CN111800028A

CN111800028A - 一种新型铁路牵引供电系统功率波动与环流抑制的方法

Info

Publication number: CN111800028A
Application number: CN202010675246.4A
Authority: CN
Inventors: 盘宏斌; 张佳乐
Original assignee: Xiangtan University
Current assignee: Xiangtan University
Priority date: 2020-07-14
Filing date: 2020-07-14
Publication date: 2020-10-20

Abstract

本发明公开了一种新型铁路牵引供电系统功率波动与环流抑制的方法，包括以下步骤：首先分析新型铁路牵引供电系统中MMC功率波动机理，建立单/三相MMC交流侧数学模型，其次构建基于复数谐振控制器(CRC)正、负序电压分离技术来提取配网不平衡中的正负序电压，再在两相静止坐标系中采用一个通用正负序电流计算指令，调节权衡系数，实现功率波动的抑制，最后构建虚拟正交电压矢量发生器和基于谐振矢量控制器(RVC)的环流抑制器解决新型牵引供电系统中存在的环流问题，以消除环流对新型铁路牵引系统的损耗。

Description

一种新型铁路牵引供电系统功率波动与环流抑制的方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术在铁路牵引系统的应用，具体涉及一种单/三相模块化多电平换流器在配网不平衡情况下功率与环流抑制的方法。

背景技术

近年来，由于模块化多电平换流器(MMC)易于拓展，模块化程度高，谐波含量低，具有良好的故障处理能力，因此在柔性直流输电领域、无源网络供电方面得到了广泛的关注，但MMC应用到铁路牵引系统中的发明较少还处于摸索阶段。我国现牵引供电系统采用的是单相工频供电模式，牵引变电所从电网获取三相电降压成单相交流电后再配送到不同的牵引区段。这种供电模式存在三相不平衡、谐波以及过分相等问题，制约高速铁路的发展，与此同时在国内同相供电技术中，部分学者开始了基于MMC的同相供电技术研究，有学者提出采用基于MMC的同相供电变流器代替变电所牵引变压器。

基于MMC的新型铁路牵引系统出现网压不平衡时，牵引供电系统中的三相MMC交流侧电压和电流会出现负序分量，导致无功和有功功率出现二倍频波动，并且在单/三相MMC运行或发生配网不平衡故障时，内部还会有二倍频环流的产生，但单相MMC的环流还会流向新型牵引供电系统的直流侧，造成直流侧母线电压的波动，严重威胁系统的安全运行，现有发明提出的控制结构对抑制铁路牵引系统中的功率波动比较复杂，并且对环流抑制可能仅局限在配网平衡条件下，所以必须采取相应的简便的控制方法抑制新型铁路牵引供电系统中功率波动以及内部环流。

发明内容

本发明的目的在于针对新型铁路牵引供电系统在配网不平衡条件下单/三相模块化多电平换流器产生功率波动、以及环流的问题，提供一种简单、有效的功率波动与环流抑制的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

(1)根据单/三相不同MMC的拓扑来分析单/三相MMC的运行方式，在配网不平衡工况下分析功率波动以及环流产生的原因，对每相桥臂环流进行检测。

(2)以抑制铁路牵引系统中三相MMC交流侧功率波动为目的，构建正负序电压分离器，根据正负序电压分离器分离出的正负序电压作为通用正负序电流计算指令的输入量，通过调节指令值中的权衡系数得到正负序电流的参考值，将正负序电流参考值相加作为两相静止坐标系中电流内环的参考值，将电流内环参考值与实际电流值做比较送入复数谐振控制器中并与电网电压做差得到三相MMC输出电压指令参考值。

(3)根据单相MMC的拓扑，分析单相MMC环流产生的原因，并分析直流母线电压波动与单相MMC环流的因果关系，比较单/三相MMC内部环流成分的差异。

(4)为抑制单相MMC环流构建正交虚拟矢量电压发生器，检测虚拟正交矢量电压发生器的性能。

(5)构建谐振矢量控制器，采取高通滤波器来提取环流的实际值，将环流实际值与参考值比较之后送入谐振矢量控制器的输入端，得到单/三相MMC抑制环流的电压补偿量。

(6)将MMC输出电压指令参考值并与环流抑制参考值叠加到每相上下桥臂电压中，进行载波移相调制，生成调制波，利用调制波控制MMC的开关器件的开通和关断进而实现抑制功率波动、消除直流侧母线电压波动和环流抑制的目的。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

