CN116890709B - 一种柔性牵引变电所过渡改造结构的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性牵引变电所过渡改造结构的控制方法，包括第一牵引变电所、第二牵引变电所、第三牵引变电所、接触网、钢轨、第一电分相、第二电分相和第三电分相；第一牵引变电所连接接触网和钢轨；第三牵引变电所连接第二电分相的另一端、第三电分相、接触网和钢轨。本发明提升了改造变电所的供电能力与可靠性，保留了传统牵引供电侧抗冲击能力强的优势，降低牵引变电所的工程造价和维护成本。实现了对实现原有β供电臂供电时三相电网侧电流不平衡治理，实现了对不控整流交‑直型机车或柔性牵引变压器开关管故障注入电网侧的谐波治理，保障了柔性牵引供电系统改造过程中三相电网侧电能质量良好的同时提升牵引网侧抗冲击能力。
Description
技术领域
本发明涉及柔性牵引供电系统技术领域；具体包括一种柔性牵引变电所过渡改造结构的控制方法。
背景技术
目前，我国电气化铁路牵引供电系统均采用三相-两相供电方式。牵引变电所多采用Vv牵引变压器从三相电网取电，降压后Vv牵引变压器副边分α、β供电臂为牵引网供电。由于两个供电臂、两个牵引变电所输出电压幅值、相位、频率难以保持一致，两个供电臂、两个牵引变电所之间需设电分相，极大制约了列车运行速度。同时既有牵引供电系统存在电能质量较差、供电能力不足、容量利用率较低等问题。
以交直交变换器为核心的柔性牵引供电系统输出电压频率、幅值、相位等完全可控，因而可以取消电分相，实现全线贯通供电，且能有效改善牵引供电系统的电能质量问题。在传统牵引供电系统到柔性牵引供电系统改造过程中，需对线路中传统变电所进行分阶段改造，线路中同时存在传统牵引变电所与柔性牵引变电所。采用单相全波二极管整流电路的交-直型机车会将大量的谐波与无功注入到牵引供电系统中，同时也会产生负序问题，这些都会严重影响牵引供电系统的载荷能力；另外采用电力电子器件的柔性牵引变压器发生开关管故障，也会将谐波注入到电网侧或牵引网侧，极大的影响了系统电能质量。为保障牵引供电系统供电能力与网侧电能质量，需针对柔性牵引变电所过渡改造结构的电能质量问题进行解决。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种柔性牵引变电所过渡改造结构的控制方法解决了现有牵引供电系统存在负序、谐波等电能质量问题、供电能力不足、容量利用率较低，传统牵引供电系统到柔性牵引供电系统无法平滑过渡的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种柔性牵引变电所过渡改造结构的控制方法，其柔性牵引变电所过渡改造结构包括第一牵引变电所、第二牵引变电所、第三牵引变电所、接触网、钢轨、第一电分相、第二电分相和第三电分相；第一牵引变电所连接接触网和钢轨；第三牵引变电所连接第二电分相的另一端、第三电分相、接触网和钢轨；
第二牵引变电所包括第二Vv牵引变压器、断路器QF1′、断路器QF2′、断路器QF3′、断路器QF4、第二柔性牵引变压器和第一供电臂β；第二传统Vv牵引变压器的原边三相与三相电网连接；第二传统Vv牵引变压器的副边第一相连接断路器QF1′的一端；第二传统Vv牵引变压器的副边第二相连接断路器QF2′的一端和第一供电臂β的一端；第二传统Vv牵引变压器的副边第三相连接断路器QF3′的一端和断路器QF4的一端；断路器QF1′的另一端、断路器QF2′的另一端和断路器QF3′的另一端分别连接第二柔性牵引变压器的输入端；断路器QF4的另一端连接第一电分相的一端和第二电分相的一端；第一供电臂β的另一端连接钢轨；第二柔性牵引变压器的第一输出端连接钢轨；第二柔性牵引变压器的第二输出端连接第一电分相的另一端和接触网；
第二柔性牵引变压器包括第二匹配变压器、第二三相-单相变流器；第二匹配变压器原边的第一相连接断路器QF1′的另一端；第二匹配变压器原边的第二相连接断路器QF2′的另一端；第二匹配变压器原边的第三相连接断路器QF3′的另一端；第二匹配变压器副边连接第二三相-单相变流器输入端；第二三相-单相变流器输出端作为第二柔性牵引变压器的输出端；第二匹配变压器的原边作为第二柔性牵引变压器的输入端；
三相-单相变流器包括依次连接的输入滤波电路、三相整流电路和单相逆变电路；
控制方法包括以下步骤：
S1、获取相关电路信息，若待控制电路为三相整流电路，进入步骤S2；若待控制电路为单相逆变电路，进入步骤S6；
S2、根据获取的相关电路信息，建立并根据三相整流电路数学模型得到三相整流电路基频调制波；
S3、根据获取的相关电路信息，获取并根据三相电网侧负序电流分量得到三相电网侧负序调制波；
S4、根据获取的相关电路信息，获取并根据三相电网侧谐波电流分量得到三相电网侧谐波调制波；
S5、通过三相电网侧负序调制波、三相整流电路基频调制波和三相电网侧谐波调制波获得三相整流电路调制波，完成三相整流电路控制；
