一種直接ac-ac型鐵路牽引功率調(diào)節(jié)器的分層控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種鐵路牽引系統(tǒng)的電能質(zhì)量治理領(lǐng)域，特別是一種直接ac-ac型鐵 路牽引功率調(diào)節(jié)器的分層控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高速電氣化鐵路作為當(dāng)代高新技術(shù)的集成，具有運(yùn)能大、能耗低、污染小、安全舒 適等優(yōu)勢(shì)，是可持續(xù)性和環(huán)境友好性的運(yùn)輸模式，是國(guó)家創(chuàng)新能力、綜合國(guó)力以及國(guó)家現(xiàn)代 化程度的重要標(biāo)志之一。然而，高速電氣化鐵路由于其獨(dú)特的供電方式和機(jī)車(chē)負(fù)載特性，給 電力系統(tǒng)帶來(lái)了負(fù)序、諧波、電壓波動(dòng)和閃變等電能質(zhì)量問(wèn)題，降低了電力系統(tǒng)的供電質(zhì) 量，影響鄰近電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。近年來(lái)，隨著高速鐵路供電系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展和壯大，由 此帶來(lái)的負(fù)序和無(wú)功等電能質(zhì)量問(wèn)題已越來(lái)越嚴(yán)重，必須采取有效的治理措施，來(lái)實(shí)現(xiàn)鐵 路牽引供電系統(tǒng)高質(zhì)、安全和經(jīng)濟(jì)供電。
[0003] 為了治理鐵路供電系統(tǒng)的負(fù)序、無(wú)功等電能質(zhì)量問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外有多種的電能質(zhì)量 補(bǔ)償方案被提出和應(yīng)用。有文獻(xiàn)采用斯科特(SCOTT)變壓器、阻抗匹配變壓器等平衡變壓器 結(jié)構(gòu)來(lái)減小負(fù)序電流平衡三相電流。在傳統(tǒng)的電力機(jī)車(chē)線(xiàn)路上，由于其功率因數(shù)較低，有文 獻(xiàn)采用安裝無(wú)源濾波器，無(wú)源部分容易與電網(wǎng)阻抗產(chǎn)生串并聯(lián)諧振。有文獻(xiàn)采用TCR型靜止 無(wú)功補(bǔ)償器(staticvarcompensator，SVC)對(duì)牽引變電所的無(wú)功進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，但是產(chǎn)生 諧波電流。有文獻(xiàn)提出了基于磁控電抗器的靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器，無(wú)諧波污染，但是動(dòng)態(tài) 補(bǔ)償能力有限。為了抑制電力機(jī)車(chē)和靜止無(wú)功補(bǔ)償器產(chǎn)生的諧波電流，有文獻(xiàn)采用混合型 有源濾波器對(duì)諧波電流進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，無(wú)源和有源混合在一起，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性不高。有 文獻(xiàn)提出采用全控型靜止同步發(fā)生器（StaticsynchronousCompensator，STATC0M)對(duì)牽 引系統(tǒng)的無(wú)功和諧波動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，但是STATC0M是安裝在三相高壓側(cè)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功率器件多， 成本昂貴。考慮到鐵路供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，日本學(xué)者提出了鐵路功率調(diào)節(jié)器(railway tractionpowerconditioner，RTPC)，利用背靠背的2個(gè)功率變流器安裝在供電系統(tǒng)的兩 供電臂上，兩者可以聯(lián)合進(jìn)行有功、無(wú)功及諧波控制，能實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)序和無(wú)功綜合補(bǔ)償。