abdref、u_abqref再进行dq逆变换，获得αβ坐标下SPWM的调制参考信号u_α，即

u_α再经过PWM调制，产生SPWM信号Q1～Q4用于控制所述补偿装置的单相整流桥。

本发明主要针对牵引供电系统低频振荡现象，结合振荡特征提供牵引供电系统低频阻尼自适应补偿装置，用于抑制牵引供电系统低频振荡，增强系统稳定性。本发明具有以下优点：

1)本发明通过在牵引供电系统牵引变电所主变压器的二次侧输出端与机车输入端的公共耦合点PCC(Point of Common Coupling)处并联一台阻尼自适应补偿装置，用以抑制低频振荡现象，不需要改变系统中各机车的控制方法和软硬件参数，不影响机车正常工况，具有良好的兼容性。

2)本发明提出的牵引供电系统低频阻尼自适应补偿装置等效于在PCC处并联一个虚拟阻抗，该虚拟阻抗补偿了原机车阻抗在低频段的负阻尼，使得并联后PCC点处的等效阻抗相频特性增加，与牵引供电系统阻抗交点处的相位差减小，系统稳定性增强，能够有效抑制低频振荡。

3)本发明相比现有的有源阻尼补偿装置，避免了复杂的振荡频率计算过程，仅通过自适应模块，即可实现系统低频段的阻尼补偿，并且能够根据系统不同的稳定性状态，自适应判断并调节合适大小的虚拟阻抗。通过滤波、PI控制和限幅等环节，限制虚拟电阻补偿的上下阈值，从而避免消耗过多功率而造成系统的浪费。

附图说明

图1为牵引供电系统低频阻尼自适应补偿装置的电路图。

图2为牵引供电系统低频阻尼自适应补偿装置的控制电路图。

图3为牵引供电系统低频阻尼自适应补偿装置的控制方法框图。

图4为基于牵引供电系统低频阻尼自适应补偿装置的车网系统简化电路图。

图5为不同数量机车接入牵引供电系统时的网侧电压电流波形图。

图6为不同数量机车接入时自适应环节输出虚拟电阻的自适应过程图。

图7为不同数量机车接入且加入补偿装置后的电压电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进一步说明。

一种牵引供电系统低频阻尼自适应补偿装置，如图1所示，补偿装置包括：变压器S_d、交流侧输入电感L_d、单相整流桥H和直流侧支撑电容C_d。

单相整流桥H的驱动信号SPWM可由如图2所示的控制电路产生，主要包括：A/D采样模块、正交信号产生模块、锁相环、谐波电流检测模块、虚拟电阻产生模块和阻尼补偿模块。正交信号产生模块由正交电压、电流信号产生环路组成，虚拟阻抗产生模块由振荡自适应判断环路、虚拟电阻计算环路组成，阻尼补偿模块由直流电压控制环路、交流电流控制环路以及SPWM调制环组成。其中，正交电压、电流信号产生环路提供单相系统下虚拟的β分量，锁相环获得网侧相位、谐波电流检测获得电流环第一参考信号，直流电压环产生电流环第二参考信号，并保持直流侧电容电压稳定，振荡自适应判断环路判断振荡是否发生，并给出误差信号，虚拟电阻计算环路提供自适应虚拟电阻，用以生成电流环第三参考信号，电流环产生SPWM调制参考电压信号，最终实现牵引供电系统低频阻尼自适应补偿装置的控制。

上述控制电路的工作过程即补偿装置的控制方法，具体为：

通过采集PCC点电压u_pcc，经过二阶广义积分器(Second-Order GeneralizedIntegrator,SOGI)产生正交的的电压αβ分量u_α、u_β，经过dq变换，转换到dq旋转坐标系下，获得对应d轴和q轴的分量u_d、u_q，其中u_q经过锁相环获得交流侧相位θ。

采集牵引供电系统低频阻尼补偿装置的输入电流i_a，为避免SOGI滤波作用对i_a的影响，因此采用延迟四分之一周期的方法，获得输入电流αβ分量i_a、i_β，电流αβ分量经过dq变换获得对应dq轴分量i_d、i_q；采集负载电流i_L(即PCC点处机车的输入电流之和)同样采用延迟四分之一周期的方法获得负载电流αβ分量，经过dq变换获得dq轴分量i_Ld、i_Lq,再分别经过截止频率为5Hz的低通滤波器，得到各自的直流分量i_Ld0、i_Lq0；i_Ld、i_Lq与i_Ld0、i_Lq0相减获得电流环第一参考信号i_dhref、i_qhref。