S6、根据获取的相关电路信息，得到单相逆变电路输出电压，并建立单相逆变电路数学模型；
S7、根据单相逆变电路数学模型得到单相逆变电路的基频调制波；
S8、根据单相逆变电路输出电压得到输出电压波动分量；
S9、根据单相逆变电路的基频调制波和输出电压波动分量得到单相逆变电路的调制波，完成单相逆变电路控制。
本发明的有益效果为：
1、本发明的柔性牵引变电所过渡改造结构通过在柔性牵引供电系统贯通区间与既有牵引供电系统交接处变电所进行“半柔性化”改造，改造变电所柔性牵引供电侧采用柔性牵引变压器为接触网供电，取消与前柔性牵引变电所之间的电分相，保障柔性牵引供电侧贯通供电，同时保留改造变电所原有β供电臂为传统牵引供电侧接触网供电，大大提升了改造变电所的供电能力与可靠性，保留了传统牵引供电侧抗冲击能力强的优势，降低牵引变电所的工程造价和维护成本。
2、本发明提出“半柔性化”改造牵引变电所的控制方法，保证了过渡改造结构的稳定安全运行，实现了对三相整流电路以及单相逆变电路的基础控制，并对该过渡改造结构存在的负序、谐波、无功等电能质量问题实现了综合治理，保障三相电网侧以及牵引网侧电能质量良好同时提升牵引网侧抗冲击能力。附图说明
图1为柔性牵引变电所过渡改造结构的示意图；
图2为本发明三相-单相变换器的结构示意图；
图3为本发明控制流程图；
图4为三相整流电路的内部控制结构示意图；
图5为单相逆变电路的内部控制结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，该柔性牵引变电所过渡改造结构包括第一牵引变电所、第二牵引变电所、第三牵引变电所、接触网、钢轨、第一电分相、第二电分相和第三电分相；第一牵引变电所连接接触网和钢轨；第三牵引变电所连接第二电分相的另一端、第三电分相、接触网和钢轨；
第二牵引变电所包括第二Vv牵引变压器、断路器QF1′、断路器QF2′、断路器QF3′、断路器QF4、第二柔性牵引变压器和第一供电臂β；第二传统Vv牵引变压器的原边三相与三相电网连接；第二传统Vv牵引变压器的副边第一相连接断路器QF1′的一端；第二传统Vv牵引变压器的副边第二相连接断路器QF2′的一端和第一供电臂β的一端；第二传统Vv牵引变压器的副边第三相连接断路器QF3′的一端和断路器QF4的一端；断路器QF1′的另一端、断路器QF2′的另一端和断路器QF3′的另一端分别连接第二柔性牵引变压器的输入端；断路器QF4的另一端连接第一电分相的一端和第二电分相的一端；第一供电臂β的另一端连接钢轨；第二柔性牵引变压器的第一输出端连接钢轨；第二柔性牵引变压器的第二输出端连接第一电分相的另一端和接触网；
第二柔性牵引变压器包括第二匹配变压器、第二三相-单相变流器；第二匹配变压器原边的第一相连接断路器QF1′的另一端；第二匹配变压器原边的第二相连接断路器QF2′的另一端；第二匹配变压器原边的第三相连接断路器QF3′的另一端；第二匹配变压器副边连接第二三相-单相变流器输入端；第二三相-单相变流器输出端作为第二柔性牵引变压器的输出端；第二匹配变压器的原边作为第二柔性牵引变压器的输入端。
第一牵引变电所包括第一Vv牵引变压器、断路器QF1、断路器QF2、断路器QF3、第一柔性牵引变压器；第一Vv牵引变压器的原边三相连接三相电网；第一Vv牵引变压器的副边的第一相连接断路器QF1的一端；第一传统Vv牵引变压器的副边的第二相连接断路器QF2的一端；第一传统Vv牵引变压器的副边的第三相连接断路器QF3的一端；断路器QF1的另一端、断路器QF2的另一端和断路器QF3的另一端分别连接第一柔性牵引变压器的输入端；第一柔性牵引变压器的第一输出端连接钢轨；第一柔性牵引变压器的第二输出端连接接触网和第一电分相的一端，但第一柔性牵引变压器的第二输出端与第一电分相的一端之间的接触网存在阻抗。
第一柔性牵引变压器包括第一匹配变压器和第一三相-单相变流器；第一匹配变压器的原边第一相连接断路器QF1的另一端；第一匹配变压器的原边第二相连接断路器QF2的另一端；第一匹配变压器的原边第三相连接断路器QF3的另一端；第一匹配变压器的副边连接第一三相-单相变流器的输入端；第一三相-单相变流器输出端作为第一柔性牵引变压器的输出端；第一匹配变压器的原边作为第一柔性牵引变压器的输入端。
第三牵引变电所包括第三Vv牵引变压器、断路器QF5、断路器QF6、断路器QF7、供电臂α、第二供电臂β；第三传统Vv牵引变压器的原边连接三相电网；第三传统Vv牵引变压器副边的第一相连接断路器QF5的一端；第三传统Vv牵引变压器副边的第二相连接断路器QF6的一端；第三传统Vv牵引变压器副边的第三相连接断路器QF7的一端；断路器QF5的另一端连接供电臂α的一端；供电臂α的另一端连接第二电分相的另一端和第三电分相的一端；断路器QF6的另一端连接钢轨；断路器QF7的另一端连接第二供电臂β的一端；第二供电臂β的另一端连接第三电分相的另一端和接触网。
