CN114301076B - 电气化铁路牵引网单相svg控制方法、存储介质及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电气化铁路牵引网单相SVG控制方法、存储介质及计算设备，包括：采集铁路牵引网电压、负载电流、H桥级联型逆变器直流侧电容电压、输出电流，并根据预设的控制目标计算指令电流；所述H桥级联型逆变器的直流侧为电容，H桥级联型逆变器的逆变侧通过连接电抗器或变压器接到铁路牵引网。优点：在固定的设备结构下，可以根据控制目标计算指令电流，完成多项补偿功能，控制效果稳定，在机车负荷短时间内剧烈变化等工况下都能够达到很好的控制效果。

Description

电气化铁路牵引网单相SVG控制方法、存储介质及设备
技术领域
本发明涉及一种电气化铁路牵引网单相SVG控制方法、存储介质及设备，属于电气化铁路技术领域。
背景技术
电力机车属于单相负荷，由于轨道上机车负荷在时间和空间上具有随机性，导致铁路牵引网上存在功率因数低、谐波含量大、电压跌落等问题。针对功率因数低和谐波含量大的问题，目前已有直接电流控制和基于dq轴分解的间接电流控制的单相SVG（静止无功发生器）解决方案。而针对电压跌落的问题，目前还缺少很好的应对措施。另外，在部分铁路，尤其是支线铁路，可能存在铁路负荷过低，牵引变压器等空载损耗严重的问题，由于这部分损耗往往发生在单相SVG接入点之前，因此使用已有的技术方法难以对其进行补偿。
针对上述牵引网电能质量低、电压跌落严重、变压器空载损耗难以补偿的问题，本申请提出该单相SVG控制方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种电气化铁路牵引网单相SVG控制方法、存储介质及设备。
为解决上述技术问题，本发明提供一种电气化铁路牵引网单相SVG控制方法，包括：
采集铁路牵引网电压、负载电流、H桥级联型逆变器直流侧电容电压、输出电流，并根据预设的控制目标计算指令电流；所述H桥级联型逆变器的直流侧为电容，H桥级联型逆变器的逆变侧通过连接电抗器或变压器接到铁路牵引网。
进一步的，所述控制目标为单相SVG仅用于控制牵引网电压；
单相SVG采集铁路牵引网电压和直流侧电容电压，通过铁路牵引网电压计
算锁相角，并计算锁相角的余弦值和正弦值；
计算牵引网电压与预先设定的牵引网电压有效值之差，通过一个PI控制器
输出调节电流的量与锁相角的余弦值相乘得到无功电流分量；
计算直流侧电容电压与预先设定的电容电压设定之差，通过一个PI控制器
输出调节电流的量并取反，再与锁相角的正弦值相乘，得到有功电流分量；
计算无功电流分量和有功电流分量之和得到指令电流。
进一步的， 所述控制目标为单相SVG仅用于补偿负载无功；
单相SVG采集铁路牵引网的负载电流和直流侧电容电压；通过铁路牵引网
电压计算锁相角，并计算锁相角的正弦值；
计算负载电流与锁相角的正弦值乘积，通过低通滤波器后将乘积增加一倍，再与锁相角的正弦值相乘得到有功电流分量，由负载电流减去所述有功电流分量得到无功和谐波电流分量；
计算直流侧电容电压与预先设定的电容电压设定之差，通过一个PI控制器
输出调节电流的量并取反，再与锁相角的正弦值相乘，得到有功电流分量；
计算无功电流分量和有功电流分量之和得到指令电流。
进一步的， 所述控制目标为单相SVG仅用于补偿负载无功以及单相SVG接入点之前的固定无功损耗；
单相SVG采集铁路牵引网的负载电流和直流侧电容电压；通过铁路牵引网
电压计算锁相角，并计算锁相角的余弦值和正弦值；获取无功损耗补偿的固定常数；
计算负载电流与锁相角的正弦值乘积，通过低通滤波器后将乘积增加一倍，再与锁相角的正弦值相乘得到有功电流分量，由负载电流减去所述有功电流分量得到无功和谐波电流分量；
计算直流侧电容电压与预先设定的电容电压设定之差，通过一个PI控制器
