CN115425674B - 柔性直流牵引供电系统双向变流器的双环自抗扰控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了柔性直流牵引供电系统双向变流器的双环自抗扰控制方法，该方法包括：获取柔性直流牵引供电系统的双向变流器的控制策略；基于控制策略确定双向变流器对应的工作模式以得到外环控制信号；以及，获取双向变流器的变压器高压侧的三相电压以及低压侧的交流电压和交流电流，基于锁相后的三相电压和变换后的交流电压和交流电流，通过直流电压控制指令和无功功率控制指令得到双向变流器的总电流参考值，基于总电流参考值得到内环电流控制信号；基于外环控制信号和内环电流控制信号，通过载波移相调制获得开关器件的控制信号。本发明具有快响应速度和高抗扰能力。

Description

柔性直流牵引供电系统双向变流器的双环自抗扰控制方法

技术领域

本发明涉及双向变流器领域，尤其涉及柔性直流牵引供电系统双向变流器的双环自抗扰控制方法。

背景技术

双向变流器是城市轨道交通柔性直流牵引供电的核心设备，承担着功率传递、直流电压调制的功能，是实现柔直系统多优化目标高效运行的底层基础。某些传统直流牵引供电系统中有双向变流器，但是其运行目标是与二极管整流器的分段下垂运行特性相配合。在新型的柔直牵引供电系统中，双向变流器彻底取代二极管整流器，并且新系统对变流器的运行特性提出了新的要求。直流牵引供电系统电压水平低，但是负载功率大，因此双向变流器的额定容量很大，往往需要对基本功率变换单元进行并联多重化处理以及均流控制，导致直流侧等效电容很大，变流器整体的惯性大、动态响应速度慢。同时，机车负载的功率动态变化，且频繁启停造成巨大电流冲击，对双向变流器直流电压控制的干扰很大。因此，双向变流器的控制策略必须实现快响应速度和高抗扰能力等要求。低电平的AC/DC双向变流器无论是整流模式还是逆变模式，电压-电流双环dq解耦控制是应用最广泛的控制方法，但是由于线性控制器，难以应对负载动态变化的工况。对于基本功率变换模块的快响应高抗扰控制，为取代传统的PI线性控制器，计算虚拟控制量的导数并构建了命令滤波反步控制器。

现有的改进控制方法中包含了直流电容一阶动态的微分项，其计算结果依赖于变流器模型无源元件参数的精确度，在实际应用中由于参数测量不准、参数摄动以及其他外部干扰等原因，导致此类依赖于模型的控制方法效果有限。此外，目前的变流器级控制策略都是针对于分段下垂的系统级控制策略而设计的，控制模式单一且运行范围狭窄，无法适用于诸如定电压控制、裕度控制、最优控制等其他类型的系统级控制策略。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，为解决现有技术中存在的不足，本发明提出一种适用于城市轨道交通柔性直流牵引供电系统中双向变流器的双环自抗扰控制方法。该控制方法是电压环级联电流环的双环结构，为了实现不同功率变换模块间的均流，对每个模块进行单独的电流环控制后再并联起来。采用一阶线性自抗扰控制器取代常规的PI误差反馈控制，提高系统的抗扰能力。同时根据直流侧的电气量计算变流器的瞬时功率并折算出有功电流，然后前馈到电流环的参考值处，提高系统的动态响应速度。以直流电压控制为主要运行模式，增加限流控制模式和限容控制模式，从而适应多种类型的系统级控制策略。

本发明的另一个目的在于提出柔性直流牵引供电系统双向变流器的双环自抗扰控制装置。

为达上述目的，本发明一方面提出了一种柔性直流牵引供电系统双向变流器的双环自抗扰控制方法，包括：

获取柔性直流牵引供电系统的双向变流器的控制策略；

基于所述控制策略确定双向变流器对应的工作模式以得到外环控制信号；以及，

获取双向变流器的变压器高压侧的三相电压以及低压侧的交流电压和交流电流，基于锁相后的三相电压和变换后的交流电压和交流电流，通过直流电压控制指令和无功功率控制指令得到双向变流器的总电流参考值，基于所述总电流参考值得到内环电流控制信号；

