CN109787258B - 一种V/v牵引供电系统负序电流的控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种V/v牵引供电系统负序电流的控制系统及方法，系统包括第一供电臂、第二供电臂、第一降压变压器、第二降压变压器和铁路功率调节器，铁路功率调节器包括两个交流回路、两个变流器和直流回路，方法包括检测两供电臂负荷电流的瞬时值；利用单相锁相环得到两供电臂负荷电流的相位和有效值；进而得到两供电臂的参考指令有功电流有效值和参考指令无功电流的有效值，从而得到两变流器的参考指令电流；根据参考指令电流通过无源策略得到变流器的输出电压，使得铁路功率调节器输出电流被跟踪控制。本发明将RPC的数学模型转化为哈密顿模型，提出了一种较为简便的基于PCHD模型的无源控制策略，具有鲁棒性好，响应速度快，设计简单等优点。

Description

一种V/v牵引供电系统负序电流的控制系统及方法

技术领域

本发明属于电能质量治理技术领域，更具体地，涉及一种V/v牵引供电系统负序电流的控制系统及方法。

背景技术

随着现代电力电子和自动控制技术的快速发展，其在铁路行业中的使用日益广泛，这为现代铁路系统的发展注入了巨大的活力，但与此同时也对牵引供电系统提出了挑战。牵引变压器的接线方式和电力机车的供电驱动方式，均会对牵引供电系统造成某种程度的污染，这种污染对于公用电网和电力机车的安全、稳定、高效、经济运行与控制带来了不可忽视的消极影响。在电气化铁路三相电网的系统阻抗作用下，电网中的负序电流会引起负序电压，造成三相电网侧电压的不平衡，一般用电压不平衡度来评价其负序含量。我国电气化铁路的负序问题主要体现在一些电网系统比较薄弱的地区，随着大功率电力机车的不断普及，负序问题将成为电能质量问题的一个重要方面，负序电流主要有增大同步电机损耗、降低变压器利用率、导致继保装置误动作等危害。根据所用牵引变压器的不同形成各种类型的牵引供电系统，V/v牵引供电系统采用V/v牵引变压器，该牵引变压器原边接成“V”字型，中间端点连接到轨道，另外两个端点分别连接到A、 B两相上，变压器的副边也接成“V”字型，中间端点连接到轨道，另外两个端点分别连接到相邻两个供电臂上。三相V/v变压器以其结构简单、容量利用率高的优点为中国铁路牵引供电系统采用，但三相V/v变压器为不平衡变压器，当三相V/v变压器二次侧的两供电臂有功功率相等时，在三相电流侧仍存在50％的负序电流。因此，采用三相V/v变压器的电气化铁路供电系统的负序治理方法值得深入研究。

中国杂志《中国电机工程学报》2011年第31卷第7期名称为“牵引变电所电能质量混合动态治理技术”针对V/V牵引变压器公开了一种由多级大容量的晶闸管投切电容器和一台小容量静止无功发生器构成的低成本混合动态补偿系统。晶闸管投切电容器根据负载对无功功率进行分级补偿，静止无功发生器对晶闸管投切电容器补偿差进行补偿，并通过对两臂无功功率进行优化控制以减少负序电流。文章所提系统无法完全补偿负序电流，并且晶闸管投切电容器的切换影响控制效果。中国杂志《吉首大学学报》 2017年第38卷第2期名称为“静止坐标系下铁路功率调节器电流谐振控制”设计了基于V/v牵引变压器的铁路功率调节器准比例谐振(QPR)控制器，所提控制策略可以对负序电流进行完全补偿，但该控制策略的响应速度慢，动态性能不足。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种治理V/v牵引供电系统负序的控制方法，由此解决现有技术存在V/v牵引供电系统对公用电网造成负序污染等技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种V/v牵引供电系统负序电流的控制系统，包括第一供电臂、第二供电臂、第一降压变压器、第二降压变压器和铁路功率调节器，铁路功率调节器分别通过第一降压变压器和第二降压变压器并联在第一供电臂和第二供电臂之间；

铁路功率调节器包括两个交流回路、两个变流器和直流回路，第一交流回路由第一电阻和第一电感串联组成，第二交流回路由第二电阻和第二电感串联组成，第一变流器和第二变流器均为单相电压源变流器，其共有两个桥臂，每个桥臂均由两组可关断器件及其相应的反并联续流二极管构成，直流回路由直流侧电容构成，第一变流器和第二变流器共用同一直流回路。