如图2所示，三相-单相变流器包括输入滤波电路、三相整流电路、有极性电容Cd1、有极性电容Cd2、单相逆变电路、电感Ln和电容Cn；
所述输入滤波电路包括电感L1、电感L2和电感L3；电感L1的一端连接匹配变压器副边的第一相；电感L2的一端连接匹配变压器副边的第二相；电感L3的一端连接匹配变压器副边的第三相；
三相整流电路包括绝缘栅双极晶体管S11、绝缘栅双极晶体管S12、绝缘栅双极晶体管S13、绝缘栅双极晶体管S14、绝缘栅双极晶体管S21、绝缘栅双极晶体管S22、绝缘栅双极晶体管S23、绝缘栅双极晶体管S24、绝缘栅双极晶体管S31、绝缘栅双极晶体管S32、绝缘栅双极晶体管S33、绝缘栅双极晶体管S34、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5和二极管D6；电感L1的另一端连接绝缘栅双极晶体管S12的发射极和绝缘栅双极晶体管S13的集电极；电感L2的另一端连接绝缘栅双极晶体管S22的发射极和绝缘栅双极晶体管S23的集电极；电感L3的另一端连接绝缘栅双极晶体管S32的发射极和绝缘栅双极晶体管S33的集电极；绝缘栅双极晶体管S13的发射极连接绝缘栅双极晶体管S14的集电极和二极管D2的正极；二极管D2的负极连接二极管D1的正极、二极管D3的正极、二极管D5的正极、二极管D4的负极、二极管D6的负极、有极性电容Cd1的负极、有极性电容Cd2的正极和单相逆变电路的第三输入端；二极管D1的负极连接绝缘栅双极晶体管S12的集电极和绝缘栅双极晶体管S11的发射极；绝缘栅双极晶体管S23的发射极连接绝缘栅双极晶体管S24的集电极和二极管D4的正极；二极管D3的负极连接绝缘栅双极晶体管S22的集电极和绝缘栅双极晶体管S21的发射极；绝缘栅双极晶体管S33的发射极连接绝缘栅双极晶体管S34的集电极和二极管D6的正极；二极管D5的负极连接绝缘栅双极晶体管S32的集电极和绝缘栅双极晶体管S31的发射极；绝缘栅双极晶体管S11的集电极连接绝缘栅双极晶体管S21的集电极、绝缘栅双极晶体管S31的集电极、有极性电容Cd1的正极和单相逆变电路的第一输入端；绝缘栅双极晶体管S14的发射极连接绝缘栅双极晶体管S24发射极、绝缘栅双极晶体管S34的发射极有极性电容Cd2的负极和单相逆变电路的第二输入端；
单相逆变电路包括绝缘栅双极晶体管S41、绝缘栅双极晶体管S42、绝缘栅双极晶体管S43、绝缘栅双极晶体管S44、绝缘栅双极晶体管S51、绝缘栅双极晶体管S52、绝缘栅双极晶体管S53、绝缘栅双极晶体管S54、二极管D7、二极管D8、二极管D9和二极管D10；绝缘栅双极晶体管S41的集电极连接绝缘栅双极晶体管S51的集电极，作为单相逆变电路的第一输入端；绝缘栅双极晶体管S41的发射极连接绝缘栅双极晶体管S42的集电极和二极管D7的负极；绝缘栅双极晶体管S42的发射极连接绝缘栅双极晶体管S43的集电极和电容Cn的一端；绝缘栅双极晶体管S43的发射极连接绝缘栅双极晶体管S44的集电极和二极管D8的正极；二极管D8的负极连接二极管D7的正极、二极管D10的负极和二极管D9的正极，并作为单相逆变电路的第三输入端；绝缘栅双极晶体管S44的发射极和绝缘栅双极晶体管S54的发射极相连接，并作为单相逆变电路的第二输入端；绝缘栅双极晶体管S54的集电极连接绝缘栅双极晶体管S53的发射极和二极管D10的正极；绝缘栅双极晶体管S51的发射极连接绝缘栅双极晶体管S52的集电极和二极管D9的负极；绝缘栅双极晶体管S52的发射极连接缘栅双极晶体管S53的集电极和电感Ln的一端；
电感Ln的另一端连接电容Cn的另一端作为三相-单相变流器的第二输出端；电容Cn的一端作为三相-单相变流器的第一输出端。
如图3所示，一种柔性牵引变电所过渡改造结构的控制方法，包括以下步骤：
S1、获取相关电路信息，若待控制电路为三相整流电路，进入步骤S2；若待控制电路为单相逆变电路，进入步骤S6；
S2、根据获取的相关电路信息，建立并根据三相整流电路数学模型得到三相整流电路基频调制波；
S3、根据获取的相关电路信息，获取并根据三相电网侧负序电流分量得到三相电网侧负序调制波；
S4、根据获取的相关电路信息，获取并根据三相电网侧谐波电流分量得到三相电网侧谐波调制波；
S5、通过三相电网侧负序调制波、三相整流电路基频调制波和三相电网侧谐波调制波获得三相整流电路调制波，完成三相整流电路控制；
S6、根据获取的相关电路信息，得到单相逆变电路输出电压，并建立单相逆变电路数学模型；
S7、根据单相逆变电路数学模型得到单相逆变电路的基频调制波；
S8、根据单相逆变电路输出电压得到输出电压波动分量；
S9、根据单相逆变电路的基频调制波和输出电压波动分量得到单相逆变电路的调制波，完成单相逆变电路控制。
如图4所示，步骤S2的具体实现方式如下：
S2-1、根据公式：