基于所述外环控制信号和所述内环电流控制信号，通过载波移相调制获得开关器件的控制信号。

根据本发明实施例的柔性直流牵引供电系统双向变流器的双环自抗扰控制方法还可以具有以下附加技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述双向变流器的运行范围是二维多边形，所述二维多边形的边界约束，包括电压约束和功率约束。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述控制策略，包括外环控制策略和内环电流控制策略，所述外环控制策略，包括定电压控制模式、定电流控制模式和定功率控制模式；

当达到电压边界时，双向变流器工作在定电压控制模式；当达到功率边界时，双向变流器工作在定功率控制模式。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述外环控制策略的直流电压控制和所述内环电流控制策略利用一阶线性自抗扰控制器进行控制；其中，所述一阶线性自抗扰控制器，包含两个输入信号，分别是参考值r和反馈量y，还包含一个输出信号u；并通过观测器估计系统的总扰动。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述双向变流器，包括功率变换模块和过流旁路模块；所述方法，还包括：所述双向变流器的变压器高压侧与外电源相连，当所述双向变流器的直流侧发生故障时，闭锁功率变换模块并导通由晶闸管构成的过流旁路模块。

为达到上述目的，本发明另一方面提出了一种柔性直流牵引供电系统双向变流器的双环自抗扰控制装置，包括：

策略确定模块，用于获取柔性直流牵引供电系统的双向变流器的控制策略；

外环控制模块，用于基于所述控制策略确定双向变流器对应的工作模式以得到外环控制信号；以及，

内环控制模块，用于获取双向变流器的变压器高压侧的三相电压以及低压侧的交流电压和交流电流，基于锁相后的三相电压和变换后的交流电压和交流电流，通过直流电压控制指令和无功功率控制指令得到双向变流器的总电流参考值，基于所述总电流参考值得到内环电流控制信号；

信号产生模块，用于基于所述外环控制信号和所述内环电流控制信号，通过载波移相调制获得开关器件的控制信号。

本发明实施例的柔性直流牵引供电系统双向变流器的双环自抗扰控制方法和装置，其双向变流器控制策略具有快响应速度和高抗扰能力。与现有技术相比，本发明不依赖于控制对象的具体数学模型，可以同时观测并补偿内部扰动和外部扰动。当负载功率快速变化时，前馈电流能够更快地反映负载状态，与自抗扰控制器一同应负载电流变化对直流电压控制带来的干扰，扩大变流器的安全稳定运行范围。本发明在变流器级控制的外环设计了三种控制模式，可以适应多种系统级控制策略，具有很强的普适性。本发明所用控制器的参数均具有具体的物理含义，比常规PI控制器的参数整定更加方便，易于实际应用。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的柔性直流牵引供电系统双向变流器的双环自抗扰控制方法流程图；

图2是根据本发明实施例的双向变流器拓扑示意图；

图3是根据本发明实施例的双向变流器的双环自抗扰控制策略示意图；

图4是根据本发明实施例的双向变流器的运行范围示意图；

图5是根据本发明实施例的一阶线性自抗扰控制器结构示意图；

图6是根据本发明实施例的传统控制方法和本发明控制方法仿真结果对比示意图；

图7是根据本发明实施例的柔性直流牵引供电系统双向变流器的双环自抗扰控制装置结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的柔性直流牵引供电系统双向变流器的双环自抗扰控制方法和装置。

图1是本发明一个实施例的柔性直流牵引供电系统双向变流器的双环自抗扰控制方法的流程图。

如图1所示，该方法包括但不限于以下步骤：

S1，获取柔性直流牵引供电系统的双向变流器的控制策略；

S2，基于控制策略确定双向变流器对应的工作模式以得到外环控制信号；以及，

S3，获取双向变流器的变压器高压侧的三相电压以及低压侧的交流电压和交流电流，基于锁相后的三相电压和变换后的交流电压和交流电流，通过直流电压控制指令和无功功率控制指令得到双向变流器的总电流参考值，基于总电流参考值得到内环电流控制信号；