输出调节电流的量并取反，再与锁相角的正弦值相乘，得到有功电流分量；
计算固定常数与锁相角的余弦值的乘积得到无功补偿分量；
计算无功电流分量、有功电流分量和无功补偿分量之和得到指令电流。
进一步的，所述固定常数通过单相SVG接入点之前的固定无功损耗除以牵引网电压得到。
进一步的，所述计算锁相角的方法采用过零锁相法。
进一步的，还包括：对指令电流限幅，过程包括：
计算指令电流的有效值I RMS ；
将有效值I RMS 输入到以有效值为自变量且具有饱和特性的函数，输出增益倍数；
最终的指令电流等于限幅前的指令电流乘以增益倍数。
进一步的，所述函数，用于
当有效值I RMS 小于等于预设的转折电流I SET 时函数输出增益倍数1；
当有效值I RMS 大于转折电流时，增益倍数为f(I RMS )=I SET /I RMS ；
最终的指令电流等于限幅前的指令电流乘以增益倍数。
一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行所述的方法中的任一方法。
一种计算设备，包括，
一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行所述的方法中的任一方法的指令。
本发明所达到的有益效果：
在固定的设备结构下，可以完成对牵引网电压的稳定控制、对负载无功的补偿以及对接入点之前的固定无功损耗进行补偿的多项功能，控制效果稳定，在机车负荷短时间内剧烈变化等工况下都能够达到很好的控制效果。进一步，本申请中指令电流为交流量，针对该特点本申请提出一种交流量限幅的方法，能够使指令电流按比例减小不发生畸变，有利于单相SVG在高负荷工况下的稳定运行。
附图说明
图1为本发明单相SVG通过变压器接入到牵引网的拓扑结构示意图；
图2为本发明单相SVG通过连接电抗器接入到牵引网的拓扑结构示意图；
图3为本发明单相SVG用于稳定牵引网电压的控制原理原理框图；
图4为本发明单相SVG用于补偿负载无功损耗的控制原理原理框图；
图5为本发明单相SVG用于补偿负载无功损耗和接入点前无功损耗的控制原理原理框图；
图6为本发明单相SVG用于限幅的以有效值为自变量的具有饱和特性的函数曲线；
图7为本发明单相SVG指令电流限幅输入输出关系曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
在一个具体的实施例1中，单相SVG结构及其与牵引网连接方式如图1所示，所述单相SVG包括H桥级联型逆变器，级数为12级，H桥级联型逆变器直流侧为电容，直流侧电容电压控制在900V，逆变侧通过变压器接到铁路牵引网上，牵引网电压为27.5kV，变压器变比为27.5kV:6.6kV，单相SVG接在6.6kV侧。单相SVG采集牵引网电压、负载电流以及牵引网上单相SVG的输出电流。
该单相SVG主要用于稳定牵引网电压，其控制方法如图3所示，具体为：
通过牵引网电压计算锁相角及其正弦、余弦值，由于牵引网电压频率一般比较稳定，计算锁相角的方法采用过零锁相法。
牵引网上单相SVG的输出电流跟踪指令电流，指令电流的计算方法为：首先，计算牵引网电压与设定电压有效值之差，通过一个PI控制器后与锁相角余弦值相乘，得到无功电流分量。然后，直流侧电容电压和先通过一个低通滤波器后与设定值做差，然后通过PI控制器后与锁相角的正弦值相乘，得到有功电流分量。有功电流分量和无功电流分量即可相加得到指令电流。PI控制器是一个相应的误差控制器，其输出量没有具体的物理意义。PI控制器的传递函数表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，其输出与输入的关系为y(s)=G(s)·x(s)；其中x(s)表示为输入误差，y(s)表示输出的待控制电流的相关量。