得到三相整流电路在d-q坐标系下的三相整流电路数学模型；其中，Ls为三相整流电路输入滤波电感值；Rs为三相整流电路输入侧电阻；isd为三相整流电路前端输入电流在d轴的分量；isq为三相整流电路前端输入电流在q轴的分量；usd为三相整流电路前端输入电压在d轴的分量；usq为三相整流电路前端输入电压在q轴的分量；Uzd为三相整流电路桥输入端口电压在d轴的分量；Uzq为三相整流电路桥输入端口电压在q轴的分量；ω为角速度。
S2-2、对d-q坐标系下的三相整流电路数学模型的d轴和q轴电流环分别进行前馈解耦处理，得到如下基频电压控制的数学模型：
其中，Kip1为三相整流电路电流内环PI控制器的比例系数；Kil1为三相整流电路电流内环PI控制器的积分系数；i* sd、i* sq分别为有功、无功电流的参考值；s表示拉普拉斯变换，表示积分运算；
S2-3、基于基频电压控制的数学模型，将d-q坐标系下的Uzd、Uzq转换到三相静止abc坐标系下，得到三相静止abc坐标系下三相整流电路输入端口基频电压；
S2-4、根据三相静止abc坐标系下三相整流电路输入端口基频电压得到三相整流电路的基频调制波。
步骤S3的具体实现方式如下：
S3-1、根据公式：
得到第二柔性牵引变电所三相网侧电流分解结果；其中，isa为三相整流电路前端输入A相电流，isb为三相整流电路前端输入B相电流，isc为三相整流电路前端输入C相电流；I1为第二柔性牵引变电所三相网侧电流基频正序电流的幅值，I1 -为第二柔性牵引变电所三相网侧电流基频负序电流的幅值，为第二柔性牵引变电所三相网侧电流基频正序电流的初始相位，/>为第二柔性牵引变电所三相网侧电流基频负序电流的初始相位，In为第二柔性牵引变电所三相网侧电流n次谐波正序电流的幅值，In -为第二柔性牵引变电所三相网侧电流n次谐波负序电流的幅值，/>为第二柔性牵引变电所三相网侧电流n次谐波正序电流的初始相位，/>为第二柔性牵引变电所三相网侧电流n次谐波负序电流的初始相位；π为弧度制的角度；t为时间；
S3-2、根据公式：
得到对第二柔性牵引变电所三相网侧电流分解结果进行负序d-q变换的变换结果其中，/>为负序d-q变换矩阵；isd为三相整流电路前端输入电流在d轴的分量；isq为三相整流电路前端输入电流在q轴的分量；
S3-3、将变换结果通过低通滤波器，得到基频负序分量isdN和isqN，即得到三相电网侧负序电流分量；其中，isdN为三相整流电路前端输入负序电流在d轴的分量；isqN为三相整流电路前端输入负序电流在q轴的分量；
S3-4、根据公式：
得到负序电压UzdN和UzqN；其中，UzdN为三相整流电路输入端口负序电压在d轴的分量；UzqN为三相整流电路输入端口负序电压在q轴的分量；i* sdN、i* sqN分别为负序电流分量有功、无功电流的参考值；
S3-5、将d-q坐标系下负序电压UzdN和UzqN转换到三相静止abc坐标系下，得到三相静止abc坐标系下的三相整流电路输入端口负序电压；
S3-6、根据三相静止abc坐标系下三相整流电路输入端口负序电压，得到三相电网侧负序调制波。
步骤S4的具体实现方式如下：
S4-1、根据公式：
构建存在谐波电流分量情况下的三相网侧电流表达式；其中Im为三相网侧m次谐波电流的幅值；为不同频率下网侧电流的初始相位；isa -、isb -和isc -为三相整流电路输入abc三相网侧电流；
S4-2、将存在谐波电流分量情况下的三相网侧电流表达式转换到d-q坐标系下，得到d-q坐标系下的存在谐波电流分量情况下的三相网侧电流表达式：
其中isd -为存在谐波电流分量情况下的三相整流电路输入电流在d轴的分量；isq -为存在谐波电流分量情况下的三相整流电路输入电流在q轴的分量；
S4-3、通过低通滤波器对和isq -滤除各次谐波电流分量，得到存在谐波电流分量情况下的三相网侧基频电流在d轴的分量/>和存在谐波电流分量情况下的三相网侧基频电流在q轴的分量/>表达式为/>其中/>为网侧基频电流的初始相位；I1为三相网侧基频电流有效值；
S4-4、将和/>转换到三相静止abc坐标系下，得到三相静止abc坐标系且存在谐波电流分量情况下的三相网侧基频电流/>和/>
S4-5、根据公式：
获取存在谐波电流分量情况下的三相整流电路输入a相、b相和c相的谐波电流iah、ibh和ich，即得到三相电网侧谐波电流分量；
S4-6、根据公式：
获取三相电网侧谐波调制波；其中uah、ubh和uch分别为abc三相的谐波调制波；K＝Ls/Ts，Ls为三相整流电路输入滤波电感，Ts为控制器采样周期。
如图5所示，步骤S6中的单相逆变电路数学模型如下所示：
其中，iLd和iLq分别为d-q坐标系下电感电流d轴的分量和q轴的分量；uod和uoq分别为d-q坐标系下单相逆变电路的输出电压d轴的分量和q轴的分量；iod和ioq分别为d-q坐标系下单相逆变电路的输出电流d轴的分量和q轴的分量；Cn为电容，Sd表示对d轴分量作拉普拉斯变换，Udc为直流侧电压；Ln为电感，Sq表示对q轴分量作拉普拉斯变换。