在直流电压控制环中，直流电压参考值u_dcref是给定的固定值，通过采集直流侧电压u_dc，将直流电压实际值u_dc和直流电压参考值u_dcref间的差值接入电压控制器PI中得到电流环d轴第二参考信号i_d0ref，在复频域下的表达式如式(1)所示，与给定的q轴第二参考信号i_q0ref(本系统中参考值为零)一并送入电流环中对电流i_d、i_q进行控制。

i_d0ref＝(u_dcref-u_dc)×(K_pvd+K_ivd/s) (1)

式中，K_pvd和K_ivd分别是电压控制器的PI参数。

当系统处于不同稳定性状态时，需要判断环节决定是否需要投入虚拟电阻以抑制振荡，振荡自适应判断环节的实现包括以下具体内容：

将采集到的PCC电压d轴分量信息u_d通过带通滤波器以提取其低频振荡信号，将波动信号进行限幅和平方化后通过低通滤波器以滤除其中的脉动分量，从而得到该振荡信号的方均值V_LFO，计算方法如式(2)所示。

其中，ω_c1是带通滤波器中心频率，Q是带通滤波器的品质因数，与滤波器的带宽BH₁和ω_c1有关；ω_c2是低通滤波器的截止频率。

得到方均值后V_LFO，送入判断环节，判断流程具体为以下内容：

(1)将V_LFO与方均参考值V_LFO0相比较，若小于该给定值V_LFO0，则认为系统未发生振荡，自适应模块设置输出误差值V_err为零；否则将均方值送入误差计算模块中，得到实际误差值V_err。

(2)在误差值V_err送入调节器前，考虑到由于提取到的信号u_d频率较小，经过低通滤波后仍会有一定的交流分量流入控制调节器PI，影响PI调节。因此在控制调节器前设置输入信号禁区，即在误差值V_err送入调节器前进一步判断：当V_LFO落入禁区时，置V_err为0；当V_LFO在禁区外，置V_err为V_LFO与误差参考值V_ref的差值。

该判断函数具体可表示为：

式中，V_max，V_min分别是禁区的上下阈值。

在低频振荡发生时，装置需要根据振荡程度的不同，实时计算出虚拟电阻的大小，并产生对应的电流环第三参考信号i_dvref、i_qvref，其实现包括以下具体内容：

1)虚拟电阻计算环节：误差判断环节的输出V_err经过PI控制器后，得到补偿的虚拟电阻值R_v，如式(4)所示：

其中，K_pd、K_id是控制调节器的PI参数，V_err是判断环节得到的振荡信号误差值。

虽然并联更小的虚拟阻抗能够补偿更多阻尼，但也会造成系统消耗更多额外的功率，因此需要在虚拟电阻计算环节后加上限幅环节，限制虚拟电阻补偿的最小值。

2)补偿电流计算环节：通过自适应环节得到合适大小的并联虚拟电阻后，将u_d、u_q除以虚拟电阻R_v，从而获得补偿的参考电流信号，此处将其记为电流环第三参考信号i_dvref、i_qvref，如下式所示：

所述的牵引供电系统低频阻尼补偿装置及其控制方法的进一步设计在于，本文所提出的低频阻尼自适应补偿装置所设计的电流环上电流参考信号i_dref、i_qref为电流环第一、第二、第三参考信号之和，如式(6)所示。其中电流环第一参考信号i_dhref、i_qhref用以消除负载侧的谐波电流；电流环第二参考信号i_d0ref用以保证直流侧电压稳定；电流环第三参考信号i_dvref、i_qvref用于提供虚拟电阻。

所得电流参考信号i_dref、i_qref最终与牵引供电系统低频阻尼补偿装置的实际输入电流i_d、i_q做差，差值经过电流环得到调制信号参考值u_abdref、u_abqref，再进行dq逆变换，获得αβ坐标下SPWM的调制参考信号u_α，最终u_α经过PWM模块调制，产生SPWM信号Q1～Q4以控制整流桥，其具体计算方法如式(7)、(8)所示。