牵引网上单相SVG的输出电流跟踪指令电流的方法采用已有的载波移项法即可。
在一个具体的实施例2中，单相SVG结构及其与牵引网连接方式如图2所示，所述单相SVG包括H桥级联型逆变器，级数为12级，H桥级联型逆变器直流侧为电容，直流侧电容电压控制在900V，逆变侧通过连接电电抗器接到铁路牵引网上，牵引网电压为27.5kV。其控制方式与实施例1相同。
在一个具体的实施例3中，单相SVG结构及其与牵引网连接方式与实施例1相同，本实施例中SVG主要用于补偿负载无功。其控制方法如图4所示，具体为：
牵引网上单相SVG的输出电流跟踪指令电流，指令电流由负载电流分解得到的无功和谐波电流分量、直流侧电压与控制目标电压差值计算得到的有功电流分量两部分相加构成。
无功和谐波电流分量计算方法为：首先由负载电流计算其中有功电流分量，负载电流与锁相角的正弦值通过低通滤波器后再与该正弦值相乘，增加一倍后得到负载电流有功分量；然后由负载电流减去其中有功分量即可得到负载电流的无功和谐波电流分量。有功电流分量的计算方法与实施例1相同。
牵引网上单相SVG的输出电流跟踪指令电流的方法采用已有的载波移项法即可。
在一个具体的实施例4中，单相SVG结构及其与牵引网连接方式与实施例1相同，本实施例中SVG主要用于补偿负载无功，以及在单相SVG接入点之前线路和变压器的无功损耗。其控制方法如图5所示，具体为：
牵引网上单相SVG的输出电流跟踪指令电流，指令电流由负载电流分解得到的无功和谐波电流分量、固定常数与锁相角余弦值乘积构成的无功补偿分量、直流侧电压与控制目标电压差值计算得到的有功电流分量三部分相加构成。
本实施例中与锁相角余弦值相乘的固定常数可通过单相SVG接入点之前的固定无功损耗除以牵引网电压计算得到。无功和谐波电流的计算方法与实施例3相同，有功电流分量的计算方法与实施例1相同。
牵引网上单相SVG的输出电流跟踪指令电流的方法采用已有的载波移项法即可。
在一个具体的实施例5中，在实施例1的基础上，进一步对单相SVG的输出能力进行限制，防止指令电流过大导致输出波形畸变甚至SVG输出电流过大导致跳闸甚至损坏。
由于本申请中单相SVG指令电流的所有组成部分都是交流量，因此可以采用以下限幅方法对指令电流的大小进行限制。
计算指令电流的有效值I RMS ，并以有效值为自变量设计一条具有饱和特性的函数，当有效值I RMS 小于转折电流I SET 时函数输出f(I RMS )等于增益倍数为1，当有效值I RMS 大于转折电流时，如图6曲线2所示，增益倍数为f(I RMS )=I SET /I RMS ，输出指令电流等于输入的指令电流乘以增益倍数。使用个该方法得到的输入指令电流与输出指令电流的关系如图7所示，实现了在指令电流过大是限制其输出幅值，同时也使指令电流按比例减小不发生畸变。
本发明提出一种电气化铁路牵引网上单相SVG控制方法，使用本方案，在固定的设备结构下，可以完成对牵引网电压的稳定控制、对负载无功的补偿以及对接入点之前的固定无功损耗进行补偿的多项功能，控制效果稳定，在机车负荷短时间内剧烈变化等工况下都能够达到很好的控制效果。进一步，本申请中指令电流为交流量，针对该特点本申请提出一种交流量限幅的方法，能够使指令电流按比例减小不发生畸变，有利于单相SVG在高负荷工况下的稳定运行。
相应的本发明还提供一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行所述的方法中的任一方法。
相应的本发明还提供一种计算设备，包括，
一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行所述的方法中的任一方法的指令。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