步骤S7的具体实现方式如下：
S7-1、根据公式：
得到单相逆变电路的有功电流参考值和单相逆变电路的无功电流参考值/>其中，Knp1和Kni1分别为单相逆变电路电压外环PI控制器的比例系数和积分系数；u* od和u* oq分别为有功电压和无功电压的参考值；
S7-2、根据公式：
得到单相逆变电路输出电压控制指令；其中，i* Ld和i* Lq分别为有功电流和无功电流的参考值；
S7-3、根据单相逆变电路输出电压控制指令下d-q坐标系下的单相逆变电路的输出电压，得到单相逆变电路的基频调制波的有功分量和无功分量；
S7-4、根据公式：
umdq＝uodcos(ωt)+uoqsin(ωt)
得到单相逆变电路的基频调制波。
步骤S8的具体实现方式如下：
S8-1、对单相逆变电路输出电压uo，进行三相静止abc坐标系到d-q坐标系的变换，得到d-q坐标系下逆变器输出电压有功分量uod与无功分量uoq；
S8-2、将d-q坐标系下逆变器输出电压有功分量uod与无功分量uoq通过低通滤波器，进行d-q坐标系到三相静止abc坐标系的变换，得到滤除电压波动后的单相逆变电路输出电压uoh；
S8-3、对单相逆变电路输出电压uo和滤除电压波动后的单相逆变电路输出电压uoh作差，得到单相逆变电路的电压波动分量uhz。
步骤S9的具体实现方式如下：根据公式：
um＝kpwm·umdq-uhz
得到单相逆变电路的调制波um；其中，kpwm为单相逆变电路的放大增益值，uhz为单相逆变电路电压波动分量；umqd为单相逆变电路的基频调制波。
在本发明的一个实施例中，对单相逆变电路的调制波进行离散化分析与高频下等效：
其中，um′(k+1)为k+1时刻离散状态下的单相逆变电路调制波，umqd(k+1)为k+1时刻离散状态下的单相逆变电路的基频调制波，uhz(k+1)为k+1时刻离散状态下的单相逆变电路的输出电压波动量；
当采样频率远大于单相逆变电路电压波动频率时，可将下一时刻电压波动值与当前时刻电压波动值进行等效，单相逆变电路假设的调制波可等效为：
根据分离单相逆变电路输出电压uo中的电压波动量，单相逆变电路输出电压中分离出的电压波动量uh与单相逆变调制波产生的电压波动量uhz相反，即uh＝-uhz，上述单相逆变电路的调制波可表达为：
将上述单相逆变电路假设的调制波表达式代入单相逆变电路输出电压表达式中，得离散状态下单相逆变电路输出电压表达式为：
根据离散状态下单相逆变电路输出电压表达式可知，在单相逆变电路基频调制波中注入检测到的电压波动量，可以有效抑制单相逆变电路输出电压波动。
本发明提升了改造变电所的供电能力与可靠性，保留了传统牵引供电侧抗冲击能力强的优势，降低牵引变电所的工程造价和维护成本。本发明实现了保证了过渡改造结构的稳定安全运行，实现了对三相整流电路以及单相逆变电路的基础控制，并对该过渡改造结构存在的负序、谐波等电能质量问题实现了综合治理，保证三相电网侧以及牵引网侧电能质量良好同时提升牵引网侧抗冲击能力。
Claims (12)
1.一种柔性牵引变电所过渡改造结构的控制方法，其特征在于，柔性牵引变电所过渡改造结构包括第一牵引变电所、第二牵引变电所、第三牵引变电所、接触网、钢轨、第一电分相、第二电分相和第三电分相；第一牵引变电所连接接触网和钢轨；第三牵引变电所连接第二电分相的另一端、第三电分相、接触网和钢轨；
第二牵引变电所包括第二传统Vv牵引变压器、断路器QF1′、断路器QF2′、断路器QF3′、断路器QF4、第二柔性牵引变压器和第一供电臂β；第二传统Vv牵引变压器的原边三相与三相电网连接；第二传统Vv牵引变压器的副边第一相连接断路器QF1′的一端；第二传统Vv牵引变压器的副边第二相连接断路器QF2′的一端和第一供电臂β的一端；第二传统Vv牵引变压器的副边第三相连接断路器QF3′的一端和断路器QF4的一端；断路器QF1′的另一端、断路器QF2′的另一端和断路器QF3′的另一端分别连接第二柔性牵引变压器的输入端；断路器QF4的另一端连接第一电分相的一端和第二电分相的一端；第一供电臂β的另一端连接钢轨；第二柔性牵引变压器的第一输出端连接钢轨；第二柔性牵引变压器的第二输出端连接第一电分相的另一端和接触网；
第二柔性牵引变压器包括第二匹配变压器、第二三相-单相变流器；第二匹配变压器原边的第一相连接断路器QF1′的另一端；第二匹配变压器原边的第二相连接断路器QF2′的另一端；第二匹配变压器原边的第三相连接断路器QF3′的另一端；第二匹配变压器副边连接第二三相-单相变流器输入端；第二三相-单相变流器输出端作为第二柔性牵引变压器的输出端；第二匹配变压器的原边作为第二柔性牵引变压器的输入端；
三相-单相变流器包括依次连接的输入滤波电路、三相整流电路和单相逆变电路；
控制方法包括以下步骤：