按照本发明的另一方面，提供了一种V/v牵引供电系统负序电流的控制方法，包括：

连接在两供电臂之间的铁路功率调节器通过无源控制策略控制两供电臂负荷电压；

检测两供电臂负荷电流的瞬时值i_1L、i_2L；

根据两供电臂负荷电流的瞬时值利用单相锁相环得到两供电臂负荷电流的相位θ₁、θ₂，并基于瞬时无功功率理论得到两供电臂负荷电流的有效值 I_1L、I_2L；

根据两供电臂负荷电流的相位和有效值得到两供电臂的参考指令有功电流有效值和参考指令无功电流的有效值，进而得到两变流器的参考指令电流；

根据参考指令电流通过无源策略得到变流器的输出电压，使得铁路功率调节器输出电流被跟踪控制。

其中，两供电臂的参考指令有功电流有效值I_1cpref、I_2cpref分别表示为：

两供电臂的参考指令无功电流有效值I_1cqref、I_2cqref分别表示为：

两变流器的参考指令电流i′_1cref、i′_2cref分别表示为：

其中，

分别为两降压变压器的电压比。

进一步地，无源策略包括铁路功率调节器通过端口受控哈密顿模型输出SPWM信号，控制变流器输出电压与参考电压一致。其中，带耗散的端口受控哈密顿模型表示为：

其中，R₁、R₂分别为两变流器输出电阻，r₁、r₂为系统阻尼矩阵

的参数，i′_1cref、i′_2cref分别为两变流器的参考指令电流，i_1c、i_2c分别为两变流器的输出电流，u′_1s、u′_2s分别为两降压变压器低压侧的电压，u_1c、u_2c分别为两变流器的输出电压。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，采用加装铁路功率调节器(RPC,Railway Static Power Conditioner)的思路对V/v 牵引供电系统产生的负序电流加以治理。本发明将RPC的数学模型转化为哈密顿模型下的数学表达式，在此基础上，提出了一种较为简便的基于 PCHD模型的无源控制策略，该控制策略具有鲁棒性好，响应速度快，设计简单等优点。

附图说明

图1是是本发明实施例提供的V/v牵引供电系统拓扑结构图；

图2(a) 是本发明实施例提供的牵引供电系统相关物理量的向量图，图 2(b) 是本发明实施例提供的补偿负荷无功的原理图，图2(c)是本发明实施例提供的转移两供电臂有功电流的原理图，图 2(d) 是本发明实施例提供的补偿负序无功的原理图；

图3是本发明实施例提供的负序电流检测图；

图4是本发明实施例提供的参考指令电流计算结构图；

图5是本发明实施例提供的RPC主电路图；

图6是本发明实施例提供的无源控制框图；

图7是本发明实施例提供的整个铁路功率调节器控制策略图；

图8(a)是本发明实施例1提供的供电臂1应该补偿和实际补偿电流的仿真波形图；

图8(b)是本发明实施例1提供的供电臂2应该补偿和实际补偿电流的仿真波形图；

图8(c)是本发明实施例1提供的电网电流仿真波形图；

图8(d)是本发明实施例1提供的电网电流负序分量仿真波形图；

图8(e)是本发明实施例1提供的电网电流正序分量仿真波形图；

图9(a)是本发明实施例2提供的供电臂1应该补偿和实际补偿电流的仿真波形图；

图9(b)是本发明实施例2提供的供电臂2应该补偿和实际补偿电流的仿真波形图；

图9(c)是本发明实施例2提供的电网电流仿真波形图；

图9(d)是本发明实施例2提供的电网电流负序分量仿真波形图；

图9(e)是本发明实施例2提供的电网电流正序分量仿真波形图；

图10(a)是本发明实施例3提供的供电臂1应该补偿和实际补偿电流的仿真波形图；

图10(b)是本发明实施例3提供的供电臂2应该补偿和实际补偿电流的仿真波形图；

图10(c)是本发明实施例3提供的电网电流仿真波形图；

图10(d)是本发明实施例3提供的电网电流负序分量仿真波形图；

图10(e)是本发明实施例3提供的电网电流正序分量仿真波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例中所涉及的各主要变量或缩写的物理意义列于下表1中。

表1

图1为本发明实施例提供的控制系统的拓扑结构图，整个系统主要包括V/v牵引变压器、供电臂、电力机车、降压变压器和加装的RPC。三相 220kV的电网电压经V/v变压器变为2个27.5kV的单相电压，分别连接到牵引供电系统的供电臂中。加装的RPC经线路滤波器后通过降压变压器的形式并联接入供电臂上，用于对供电臂电流进行补偿，当有电力机车运行时，通过对RPC的有效控制，可消除V/v牵引供电系统在公共电网中产生的负序电流。