式中，K_pcd、K_icd分别为电流环PI控制器的控制参数，L_d为补偿装置的输入电感。

由于机车阻抗在低频段呈现负电阻特性，在与牵引供电系统阻抗交互时，若阻抗幅值曲线交点落在低频段，负电阻特性使得系统相位裕度易大于180°，呈现不稳定状态。在并联牵引供电系统低频阻尼补偿装置后，虚拟正电阻补偿了原机车阻抗在低频段的负阻尼特性，使得并联后PCC点处的等效阻抗相频特性增加，与牵引供电系统阻抗交点处的相位裕度减小，系统稳定性增强，可有效抑制低频振荡现象。

图3是本发明中牵引供电系统低频阻尼补偿装置的控制框图，包括由正交电压、电流信号产生环路组成的正交信号产生模块，锁相环，谐波电流检测模块，由振荡自适应判断环路、虚拟电阻计算环路组成的虚拟阻抗产生模块，由直流电压控制环路、交流电流控制环路以及SPWM调制环组成的阻尼补偿模块。

1)正交信号产生模块和锁相环：采集PCC点电压u_pcc，经过二阶广义积分器产生正交的的电压αβ分量；采集阻尼补偿装置输入电流i_a，采用延迟四分之一周期的方法，获得输入电流αβ分量；采集负载电流i_L,采用延迟四分之一周期的方法获得负载电流αβ分量。PCC点电压αβ分量，经过dq变换获得u_d、u_q，u_q经过锁相环获得交流侧相位θ。

2)谐波电流检测模块：负载电流αβ分量经过dq变换获得i_Ld、i_Lq,i_Ld、i_Lq,分别经过截止频率为5Hz的低通滤波器，得到直流分量i_Ld0、i_Lq0；i_Ld、i_Lq与i_Ld0、i_Lq0相减获得电流环第一参考信号i_dhref，i_qhref。

3)振荡自适应判断环路：将PCC点电压d轴分量u_d通过带通滤波器以提取其低频振荡信号，将波动信号进行限幅并平方化后通过低通滤波器以滤除其中的脉动分量，从而得到该振荡信号的方均值V_LFO。将V_LFO与给定值V_LFO0相比较，判断是否发生振荡；同时设置禁区，判断V_LFO是否落在禁区范围内，并得到最终误差值V_err。

虚拟电阻计算环路：将误差值V_err经过PI控制器和限幅环节，得到虚拟电阻值R_v。

4)直流电压控制环路：将直流电压实际值和参考值间的差值接入电压控制器PI中，PI控制器的输出作为电流环第二参考信号i_d0ref。

电流环和SPWM调制环路：将u_d、u_q除以虚拟电阻R_v，从而获得补偿的参考电流信号i_dvref，i_qvref,为电流环第三参考信号。将电流环第一、第二、第三参考信号之和作为电流环的电流参考信号，与牵引供电系统低频阻尼补偿装置的输入电流i_d、i_q做差，差值经过PI控制后再进行dq逆变换，获得αβ坐标下SPWM的调制参考信号u_α，最后经过PWM调制后得到整流桥的控制信号Q1～Q4。

如图4所示，在牵引变电所牵引主变压器的二次侧输出端与机车输入端的公共耦合点(Point of Common Coupling,PCC)处并联具备自适应阻尼补偿功能的牵引供电系统低频阻尼补偿装置，根据振荡情况，自适应补偿PCC处机车输入阻抗特性在低频段的阻尼，以此实现对由于牵引供电系统阻抗与机车阻抗不匹配造成的低频振荡问题的自适应抑制。

牵引网侧和机车侧参数如表1所示。

表1主电路和控制电路参数

使用有源阻尼补偿装置并联于PCC处，原车网系统电路参数不变，主动阻抗补偿装置的软硬件参数如表2所示。

表2牵引供电系统低频阻尼补偿装置主电路和控制电路参数

图5(a)、图5(b)、图5(c)分别是在车网系统参数依照表1设定时，10台、11台、12台车同时接入系统时的补偿装置副边的网压网流波形，分别对应牵引供电系统发生振荡衰减、临界振荡和振荡失稳时的网压波动波形，说明当同时有10、11、12台车运行时，系统分别处于稳定、临界稳定和不稳定状态。