S1、获取相关电路信息，若待控制电路为三相整流电路，进入步骤S2；若待控制电路为单相逆变电路，进入步骤S6；
S2、根据获取的相关电路信息，建立并根据三相整流电路数学模型得到三相整流电路基频调制波；
S3、根据获取的相关电路信息，获取并根据三相电网侧负序电流分量得到三相电网侧负序调制波；
S4、根据获取的相关电路信息，获取并根据三相电网侧谐波电流分量得到三相电网侧谐波调制波；
S5、通过三相电网侧负序调制波、三相整流电路基频调制波和三相电网侧谐波调制波获得三相整流电路调制波，完成三相整流电路控制；
S6、根据获取的相关电路信息，得到单相逆变电路输出电压，并建立单相逆变电路数学模型；
S7、根据单相逆变电路数学模型得到单相逆变电路的基频调制波；
S8、根据单相逆变电路输出电压得到输出电压波动分量；
S9、根据单相逆变电路的基频调制波和输出电压波动分量得到单相逆变电路的调制波，完成单相逆变电路控制。
2.根据权利要求1所述的柔性牵引变电所过渡改造结构的控制方法，其特征在于，第一牵引变电所包括第一传统Vv牵引变压器、断路器QF1、断路器QF2、断路器QF3、第一柔性牵引变压器；第一传统Vv牵引变压器的原边三相连接三相电网；第一传统Vv牵引变压器的副边的第一相连接断路器QF1的一端；第一传统Vv牵引变压器的副边的第二相连接断路器QF2的一端；第一传统Vv牵引变压器的副边的第三相连接断路器QF3的一端；断路器QF1的另一端、断路器QF2的另一端和断路器QF3的另一端分别连接第一柔性牵引变压器的输入端；第一柔性牵引变压器的第一输出端连接钢轨；第一柔性牵引变压器的第二输出端连接接触网和第一电分相的另一端。
3.根据权利要求2所述的柔性牵引变电所过渡改造结构的控制方法，其特征在于，第一柔性牵引变压器包括第一匹配变压器和第一三相-单相变流器；第一匹配变压器的原边第一相连接断路器QF1的另一端；第一匹配变压器的原边第二相连接断路器QF2的另一端；第一匹配变压器的原边第三相连接断路器QF3的另一端；第一匹配变压器的副边连接第一三相-单相变流器的输入端；第一三相-单相变流器输出端作为第一柔性牵引变压器的输出端；第一匹配变压器的原边作为第一柔性牵引变压器的输入端。
4.根据权利要求1所述的柔性牵引变电所过渡改造结构的控制方法，其特征在于，第三牵引变电所包括第三传统Vv牵引变压器、断路器QF5、断路器QF6、断路器QF7、供电臂α、第二供电臂β；第三传统Vv牵引变压器的原边连接三相电网；第三传统Vv牵引变压器副边的第一相连接断路器QF5的一端；第三传统Vv牵引变压器副边的第二相连接断路器QF6的一端；第三传统Vv牵引变压器副边的第三相连接断路器QF7的一端；断路器QF5的另一端连接供电臂α的一端；供电臂α的另一端连接第二电分相的另一端和第三电分相的一端；断路器QF6的另一端连接钢轨；断路器QF7的另一端连接第二供电臂β的一端；第二供电臂β的另一端连接第三电分相的另一端和接触网。
5.根据权利要求1或3所述的柔性牵引变电所过渡改造结构的控制方法，其特征在于，三相-单相变流器还包括有极性电容C d1、有极性电容C d2、电感L n和电容C n；
所述输入滤波电路包括电感L 1、电感L 2和电感L 3；电感L 1的一端连接匹配变压器副边的第一相；电感L 2的一端连接匹配变压器副边的第二相；电感L 3的一端连接匹配变压器副边的第三相；
三相整流电路包括绝缘栅双极晶体管S11、绝缘栅双极晶体管S12、绝缘栅双极晶体管S13、绝缘栅双极晶体管S14、绝缘栅双极晶体管S21、绝缘栅双极晶体管S22、绝缘栅双极晶体管S23、绝缘栅双极晶体管S24、绝缘栅双极晶体管S31、绝缘栅双极晶体管S32、绝缘栅双极晶体管S33、绝缘栅双极晶体管S34、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5和二极管D6；电感L 1的另一端连接绝缘栅双极晶体管S12的发射极和绝缘栅双极晶体管S13的集电极；电感L 2的另一端连接绝缘栅双极晶体管S22的发射极和绝缘栅双极晶体管S23的集电极；电感L 3的另一端连接绝缘栅双极晶体管S32的发射极和绝缘栅双极晶体管S33的集电极；绝缘栅双极晶体管S13的发射极连接绝缘栅双极晶体管S14的集电极和二极管D2的正极；二极管D2的负极连接二极管D1的正极、二极管D3的正极、二极管D5的正极、二极管D4的负极、二极管D6的负极、有极性电容C d1的负极、有极性电容C d2的正极和单相逆变电路的第三输入端；二极管D1的负极连接绝缘栅双极晶体管S12的集电极和绝缘栅双极晶体管S11的发射极；绝缘栅双极晶体管S23的发射极连接绝缘栅双极晶体管S24的集电极和二极管D4的正极；二极管D3的负极连接绝缘栅双极晶体管S22的集电极和绝缘栅双极晶体管S21的发射极；绝缘栅双极晶体管S33的发射极连接绝缘栅双极晶体管S34的集电极和二极管D6的正极；二极管D5的负极连接绝缘栅双极晶体管S32的集电极和绝缘栅双极晶体管S31的发射极；绝缘栅双极晶体管S11的集电极连接绝缘栅双极晶体管S21的集电极、绝缘栅双极晶体管S31的集电极、有极性电容C d1的正极和单相逆变电路的第一输入端；绝缘栅双极晶体管S14的发射极连接绝缘栅双极晶体管S24发射极、绝缘栅双极晶体管S34的发射极有极性电容C d2的负极和单相逆变电路的第二输入端；