图2(a)为牵引供电系统相关物理量的向量图，假设供电臂2上的负荷电流大于供电臂1。图中

分别为电网ABC三相电压，

分别为供电臂1和2的电压，

分别为供电臂1和2的负荷电流。θ₁、θ₂分别为供电臂1和2的功率因数角。

图2(b)为补偿负荷无功的原理图。将

沿着

的方向和垂直

的方向进行分解，同理，将

沿着

的方向和垂直

的方向进行分解，其有功和无功电流有效值分别为

式中I_1L、I_2L分别为

的有效值。

RPC的两个变流器分别发出大小为

的无功电流用来抵消负荷无功，这样两供电臂的负载被补偿为纯阻性负载。

图2(c)为转移两供电臂有功电流的原理图。通过控制策略将供电臂 2的有功电流等于供电臂1的有功电流。那么需要转移的有功电流的有效值分别为

图2(d)为补偿负序无功的原理图。有功转移后，两臂中有功电流达到平衡，仍然存在负序电流，还需补偿相应的负序无功使得供电臂1的电流与A相同相位，供电臂2的电流与B相同相位，那么需要转移的负序无功电流的有效值分别为

综上，RPC两变流器分别需要补偿的无功分量有效值为

RPC两变流器分别需要补偿的有功分量有效值为

因此，所述铁路功率调节器应该输出的补偿电流为：

其中，

分别为两降压变压器的电压比。

图3为负序电流检测图，利用瞬时功率理论实现电流的实时检测，其中LPF为低通滤波器。根据瞬时功率理论，将两臂中负载电流分别与其对应的同步信号sin(ω₁t-30°-θ₁)、sin(ω₁t-90°-θ₂)相乘，得到两臂中负载瞬时有功电流，经低通滤波处理后，得到负载瞬时有功电流的有效值，最后求出 RPC两变流器应该输出有功、无功电流的有效值。

图4为本发明实施例提供的参考指令电流计算结构图，对图2的相位进行分析，以供电臂1电压

的相位为参考方向，求出供电臂1机车负载的功率因数角γ₁，由此得到i_1cref的相位。然后，可以求出i_1cref的幅值

由于降压变压器T₁存在，将i_1cref乘以的变比

得到VSC₁补偿负序的参考指令电流i′_1cref。同理，可求得VSC₂的参考指令电流i′_2cref。

图5是RPC的主电路，为实现对变流器输出电流的有效控制，基于基尔霍夫电压定律得到RPC主电路数学模型为：

式中，L₁、L₂分别为两变流器输出电感，R₁、R₂分别为两变流器输出电阻，i_1c、i_2c分别为两变流器的输出电流，u′_1s、u′_2s分别为两降压变压器低压侧的电压，u_1c、u_2c分别为两变流器的输出电压。

进一步地，为采用无源控制策略来实现控制目标，需将RPC主电路数学模型转换为PCHD模型下的数学表达式，其可表示为：

式中，x(t)、u(t)和y(t)分别表示系统状态、控制的输入和系统的输出。系统的状态和输入变量分别为：

系统的Hamilton能量函数为

系统的互联矩阵和阻尼矩阵如下式所示，且J＝-J^T和

基于PCHD模型的无源控制目标就是得到控制输入u，确保系统渐近稳定在期望的平衡点x^*附近。

构造一个加入反馈控制后的闭环期望能量函数H_d(x)，使得它在x^*处取最小值。寻求反馈控制u＝β(x)，使闭环系统为

式中，J_d、

分别为期望的互联和阻尼矩阵，且

设待定的互联和阻尼矩阵为

取闭环系统期望的Hamilton函数为

推导出相应的控制规律为

然后与PCHD模型下的数学表达式结合得到

则可解出反馈u＝β(x)为

根据上述的控制规律，可得

当x＝x^*时，

且

证明H_d在x^*处取得极小值，并且整个闭环系统在平衡点是渐近稳定的，无源控制的框图如图6所示。

图7是本发明实施例提供的整个铁路功率调节器控制策略图，图中U_dc表示背靠背变流器的电容电压。

下面以两个具体的例子来说明：

实施例1

为验证本发明所提出的控制策略的有效性和可行性，搭建了如图1所示的模型。本算例设置供电臂1空载，供电臂2有电力机车运行，RPC出线电感分别设为5mH，降压变压器T₁和T₂的变比为27.5:1，直流侧电压的控制目标为5kV。设置5s后RPC投入使用。