1.应用于电气化铁道牵引供电系统，可以克服传统牵引供电系统存在电能质量和过分相问题。

2.基于复数谐振控制器正负序分离技术具有快速准确提取电网正负序电压能力，动态响应速度快。

3.采用通用正负序电流计算指令，通过调节其权衡系数可以实现对有功和无功功率波动的抑制。

4.构建的虚拟正交矢量发生器具有快速的响应性能，控制原理简单，易于实现。

5.电流的不平衡控制无需电流的正负序分离，且在两相静止坐标系下完成，无需锁相环，不需Park变换，加快了系统的响应时间，简化了系统的控制结构。

6.提出的环流抑制策略在配网电压平衡和不平衡情况下均适用，能够同时抑制单/三相MMC内部存在的二倍频环流，并消除直流侧电流的波动。

附图说明

图1是本发明中新型牵引供电系统拓扑结构示意图。

图2是本发明中正序复数谐振控制器原理图。

图3是本发明中复数谐振控制器伯德图。

图4是本发明中基于CRC正负序电压分离技术结构图

图5是本发明中虚拟正交矢量发生器拓扑图

图6是本发明中环流抑制框图

图7是本发明中配网不平衡下新型牵引供电系统整体控制框图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施对本发明进行详细描述说明，包括以下步骤：

1.图1是本发明中涉及的新型牵引供电系统的拓扑示意图，图中由单/三相MMC共同组成，U_a、U_b、U_c为三相MMC配网电压，U_d为公共直流母线电压，U_e,U_f为单相MMC输出电压，幅值相同，相位相差180°，两相之间的电动势可以表示为U_ef,R为三相MMC和单相MMC交流侧等效损耗电阻，L为限流电感，i_j(j＝a,b,c,e,f)为交流侧电流；每桥臂串联一个桥臂电感L_b和n个子模块单元，SM_i(i＝1，2，3.....2n)表示第i个子模块。

根据基尔霍夫电压定律，可得单/三相MMC交流侧数学方程分别为：

式中e_j为j(j＝a,b,c,e,f)相内部电动势，其表达式为：

单相MMC四个桥臂投入的电压电流关系为：

当配网不平衡时三相MMC交流侧的瞬时功率可表示为：

式中P₀、Q₀分别为有功功率、无功功率的直流量，P_c2、Q_c2分别为有功和无功功率二倍频余弦波动幅值，P_s2、Q_s2分别为有功和无功功率二倍频正弦波动幅值，其具体表示如下：

式中U^P _dq+、U^N _dq-、I^P _dq+、I^N _dq-分别表示在正反向同步旋转坐标系下正序和负序电动势以及电流的幅值。

当抑制桥臂环流时，上下桥臂电压的参考值为：

式中u_diffj为抑制桥臂环流叠加到参考波上的环流抑制量。

2.图2是本发明中正序复数谐振控制器原理图，实现正负序电压分离需要以下几个步骤：

(1)测量复数谐振控制器在基频频率的增益和相移，分析复数谐振控制器的性能。

(2)根据图2将不平衡配网电压在三相旋转坐标系中转换成两相静止坐标系，得到两相静止坐标系的电压分量U_αβ为：

其中ω为额定基频角频率，P、N分别表示正负序分量，U^P _dq+、U^N _dq-分别表示在正反向同步旋转坐标系下正序和负序电压的幅值。

两相静止坐标中的电压U_αβ包含着正序和负序电压，利用复数谐振控制器提取正负序电压，复数谐振控制器的传递函数为：

式中ω_b为复数谐振器的带宽。

得到分离的正负序电压分别为：

(3)正序复数谐振控制器引出两个输出端U_ɑ-U_ɑ ^P，U_β-U_β ^P作为负序复数谐振器的输入端，此结构的设计更有利于负序分量的检测和提取。

3.设计通用正负序电压计算指令，并将分离的正负序电压作为通用正负序电流指令的输入端，通过调节权衡系数得到不同的参考指令，其中通用正负序电流指令值的表达式为：

式中k为权衡系数，U^P＝[U_a ^P U_b ^P U_c ^P]、U^N＝[U_a ^N U_b ^N U_c ^N]，U_j ^P(j＝a,b,c)为配网电压正序分量，U_j ^N(j＝a,b,c)为配网电压负序分量，U_⊥ ^P、U_⊥ ^N分别滞后U^P、U^N90度，P^*、Q^*分别为三相MMC额定的有功和无功功率，再将通用正负序电流指令值转换在两相静止坐标系中为：

式中：

4.图5是本发明中虚拟正交矢量发生器拓扑图，构建虚拟正交矢量发生器需要以下几个步骤：

(1)根据拓扑图建立二阶广义积分器(SOGI)的传递函数为：

k₁为SOGI系统的阻尼系数。k₁的取值将会影响SOGI的性能，当k₁取值越小SOGI对非工频信号的滤波效果越好；k₁越大SOGI系统动态性能比较好，但对于谐波比较敏感。为了平衡两者，此处选取k₁＝1.414。