单相逆变电路包括绝缘栅双极晶体管S41、绝缘栅双极晶体管S42、绝缘栅双极晶体管S43、绝缘栅双极晶体管S44、绝缘栅双极晶体管S51、绝缘栅双极晶体管S52、绝缘栅双极晶体管S53、绝缘栅双极晶体管S54、二极管D7、二极管D8、二极管D9和二极管D10；绝缘栅双极晶体管S41的集电极连接绝缘栅双极晶体管S51的集电极，作为单相逆变电路的第一输入端；绝缘栅双极晶体管S41的发射极连接绝缘栅双极晶体管S42的集电极和二极管D7的负极；绝缘栅双极晶体管S42的发射极连接绝缘栅双极晶体管S43的集电极和电容C n的一端；绝缘栅双极晶体管S43的发射极连接绝缘栅双极晶体管S44的集电极和二极管D8的正极；二极管D8的负极连接二极管D7的正极、二极管D10的负极和二极管D9的正极，并作为单相逆变电路的第三输入端；绝缘栅双极晶体管S44的发射极和绝缘栅双极晶体管S54的发射极相连接，并作为单相逆变电路的第二输入端；绝缘栅双极晶体管S54的集电极连接绝缘栅双极晶体管S53的发射极和二极管D10的正极；绝缘栅双极晶体管S51的发射极连接绝缘栅双极晶体管S52的集电极和二极管D9的负极；绝缘栅双极晶体管S52的发射极连接缘栅双极晶体管S53的集电极和电感L n的一端；
电感L n的另一端连接电容C n的另一端作为三相-单相变流器的第二输出端；电容C n的一端作为三相-单相变流器的第一输出端。
6.根据权利要求1所述的柔性牵引变电所过渡改造结构的控制方法，其特征在于，步骤S2的具体方法包括以下子步骤：
S2-1、根据公式：
得到三相整流电路在d-q坐标系下的三相整流电路数学模型；其中，L s为三相整流电路输入滤波电感值；R s为三相整流电路输入侧电阻；i sd为三相整流电路前端输入电流在d轴的分量；i sq为三相整流电路前端输入电流在q轴的分量；u sd为三相整流电路前端输入电压在d轴的分量；u sq为三相整流电路前端输入电压在q轴的分量；U zd为三相整流电路桥输入端口电压在d轴的分量；U zq为三相整流电路桥输入端口电压在q轴的分量；ω为角速度；
S2-2、对d-q坐标系下的三相整流电路数学模型的d轴和q轴电流环分别进行前馈解耦处理，得到如下基频电压控制的数学模型：
其中，K ip1为三相整流电路电流内环PI控制器的比例系数；K il1为三相整流电路电流内环PI控制器的积分系数；i * sd、i * sq分别为有功、无功电流的参考值；s表示拉普拉斯变换，表示积分运算；
S2-3、基于基频电压控制的数学模型，将d-q坐标系下的U zd、U zq转换到三相静止abc坐标系下，得到三相静止abc坐标系下三相整流电路输入端口基频电压；
S2-4、根据三相静止abc坐标系下三相整流电路输入端口基频电压得到三相整流电路的基频调制波。
7.根据权利要求6所述的柔性牵引变电所过渡改造结构的控制方法，其特征在于，步骤S3的具体方法包括以下子步骤：
S3-1、根据公式：
得到第二柔性牵引变电所三相网侧电流分解结果；其中，i sa为三相整流电路前端输入A相电流，i sb为三相整流电路前端输入B相电流，i sc为三相整流电路前端输入C相电流；I 1为第二柔性牵引变电所三相网侧电流基频正序电流的幅值，I 1 -为第二柔性牵引变电所三相网侧电流基频负序电流的幅值，φ 1为第二柔性牵引变电所三相网侧电流基频正序电流的初始相位，φ 1 -为第二柔性牵引变电所三相网侧电流基频负序电流的初始相位，I n为第二柔性牵引变电所三相网侧电流n次谐波正序电流的幅值，I n -为第二柔性牵引变电所三相网侧电流n次谐波负序电流的幅值，φ n为第二柔性牵引变电所三相网侧电流n次谐波正序电流的初始相位，φ n -为第二柔性牵引变电所三相网侧电流n次谐波负序电流的初始相位；π为弧度制的角度；t为时间；
S3-2、根据公式：
得到对第二柔性牵引变电所三相网侧电流分解结果进行负序d-q变换的变换结果；其中，/>为负序d-q变换矩阵；i sd为三相整流电路前端输入电流在d轴的分量；i sq为三相整流电路前端输入电流在q轴的分量；
S3-3、将变换结果通过低通滤波器，得到基频负序分量i sdN和i sqN，即得到三相电网侧负序电流分量；其中，i sdN为三相整流电路前端输入负序电流在d轴的分量；i sqN为三相整流电路前端输入负序电流在q轴的分量；
S3-4、根据公式：