现将算例仿真结果进行分析以说明本发明的有效性和可行性(本专利不涉及谐波电流)。从图8(a)可以看出，5s后供电臂1开始输出补偿电流，并且很好地跟踪参考指令电流；从图8(b)可以看出，5s后供电臂2同样开始输出补偿电流，并且很好地跟踪参考指令电流；从图8(c)可以看出， 5s前电网A相电流为0，B相与C相电流大小相等，方向相反，5s后，经过RPC的控制，电网A、B、C三相电流平衡；从图8(d)可以看出，5s 前电网电流存在负序电流，5s后消除了负序电流；从图8(e)可以看出， 5s前和5s的电流正序分量保持一致。

实施例2

本算例设置供电臂2空载，供电臂1有电力机车运行，RPC出线电感同样分别为5mH，降压变压器T1和T2的变比为27.5:1，直流侧电压的控制目标为5kV。同样，设置5s后RPC投入使用。

现将算例仿真结果进行分析。从图9(a)可以看出，5s后供电臂1开始输出补偿电流，并且很好地跟踪参考指令电流；从图9(b)可以看出， 5s后供电臂2同样开始输出补偿电流，并且很好地跟踪参考指令电流；从图9(c)可以看出，5s前电网C相电流为0，A相与B相电流大小相等，方向相反，5s后，电网A、B、C三相电流平衡；从图9(d)可以看出， 5s前电网电流存在负序电流，5s后消除了负序电流；从图9(e)可以看出， 5s前和5s的电流正序分量保持一致。

实施例3

本算例设置供电臂1和供电臂2都有电力机车运行，且供电臂2的电力机车功率大于供电臂1的电力机车功率。RPC出线电感分别为5mH，降压变压器T1和T2的变比为27.5:1，直流侧电压为5kV。同样，设置5s后 RPC投入使用。

现将算例仿真结果进行分析。从图10(a)可以看出，5s后供电臂1 开始输出补偿电流，并且很好地跟踪参考指令电流；从图10(b)可以看出， 5s后供电臂2同样开始输出补偿电流，并且很好地跟踪参考指令电流；从图10(c)可以看出，5s前电网A、B、C相三相均有电流且三相电流不平衡，5s后经RPC的投入使用，电网A、B、C的电流变为三相对称；从图 10(d)可以看出，5s前电网电流存在负序电流，5s后消除了负序电流；从图10(e)可以看出，5s前和5s的电流正序分量保持一致。

以上三个算例充分说明了RPC治理V/v牵引供电系统负序方法的有效性和可行性。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于以上所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种V/v牵引供电系统负序电流的控制方法，该V/v牵引供电系统包括第一供电臂、第二供电臂、第一降压变压器、第二降压变压器和铁路功率调节器，铁路功率调节器分别通过所述第一降压变压器和所述第二降压变压器并联在所述第一供电臂和所述第二供电臂之间；

所述铁路功率调节器包括两个交流回路、两个变流器和直流回路，第一交流回路由第一电阻和第一电感串联组成，第二交流回路由第二电阻和第二电感串联组成，第一变流器和第二变流器均为单相电压源变流器，其共有两个桥臂，每个桥臂均由两组可关断器件及其相应的反并联续流二极管构成，直流回路由直流侧电容构成，第一变流器和第二变流器共用同一直流回路，其特征在于，包括：

连接在两供电臂之间的铁路功率调节器通过无源策略控制两供电臂负荷电压；

检测所述两供电臂负荷电流的瞬时值i_1L、i_2L；

根据所述两供电臂负荷电流的瞬时值利用单相锁相环得到两供电臂负荷电流的相位θ₁、θ₂，并基于瞬时无功功率理论得到两供电臂负荷电流的有效值I_1L、I_2L；

根据所述两供电臂负荷电流的相位和有效值得到两供电臂的参考指令有功电流有效值和参考指令无功电流的有效值，进而得到所述两变流器的参考指令电流；

根据所述参考指令电流通过无源策略得到变流器的输出电压，使得铁路功率调节器输出电流被跟踪控制；所述无源策略包括铁路功率调节器通过端口受控哈密顿模型输出SPWM信号，控制变流器输出电压与参考电压一致；所述端口受控哈密顿模型：

其中，R₁、R₂分别为两变流器输出电阻，r₁、r₂为系统阻尼矩阵

的参数，i′_1cref、i′_2cref分别为两变流器的参考指令电流，i_1c、i_2c分别为两变流器的输出电流，u′_1s、u′_2s分别为两降压变压器低压侧的电压，u_1c、u_2c分别为两变流器的输出电压。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述两供电臂的参考指令有功电流有效值I_1cpref、I_2cpref分别表示为：

所述两供电臂的参考指令无功电流有效值I_1cqref、I_2cqref分别表示为：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述两变流器的参考指令电流i′_1cref、i′_2cref分别表示为：

其中，

分别为两降压变压器的电压比。

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