S4，基于外环控制信号和内环电流控制信号，通过载波移相调制获得开关器件的控制信号。

具体地，本发明实施例的柔性直流牵引供电系统中双向变流器的典型拓扑如图2所示。变压器的高压侧与10kV或35kV外电源相连，低压侧经过滤波支路后与各模块相连。其中功率变换模块的结构包括但不限于图中所示的三相两电平拓扑，也可以是中点钳位的T型或I型三相三电平拓扑。当直流侧发生故障时，闭锁功率变换模块，导通由晶闸管构成的过流旁路模块。

进一步地，本发明所提的双向变流器双环自抗扰控制策略如图3所示，内环是电流控制，外环则有三个可选模式，分别是定电压控制模式、定电流控制模式和定功率控制模式。传统的双向变流器运行范围是一条分段的一维曲线，直流电压和直流电流的关系一一对应。本发明所提的双向变流器运行范围是一个二维的多边形，如图4，它的边界由3个约束构成，分别是电压约束和功率约束。电压运行约束主要考虑机车直流端口的电压安全运行范围，防止机车因触发欠压保护或过压保护而停运。功率运行约束主要考虑双向变流器开关器件的可持续直流电流不超过安全运行范围，假设交流侧电网电压稳定，最大功率可根据开关器件参数计算变流器的交流功率获得。未达到边界时，双向变流器工作在定电压控制模式。当达到电压边界时，双向变流器工作在定电压控制模式。当达到功率边界时，双向变流器工作在定功率控制模式。运行在定功率控制模式的双向变流器，其直流电压不可控，完全由其他双向变流器和系统潮流决定。在整流工况下，当直流电压大于定电压控制模式的直流电压参考值时，退出定功率控制模式，回到定电压控制模式；在逆变工况下，当直流电压小于定电压控制模式的直流电压参考值时，退出定功率控制模式，回到定电压控制模式。

对于直流电压控制，首先采样变压器高压侧的三相电压进行锁相，再采样低压侧的交流电压和交流电流进行dq变换后用于控制。外环无功功率指令Q _ref通常设置为0。直流电压控制指令U _dcref则由系统级控制器下发。通过直流电压控制和无功功率控制得到dq旋转坐标系下变流器的总电流参考值I _dref和I _qref。变流器含有n个功率变换模块，将电流参考值均分后分别进行内环电流控制。最后通过载波移相调制获得开关器件的控制信号。

外环的直流电压控制，以及内环的d轴和q轴电流控制均采用一阶线性自抗扰控制，其结构如图5所示。一阶线性自抗扰控制器包含两个输入信号，分别是参考值r和反馈量y，还包含一个输出信号u。通过二阶线性扩张状态观测器可以估计系统的内部和外部总扰动。观测器的数学表达式如下：

(1)

总扰动补偿量补偿到比例误差反馈控制环中，经过控制量增益后可以得到一阶线性自抗扰的控制律为：

(2)

对于外环直流电压控制，r = U _dcref，y = U _dc。对于内环d轴电流控制r = I _dref/n，

。对于内环q轴电流控制r = I _qref/n，

。

根据功率守恒，图4中的前馈电流的计算方法为：

(3)

其中η时变流器的变换效率，可以通过稳态损耗测试获得。

对于功率控制，根据变压器高压侧的电气量计算瞬时功率后并进行低通滤波。功率控制的有功功率参考值即为功率约束的最大功率P _max，无功功率的参考值仍然为0。瞬时功率的计算公式为：

(4)

为检验本发明所提控制方法的效果，在PSCAD电磁暂态仿真软件中进行了测试，如图6，对比了常规的双环PI控制方法和本发明的双环自抗扰附加电流前馈的控制方法。在第一种工况时，机车负载功率由0上升至7.5MW，常规控制方法无法应对短时的负载电流干扰，导致电压跌落严重，无法跟踪参考值，本发明控制方法则可以快速补偿负载电流干扰，直流电压的抗扰性能和跟踪性能很好。在第二种工况时，直流电压参考值连续变化，本发明控制方法的调整时间明显短于常规控制方法，动态响应速度更快。在第三种工况时，负载由7.5MW反转为-7.5MW，常规控制方法依然无法应对短时的负载电流干扰，导致电压超调150V，因此，本发明所提方法可以有效补偿负载电流干扰，直流电压始终跟踪参考值，抗扰性更强。