(2)将输入量f与f_a相比较，比较后得到的误差与阻尼系数k₁相乘并与输出量f_β相比较，将比较之后的误差与基频角频率ω相乘并经过积分环节得到α轴的输出量f_a，将f_a送入积分环节，并与基频角频率ω相乘得到与输入量f延迟90°的输出量f_β。其中f_α与输入量f幅值和相位相同。

4.图6所示是环流抑制框图，该方法包括以下步骤：

(1)在配网平衡情况下利用测量仪器检测单/三相MMC环流，检测到的三相MMC环流仅仅包含着负序的二倍频分量，表达式为：

式中I_dcjp为配网平衡情况下j(j＝a,b,c)相环流中的直流量，I^- _2jp为j相负序二倍频环流的幅值，θ_2j ^-为j相负序的相位角。

单相MMC环流与三相MMC环流成分相同，幅值不同，但与三相MMC环流不同的是单相MMC的环流不仅只在相间流动，环流还会流向直流侧，造成直流侧电流的波动。

(2)在配网不平衡情况下利用测量仪器检测单/三相MMC环流，三相MMC环流中不仅包含着直流分量还包含着二倍频正序、负序和零序环流分量，其表达式为：

式中I_dcj为配网不平衡情况下j(j＝a,b,c)相环流中的直流量，I_2j ⁺、I^- _2j、I⁰ _2j分别为j相正序、负序、零序二倍频环流的幅值，θ_2j ⁺、θ_2j ^-、θ_2j ⁰分别为j相正序、负序、零序的相位角。此时单相MMC环流成分与三相环流成分相同，但对应的幅值不同。

(3)构建谐振矢量控制器，并利用高通滤波器将单/三相MMC环流中的二倍频环流分别进行提取，其提取值分别为i_cirj，i_cir1j，将提取值i_cirj，i_cir1j与参考值i^* _cirj(取值为0)进行比较，将分别比较后的误差送入谐振矢量控制器(RVC)得到环流抑制量u^* _diffj，u^* _diff1j，将单/三相MMC环流抑制量分别叠加到对应的上、下桥臂参考电压中进而抑制环流。

5.图7是本发明中新型铁路牵引系统整体控制框图，该方法包括以下步骤：

对于新型铁路牵引系统中的三相MMC的整体控制分为以下几个步骤：

(1)对不平衡配网电压进行采样为U_abc,并采用Clark变换将采样的配网电压变换至两相静止坐标系，得到两相静止坐标系中的电压为U_αβ，同理可得到在两相静止坐标系中的不平衡配网电流为I_αβ。

(2)将得到的电压U_αβ作为正负序电压分离技术的输入端，通过基于复数谐振控制器得到在两相静止坐标系下的正负序电压为U^P _α、U^P _β、U^N _α、U^N _β，并且将得到的正负序电压作为通用正负序电流指令的输入端，通过调节指令值的权衡系数k为不同值时得到相对应控制目标的指令值；将k调整为-1，实现抑制有功功率波动的控制作用；将k调整为1，实现抑制无功功率波动的控制作用；

(3)将正负序电流参考值I_α ^P*、I_β ^P*、I_α ^N*、I_β ^N*相加得到ɑβ轴上电流内环的参考值I_α ^*、I_β ^*，将电流内环参考值与步骤(2)经过采样得到的实际电流值I_αβ相比较送入复数谐振控制器中得到如下等式：

再加入电压前馈反馈量U_αβ得到两相静止坐标系下的输出电压的参考值为E^* _αβ。

并将其进行反Clark变换，得到三相旋转坐标系下的内电动势e_j-ref(j＝a,b,c)。

(4)将环流抑制量i^* _cirj与内电动势e_j-ref(j＝a,b,c)叠加到上下桥臂参考电压为：

将上下桥臂参考电压输入载波移相调制模块，以生成调制波对应地发送给MMC各相桥臂的子模块，进而控制MMC各相桥臂子模块中开关管的工作状态，实现对MMC功率与电流的协调控制和环流抑制。

对于新型铁路牵引系统中的单相MMC的控制分为以下几个步骤：

(1)对单相MMC电压进行采样为U_ef，并采用虚拟正交矢量发生器构造一个与单相MMC电压U_ef正交的电压矢量，得到在两相静止坐标系电压表示为U_α1，U_β1。并与额定的有功功率、无功功率送入电流内环控制，得到电流参考值为i_a ^*，其表达式为：