图6为自适应环节输出虚拟电阻的自适应过程。如图6(a)，当10台车接入系统中时，系统处于稳定，振荡幅值逐渐减小后趋于稳定，因此自适应环节判断虚拟电阻最终值为0，表示系统最后没有接入虚拟阻抗。如图6(b)，当系统接入11台机车时，系统处于临界稳定，因此自适应环节将虚拟阻抗调节到6欧姆左右。如图6(c)，当系统接入12台机车时，系统处于不稳定状态，自适应环节进一步将并联虚拟阻抗值减小，最终调节至2.5欧姆左右。

图7(a)、图7(b)、图7(c)依次为加入牵引供电系统低频阻尼补偿装置补偿环节后，补偿装置副边的网压、网流和机车中间直流侧电压的波形。当分别有10、11、12台机车投入系统时，各采样信号均未出现大幅度振荡，直流侧电压振荡幅值小于20V，电压波动幅度在0.5％左右。说明三种不同数量机车接入系统，系统处于不同稳定性状态时，本发明所提出的牵引供电系统低频阻尼补偿装置可以通过自适应环节，合理调节并联阻抗值，达到对系统最优的抑制效果。

Claims (1)

1.一种牵引供电系统低频阻尼自适应补偿装置的控制方法，所述补偿装置包括变压器，变压器的二次侧通过交流侧输入电感连接到单相整流桥的输入端，单相整流桥的输出端连接到直流侧支撑电容；所述变压器的一次侧用于连接牵引变电所牵引主变压器的二次侧；其特征在于，包括

采集PCC点电压u_pcc，经过二阶广义积分器产生正交的电压αβ分量u_α、u_β，再经过dq变换得到d轴、q轴的分量u_d、u_q；u_q还经过锁相环获得交流侧相位θ；

采集所述补偿装置的输入电流i_a，延迟四分之一周期获得输入电流αβ分量i_a、i_β，经过dq变换得到d轴、q轴的分量i_d、i_q；

采集所述补偿装置的接入点处的负载电流i_L，延迟四分之一周期获得负载电流αβ分量i_La、i_Lβ，经过dq变换得到d轴、q轴的分量i_Ld、i_Lq；i_Ld、i_Lq还分别通过低通滤波器得到直流分量i_Ld0、i_Lq0；i_Ld、i_Lq分别与i_Ld0、i_Lq0相减获得电流环第一参考信号i_dhref、i_qhref；

采集所述补偿装置的直流侧电压u_dc，与直流电压参考值u_dcref间的差值通过电压环PI控制器得到电流环第二参考信号i_d0ref，并令电流环第二参考信号i_q0ref为0，即

i_d0ref＝(u_dcref-u_dc)×(K_pvd+K_ivd/s)；

其中，K_pvd、K_ivd是电压环PI控制器的参数，s是拉普拉斯变换后的复变量；

u_d还通过带通滤波器提取其低频振荡信号，进行限幅和平方化后再通过低通滤波器得到低频振荡信号的方均值V_LFO，即

其中，ω_c1是带通滤波器中心频率，Q是带通滤波器的品质因数，ω_c2是低通滤波器的截止频率；

方均值V_LFO若小于方均参考值V_LFO0，则令实际误差值V_err为0，否则进一步判断方均值V_LFO后得到实际误差值V_err，具体为：

其中，V_ref为误差参考值，V_max、V_min分别是阈值；

V_err经过虚拟电阻计算环路的PI控制器后，得到补偿的虚拟电阻值R_v，即

其中，K_pd、K_id是PI控制器的参数；

将u_d、u_q除以虚拟电阻值R_v，得到电流环第三参考信号i_dvref、i_qvref，即

令所述补偿装置的电流环参考信号i_dref、i_qref分别为电流环第一、第二、第三参考信号之和，即

将i_dref、i_qref分别与i_d、i_q做差，差值经过电流环PI控制器分别得到调制信号参考值u_abdref、u_abqref，即

其中，K_pcd、K_icd是电流环PI控制器的控制参数，L_d为所述补偿装置的交流侧输入电感；

u_abdref、u_abqref再进行dq逆变换，获得αβ坐标下SPWM的调制参考信号u_α，即

u_α再经过PWM调制，产生SPWM信号Q1～Q4用于控制所述补偿装置的单相整流桥。

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