根据本发明实施例的柔性直流牵引供电系统双向变流器的双环自抗扰控制方法，其双向变流器控制策略具有快响应速度和高抗扰能力。本发明不依赖于控制对象的具体数学模型，可以同时观测并补偿内部扰动和外部扰动。当负载功率快速变化时，前馈电流能够更快地反映负载状态，与自抗扰控制器一同应负载电流变化对直流电压控制带来的干扰，扩大变流器的安全稳定运行范围。本发明在变流器级控制的外环设计了三种控制模式，可以适应多种系统级控制策略，具有很强的普适性。本发明所用控制器的参数均具有具体的物理含义，比常规PI控制器的参数整定更加方便，易于实际应用。

为了实现上述实施例，如图7所示，本实施例中还提供了柔性直流牵引供电系统双向变流器的双环自抗扰控制装置10，该装置10包括：策略确定模块100、外环控制模块200、内环控制模块300和信号产模块400。

策略确定模块100，用于获取柔性直流牵引供电系统的双向变流器的控制策略；

外环控制模块200，用于基于控制策略确定双向变流器对应的工作模式以得到外环控制信号；以及，

内环控制模块300，用于获取双向变流器的变压器高压侧的三相电压以及低压侧的交流电压和交流电流，基于锁相后的三相电压和变换后的交流电压和交流电流，通过直流电压控制指令和无功功率控制指令得到双向变流器的总电流参考值，基于总电流参考值得到内环电流控制信号；

信号产生模块400，用于基于外环控制信号和内环电流控制信号，通过载波移相调制获得开关器件的控制信号。

进一步地，上述双向变流器的运行范围是二维多边形，二维多边形的边界约束，包括电压约束和功率约束。

进一步地，控制策略，包括外环控制策略和内环电流控制策略，外环控制策略，包括定电压控制模式和定功率控制模式；

当达到电压边界时，双向变流器工作在定电压控制模式；当达到功率边界时，双向变流器工作在定功率控制模式。

进一步地，外环控制策略的直流电压控制和内环电流控制策略利用一阶线性自抗扰控制器进行控制；其中，一阶线性自抗扰控制器，包含两个输入信号，分别是参考值r和反馈量y，还包含一个输出信号u；并通过观测器估计系统的总扰动。

进一步地，双向变流器，包括功率变换模块和过流旁路模块；双向变流器的变压器高压侧与外电源相连，当双向变流器的直流侧发生故障时，闭锁功率变换模块并导通由晶闸管构成的过流旁路模块。

根据本发明实施例的柔性直流牵引供电系统双向变流器的双环自抗扰控制装置，其双向变流器控制策略具有快响应速度和高抗扰能力。本发明不依赖于控制对象的具体数学模型，可以同时观测并补偿内部扰动和外部扰动。当负载功率快速变化时，前馈电流能够更快地反映负载状态，与自抗扰控制器一同应负载电流变化对直流电压控制带来的干扰，扩大变流器的安全稳定运行范围。本发明在变流器级控制的外环设计了三种控制模式，可以适应多种系统级控制策略，具有很强的普适性。本发明所用控制器的参数均具有具体的物理含义，比常规PI控制器的参数整定更加方便，易于实际应用。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种柔性直流牵引供电系统双向变流器的双环自抗扰控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取柔性直流牵引供电系统的双向变流器的控制策略；

基于所述控制策略确定双向变流器对应的工作模式以得到外环控制信号；以及，

获取双向变流器的变压器高压侧的三相电压以及低压侧的交流电压和交流电流，基于锁相后的三相电压和变换后的交流电压和交流电流，通过直流电压控制指令和无功功率控制指令得到双向变流器的总电流参考值，基于所述总电流参考值得到内环电流控制信号；