Claims (7)

1.一种电气化铁路牵引网单相SVG控制方法，包括：
采集铁路牵引网电压、负载电流、H桥级联型逆变器直流侧电容电压、单相SVG输出电流，并根据预设的控制目标计算指令电流；所述H桥级联型逆变器的直流侧为电容，H桥级联型逆变器的逆变侧通过连接电抗器或变压器接到铁路牵引网；
所述控制目标为单相SVG用于控制牵引网电压时，具体包括如下步骤：
单相SVG采集铁路牵引网电压和直流侧电容电压，通过铁路牵引网电压计算锁相角，并计算锁相角的余弦值和正弦值；
计算牵引网电压与预先设定的牵引网电压有效值之差，通过一个PI控制器输出调节电流的量与锁相角的余弦值相乘得到无功电流分量；
计算直流侧电容电压与预先设定的电容电压设定之差，通过一个PI控制器输出调节电流的量并，再与锁相角的正弦值相乘，得到有功电流分量；
计算无功电流分量和有功电流分量之和得到指令电流；
所述控制目标为单相SVG用于补偿负载无功时，具体包括如下步骤：
单相SVG采集铁路牵引网的负载电流和直流侧电容电压；通过铁路牵引网电压计算锁相角，并计算锁相角的正弦值；
计算负载电流与锁相角的正弦值乘积，通过低通滤波器后将乘积增加一倍，再与锁相角的正弦值相乘得到有功电流分量，由负载电流减去所述有功电流分量得到无功和谐波电流分量；
计算直流侧电容电压与预先设定的电容电压设定之差，通过一个PI控制器输出调节电流的量并取反，再与锁相角的正弦值相乘，得到有功电流分量；
计算无功电流分量和有功电流分量之和得到指令电流；
所述控制目标为单相SVG用于补偿负载无功以及单相SVG接入点之前的固定无功损耗时，具体包括如下步骤：
单相SVG采集铁路牵引网的负载电流和直流侧电容电压；
通过铁路牵引网电压计算锁相角，并计算锁相角的余弦值和正弦值；获取无功损耗补偿的固定常数；
计算负载电流与锁相角的正弦值乘积，通过低通滤波器后将乘积增加一倍，再与锁相角的正弦值相乘得到有功电流分量，由负载电流减去所述有功电流分量得到无功和谐波电流分量；
计算直流侧电容电压与预先设定的电容电压设定之差，通过一个PI控制器输出调节电流的量并，再与锁相角的正弦值相乘，得到有功电流分量；
计算固定常数与锁相角的余弦值的乘积得到无功补偿分量；
计算无功电流分量、有功电流分量和无功补偿分量之和得到指令电流。
2.根据权利要求1所述的电气化铁路牵引网单相SVG控制方法，
其特征在于，所述固定常数通过单相SVG接入点之前的固定无功损耗除以牵引网电压得到。
3.根据权利要求1所述的电气化铁路牵引网单相SVG控制方法，
其特征在于，所述计算锁相角的方法采用过零锁相法。
4.根据权利要求1所述的电气化铁路牵引网单相SVG控制方法，
其特征在于，还包括：对指令电流限幅，过程包括：
计算指令电流的有效值I RMS ；
将有效值I RMS 输入到以有效值为自变量且具有饱和特性的函数，输出增益倍数；
最终的指令电流等于限幅前的指令电流乘以增益倍数。
5.根据权利要求4所述的电气化铁路牵引网单相SVG控制方法，其特征在于，所述函数，用于
当有效值I RMS 小于等于预设的转折电流I SET 时函数输出增益倍数1；
当有效值I RMS 大于转折电流时，增益倍数为f(I RMS )=I SET /I RMS ；
最终的指令电流等于限幅前的指令电流乘以增益倍数。
6.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据权利要求1至5所述的方法中的任一方法。
7.一种计算设备，其特征在于，包括，
一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据权利要求1至5所述的方法中的任一方法的指令。
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