得到负序电压U zdN和U zqN；其中，U zdN为三相整流电路输入端口负序电压在d轴的分量；U zqN为三相整流电路输入端口负序电压在q轴的分量；i * sdN、i * sqN分别为负序电流分量有功、无功电流的参考值；
S3-5、将d-q坐标系下负序电压U zdN和U zqN转换到三相静止abc坐标系下，得到三相静止abc坐标系下的三相整流电路输入端口负序电压；
S3-6、根据三相静止abc坐标系下三相整流电路输入端口负序电压，得到三相电网侧负序调制波。
8.根据权利要求7所述的柔性牵引变电所过渡改造结构的控制方法，其特征在于，步骤S4的具体方法包括以下子步骤：
S4-1、根据公式：
构建存在谐波电流分量情况下的三相网侧电流表达式；其中为三相网侧m次谐波电流的幅值；/>为不同频率下网侧电流的初始相位；/>、/>和/>为三相整流电路输入abc三相网侧电流；
S4-2、将存在谐波电流分量情况下的三相网侧电流表达式转换到d-q坐标系下，得到d-q坐标系下的存在谐波电流分量情况下的三相网侧电流表达式：
其中为存在谐波电流分量情况下的三相整流电路输入电流在d轴的分量；/>为存在谐波电流分量情况下的三相整流电路输入电流在q轴的分量；
S4-3、通过低通滤波器对和/>滤除各次谐波电流分量，得到存在谐波电流分量情况下的三相网侧基频电流在d轴的分量/>和存在谐波电流分量情况下的三相网侧基频电流在q轴的分量/>；表达式为/>；其中/>为网侧基频电流的初始相位；/>为三相网侧基频电流有效值；
S4-4、将和/>转换到三相静止abc坐标系下，得到三相静止abc坐标系且存在谐波电流分量情况下的三相网侧基频电流/>、/>和/>；
S4-5、根据公式：
获取存在谐波电流分量情况下的三相整流电路输入a相、b相和c相的谐波电流、/>和，即得到三相电网侧谐波电流分量；
S4-6、根据公式：
获取三相电网侧谐波调制波；其中、/>和/>分别为abc三相的谐波调制波；K=L s/T s，L s为三相整流电路输入滤波电感，T s为控制器采样周期。
9.根据权利要求8所述的柔性牵引变电所过渡改造结构的控制方法，其特征在于，步骤S6中的单相逆变电路数学模型如下所示：
其中，i Ld和i Lq分别为d-q坐标系下电感电流d轴的分量和q轴的分量；u od和u oq分别为d-q坐标系下单相逆变电路的输出电压d轴的分量和q轴的分量；i od和i oq分别为d-q坐标系下单相逆变电路的输出电流d轴的分量和q轴的分量；C n为电容，S d表示对d轴分量作拉普拉斯变换，U dc为直流侧电压；L n为电感，S q表示对q轴分量作拉普拉斯变换。
10.根据权利要求9所述的柔性牵引变电所过渡改造结构的控制方法，其特征在于，步骤S7的具体实现方式如下：
S7-1、根据公式：
得到单相逆变电路的有功电流参考值和单相逆变电路的无功电流参考值/>；其中，K np1和K ni1分别为单相逆变电路电压外环PI控制器的比例系数和积分系数；u * od和u * oq分别为有功电压和无功电压的参考值；
S7-2、根据公式：
得到单相逆变电路输出电压控制指令；其中，i * Ld和i * Lq分别为有功电流和无功电流的参考值；
S7-3、根据单相逆变电路输出电压控制指令下d-q坐标系下的单相逆变电路的输出电压，得到单相逆变电路的基频调制波的有功分量和无功分量；
S7-4、根据公式：
得到单相逆变电路的基频调制波。
11.根据权利要求10所述的柔性牵引变电所过渡改造结构的控制方法，其特征在于，步骤S8的具体实现方式如下：
S8-1、对单相逆变电路输出电压u o，进行三相静止abc坐标系到d-q坐标系的变换，得到d-q坐标系下逆变器输出电压有功分量u od与无功分量u oq；
S8-2、将d-q坐标系下逆变器输出电压有功分量u od与无功分量u oq通过低通滤波器，进行d-q坐标系到三相静止abc坐标系的变换，得到滤除电压波动后的单相逆变电路输出电压u oh；
S8-3、对单相逆变电路输出电压u o和滤除电压波动后的单相逆变电路输出电压u oh作差，得到单相逆变电路的电压波动分量u hz。
12.根据权利要求11所述的柔性牵引变电所过渡改造结构的控制方法，其特征在于，步骤S9的具体实现方式如下：
根据公式：
得到单相逆变电路的调制波；其中，k pwm为单相逆变电路的放大增益值，u hz为单相逆变电路电压波动分量；u mqd为单相逆变电路的基频调制波。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| "基于级联－并联变换器的贯通式牵引变电所系统研究";何晓琼等;《铁道学报》;20170831;第39卷(第8期);第52-61页 * |
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| CN116890709A (zh) | 2023-10-17 |
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