式中P₁ ^*，Q₁ ^*为单相MMC的额定有功功率和无功功率。

(2)将得到的电流参考值i_a ^*送入复数谐振控制器得到单相MMC中的单相内电动势u_ref，并与环流抑制量相加得到上下桥臂的参考电压为：

此时j＝e,f。

(3)将上下桥臂参考电压输入载波移相调制模块，以生成调制波对应地发送给单相MMC各相桥臂的子模块，进而控制单相MMC各相桥臂子模块中开关管的工作状态，实现单相MMC的环流抑制。

Claims

1.一种新型铁路牵引供电系统功率波动与环流抑制的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1利用测量仪器检测单/三相MMC每相的上、下桥臂电流，计算单/三相MMC内部不平衡电流，分析三相MMC功率波动的原因。

S2构建复数谐振控制器，分析复数谐振控制器的性能，并利用基于复数谐振控制器的正负序分离技术提取配网不平衡情况下三相MMC交流侧的正负序电压。

S3将分离的正负序电压作为通用正负序电流计算指令的输入端，并调节控制指令中的权衡系数实现抑制功率波动。

S4构建正交虚拟矢量电压发生器，构建一个与单相MMC电压U_ef正交的虚拟电压矢量。

S5构建谐振矢量控制器，并分析谐振矢量控制器的控制性能，并利用基于复数谐振矢量控制器的环流抑制器来抑制新型铁路牵引系统中的环流，进而减少MMC的损耗。

S6对新型铁路牵引供电系统中的三相MMC的功率波动的抑制量和环流电压补偿量进行载波移相调制，以生成调制波，通过调制波控制三相MMC各相桥臂子模块中开关管的工作状态，实现功率与环流抑制的目的。

S7对新型铁路牵引供电系统中的单相MMC的环流电压补偿量进行载波移相调制，以生成调制波，通过调制波控制单相MMC各相桥臂子模块中开关管的工作状态，实现铁路牵引供电系统抑制环流与消除直流侧电流波动的目的。

2.根据权利要求1所述的一种新型铁路牵引供电系统功率波动与环流抑制的方法，其特征在于，通过分析负序电流的产生进而分析功率波动得原因，并利用单三相MMC的拓扑得到MMC交流侧数学模型具体为：

式中e_j为j(j＝a,b,c,e,f)相内部电动势。

三相MMC功率波动方程为：

由功率波动方程可知，配网电压不平衡会造成新型牵引供电系统中三相MMC交流侧有功和无功功率的波动。

3.根据权利要求1所述的一种新型铁路牵引供电系统功率波动与环流抑制的方法，其特征在于，复数谐振控制器包含正序复数谐振控制器与负序复数谐振控制器，其传递函数分别为：

式中ω_b为谐振控制器带宽，ω为额定的基频角频率。

将正序复数谐振控制器作为正负序电压分离技术的输入端，其中不平衡配网电压通过正序复数谐振控制器可分离出正序电压，不平衡配网电压与分离出来的正序电压相比较作为负序谐振控制器的输入端。

4.根据权利要求1所述的一种新型铁路牵引供电系统功率波动与环流抑制的方法，其特征在于，通用正负序电流计算指令可以通过权衡系数来调节，通用正负序电流计算指令表达式为：

调节权衡系数为-1，得到相应的控制指令实现抑制有功功率的波动，调节权衡系数为1，得到相应的控制指令实现抑制无功功率的波动。

5.根据权利要求1所述的一种新型铁路牵引供电系统功率波动与环流抑制的方法，其特征在于，根据单/三相MMC拓扑的不同构建相应的环流抑制策略，但相应的环流抑制策略需构建复数谐振控制器，复数谐振矢量控制器在±100Hz频率处具有较大的谐振增益，满足抑制环流的需求。

6.根据权利要求5所述的一种新型铁路牵引供电系统功率波动与环流抑制的方法，其特征在于，单/三相MMC抑制环流控制环节需设计高通滤波器提取二倍频环流，并与环流参考值i^* _cirj(取值为0)进行比较，将分别比较后的误差送入谐振矢量控制器，得到单/三相环流抑制量u_diffj，u_diff1j。

7.根据权利要求5所述的一种新型铁路牵引供电系统功率波动与环流抑制的方法，其特征在于，抑制单相MMC环流时需构建正交虚拟电压矢量发生器，得到在两相静止坐标系下的电压分量U_α1，U_β1，再将得到的电压分量作为电流内环参考值i_a ^*的输入端，将电流内环参考值i_a ^*送入复数谐振控制器得到单相MMC内电动势的参考值u_ref。