基于所述外环控制信号和所述内环电流控制信号，通过载波移相调制获得开关器件的控制信号；

所述双向变流器的运行范围是二维多边形，所述二维多边形的边界约束，包括电压约束和功率约束；

所述控制策略，包括外环控制策略和内环电流控制策略，所述外环控制策略，包括定电压控制模式和定功率控制模式；

当达到电压边界时，双向变流器工作在定电压控制模式；当达到功率边界时，双向变流器工作在定功率控制模式；

所述外环控制策略的直流电压控制和所述内环电流控制策略利用一阶线性自抗扰控制器进行控制；其中，所述一阶线性自抗扰控制器，包含两个输入信号，分别是参考值r和反馈量y，还包含一个输出信号u；

并通过观测器估计系统的总扰动；

所述观测器的数学表达式为：

(1)

总扰动补偿量补偿到比例误差反馈控制环中，经过控制量增益后得到一阶线性自抗扰的控制律为：

(2)

对于外环直流电压控制，r = U _dcref，y = U _dc，对于内环d轴电流控制r = I _dref/n，

，对于内环q轴电流控制r = I _qref/n，

；

前馈电流的计算方法为：

(3)

对于功率控制，根据变压器高压侧的电气量计算瞬时功率后并进行低通滤波，功率控制的有功功率参考值即为功率约束的最大功率P _max，无功功率的参考值仍然为0，则瞬时功率的计算公式为：

(4)

其中η为时变流器的变换效率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述双向变流器，包括功率变换模块和过流旁路模块；所述方法，还包括：所述双向变流器的变压器高压侧与外电源相连，当所述双向变流器的直流侧发生故障时，闭锁功率变换模块并导通由晶闸管构成的过流旁路模块。

3.一种柔性直流牵引供电系统双向变流器的双环自抗扰控制装置，其特征在于，包括：

策略确定模块，用于获取柔性直流牵引供电系统的双向变流器的控制策略；

外环控制模块，用于基于所述控制策略确定双向变流器对应的工作模式以得到外环控制信号；以及，

内环控制模块，用于获取双向变流器的变压器高压侧的三相电压以及低压侧的交流电压和交流电流，基于锁相后的三相电压和变换后的交流电压和交流电流，通过直流电压控制指令和无功功率控制指令得到双向变流器的总电流参考值，基于所述总电流参考值得到内环电流控制信号；

信号产生模块，用于基于所述外环控制信号和所述内环电流控制信号，通过载波移相调制获得开关器件的控制信号；

所述双向变流器的运行范围是二维多边形，所述二维多边形的边界约束，包括电压约束和功率约束；所述控制策略，包括外环控制策略和内环电流控制策略，所述外环控制策略，包括定电压控制模式和定功率控制模式；

当达到电压边界时，双向变流器工作在定电压控制模式；当达到功率边界时，双向变流器工作在定功率控制模式；

所述外环控制策略的直流电压控制和所述内环电流控制策略利用一阶线性自抗扰控制器进行控制；其中，所述一阶线性自抗扰控制器，包含两个输入信号，分别是参考值r和反馈量y，还包含一个输出信号u；

并通过观测器估计系统的总扰动；

所述观测器的数学表达式为：

(1)

总扰动补偿量补偿到比例误差反馈控制环中，经过控制量增益后得到一阶线性自抗扰的控制律为：

(2)

对于外环直流电压控制，r = U _dcref，y = U _dc，对于内环d轴电流控制r = I _dref/n，

，对于内环q轴电流控制r = I _qref/n，

；

前馈电流的计算方法为：

(3)

对于功率控制，根据变压器高压侧的电气量计算瞬时功率后并进行低通滤波，功率控制的有功功率参考值即为功率约束的最大功率P _max，无功功率的参考值仍然为0，则瞬时功率的计算公式为：

(4)

其中η为时变流器的变换效率。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述双向变流器，包括功率变换模块和过流旁路模块；所述双向变流器的变压器高压侧与外电源相连，当所述双向变流器的直流侧发生故障时，闭锁功率变换模块并导通由晶闸管构成的过流旁路模块。

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