由于 鐵路機(jī)車(chē)負(fù)載是重性負(fù)載，容量大，所以補(bǔ)償裝置的容量需求也大。為了提高功率補(bǔ)償裝置 容量，有學(xué)者提出采用多模塊并聯(lián)形式組成一種多重化的鐵路功率調(diào)節(jié)器，單個(gè)背靠背功 率模塊單元各個(gè)變流器(H橋）的交流側(cè)通過(guò)降壓分裂變壓器的副邊分裂繞組并聯(lián)，直流側(cè) 電容相互獨(dú)立，通過(guò)載波移相實(shí)現(xiàn)多重化。該種結(jié)構(gòu)需要兩個(gè)降壓分裂變壓器，容量與補(bǔ)償 容量相當(dāng)?shù)?，從而?dǎo)致裝置的成本高，體積大笨重。
[0004] 傳統(tǒng)鐵路功率調(diào)節(jié)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。由于鐵路機(jī)車(chē)負(fù)載是重性負(fù)載，容量 大，所以補(bǔ)償裝置的容量需求也大。為了提高功率補(bǔ)償裝置容量，通過(guò)采用多模塊并聯(lián)形式 組成一種多重化的鐵路功率調(diào)節(jié)器，單個(gè)功率模塊單元是由兩個(gè)背靠背的Η橋變流器組成， 中間通過(guò)直流側(cè)電容連接在一起。每個(gè)功率模塊單元的兩Η橋變流器的交流側(cè)通過(guò)分裂變 壓器的副邊分裂繞組并聯(lián)，然后分裂變壓器的原邊與牽引供電臂的相連接。RTPC的左右兩 個(gè)Η橋變流器分別控制，并通過(guò)載波移相實(shí)現(xiàn)多重化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種直接ac-ac型鐵路牽 引功率調(diào)節(jié)器的分層控制方法。
[0006] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種直接ac-ac型鐵路牽引功 率調(diào)節(jié)器的分層控制方法，適用于雙星型全橋多電平結(jié)構(gòu)的高速鐵路補(bǔ)償系統(tǒng)，所述高速 鐵路補(bǔ)償系統(tǒng)包括MMC式鐵路牽引功率調(diào)節(jié)器，MMC式鐵路牽引功率調(diào)節(jié)器包括四個(gè)邊，四 個(gè)邊連接成四邊形;每個(gè)邊包括一個(gè)Η橋鏈和一個(gè)與該Η橋鏈連接的濾波電感;Η橋鏈包括多 個(gè)串聯(lián)的Η橋單元；四邊形的四個(gè)交點(diǎn)按對(duì)角線(xiàn)分成兩組，兩組交點(diǎn)分別各與一個(gè)牽引供電 臂連接;其特征在于，該方法包括以下步驟：
[0007] 1)檢測(cè)四個(gè)Η橋鏈的電流^、^、。、^，計(jì)算出高速鐵路補(bǔ)償系統(tǒng)輸出的兩相電流 ica、icb與環(huán)流電流iz;
[0008] 2)檢測(cè)高速鐵路補(bǔ)償系統(tǒng)的所有Η橋單元的直流側(cè)電壓，其中第X個(gè)鏈節(jié)的第y個(gè) 功率模塊的電容電壓為Uc;xy，求得鐵路牽引功率調(diào)節(jié)器所有Η橋單元電壓總和u。2，將1!。2與給 定參考值Uref的差值送入PI控制器，PI控制器，輸出即為有功電流的幅值ΔId。，將ΔId。乘以 兩供電臂的同步信號(hào)后得到RTPC的a相與b相直流側(cè)電壓調(diào)節(jié)信號(hào)，a相與b相直流側(cè)電壓調(diào) 節(jié)信號(hào)分別與檢測(cè)環(huán)節(jié)求得的負(fù)序補(bǔ)償電流指令疊加，得到RTPC的綜合電流指令 iar、ibr;兩相輸出電流內(nèi)環(huán)采用PR控制，控制器輸出得至IJ兩組鏈節(jié)的全局調(diào)制信號(hào)ma，mb;
[0009] 3)根據(jù)約束條件求得合理的環(huán)流電壓指令Uzrrf，然后求得需注入的環(huán)流指令izrrf， 其中約束條件如下：
[0012]
4C<分別為四個(gè)!1橋鏈的電壓；
[0013] 4)將差值=<丨4-4送入Ρ控制器后得到注入環(huán)流的修正信號(hào)izref2,將izref2 與izrrf疊加后得到綜合環(huán)流指令izr;將綜合環(huán)流指令izr與檢測(cè)環(huán)流值iz相減，相減后的值 采用PI環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)處理后輸出-Δuz和ΔUz，將-ΔUz和ΔUz分別與環(huán)流控制指令uzrrf相加，得 到鏈節(jié)1、4以及鏈節(jié)2、3兩組鏈節(jié)環(huán)流控制電壓參考1121^、11士^:
Uzlref、Uz2ref分別除以?xún)蓚€(gè)鏈節(jié)組電壓_、，得到鏈節(jié)組間調(diào)制信號(hào)mzl、mz2;
[0014] 5)求取鏈節(jié)1、4以及鏈節(jié)2、3的電容電壓平均值ucavl4、ucav23;
[0015] 6)綜合各層控制的輸出，得到送入第x個(gè)鏈節(jié)第7個(gè)功率模塊的調(diào)制信號(hào)mxy;
[0016] 7)將調(diào)制信號(hào)送入移相PWM單元得到開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的Η橋 單元的功率開(kāi)關(guān)管，使之輸出期望的電壓電流。
[0022]其中，Υ為每個(gè)鏈節(jié)的Η橋單元數(shù)量。
[0023]Ucav14、Ucav23的計(jì)算公式為：
[0027] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果為:本發(fā)明四邊形的每個(gè)邊是一個(gè)Η橋 鏈，不需要降壓變壓器直接可與牽引供電臂連接；中間不需要直流環(huán)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)功率的雙 向變換和流動(dòng)，同時(shí)能補(bǔ)償兩個(gè)牽引供電臂的無(wú)功和諧波。本發(fā)明所提出的控制方法具有 較強(qiáng)的通用性，且能改善對(duì)于RTPC高速鐵路補(bǔ)償系統(tǒng)的控制性能，具有很好的實(shí)用價(jià)值。
【附圖說(shuō)明】
[0028] 圖1為傳統(tǒng)鐵路功率調(diào)節(jié)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0029] 圖2為直接ac-ac型鐵路功率補(bǔ)償器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0030] 圖3(a)-圖3(d)為本發(fā)明的直接ac-ac型鐵路功率補(bǔ)償器的控制框圖；
[0031 ]圖2中，1為MMC式直接鐵路功率補(bǔ)償器;2為Η橋鏈;3為濾波電感。
【具體實(shí)施方式】
[0032]MMC式直接鐵路電能質(zhì)量補(bǔ)償器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。MMC式直接鐵路功率補(bǔ)償 器1是由四個(gè)邊組成;每個(gè)邊由一個(gè)Η橋鏈2和一個(gè)濾波電感3組成;Η橋鏈2是由多個(gè)Η橋單元 串聯(lián)形成；四邊形的四個(gè)交點(diǎn)按對(duì)角線(xiàn)分成兩組，兩組交點(diǎn)分別通過(guò)電纜與兩個(gè)牽引供電 臂相連接。該裝置通過(guò)采用多電平級(jí)聯(lián)變換器組成一個(gè)四邊形單相AC-AC變換器，不需要降 壓變壓器直接可與牽引供電臂連接。同時(shí)中間不需要直流環(huán)節(jié)，能夠直接實(shí)現(xiàn)功率的雙向 變換和流動(dòng)，同時(shí)能補(bǔ)償牽引供電臂機(jī)車(chē)負(fù)載產(chǎn)生的無(wú)功。故裝置通過(guò)采用多電平級(jí)聯(lián)變 換技術(shù)，節(jié)省了兩個(gè)降壓變壓器，大大減小了裝置的體積和成本。
[0033]為了方便分析，首先定義電流^流過(guò)的Η橋鏈為第一個(gè)Η橋鏈，其它依次類(lèi)推。同時(shí) 定義右邊的牽引供電臂為a相供電臂，左邊的牽引供電臂為b相供電臂。從結(jié)構(gòu)圖中可以看 至IJ，對(duì)于a相供電臂電源而言，第一個(gè)Η橋鏈與第三個(gè)Η橋鏈串聯(lián)，第二個(gè)Η橋鏈與第四個(gè)Η橋 鏈串聯(lián)，然后兩個(gè)Η橋鏈組并聯(lián);對(duì)于b相供電臂電源而言，第一個(gè)Η橋鏈與第二個(gè)Η橋鏈串 聯(lián)，第三個(gè)Η橋鏈與第四個(gè)Η橋鏈串聯(lián)，然后兩個(gè)Η橋鏈組并聯(lián)。該種裝置具有以下的基本特 點(diǎn)和數(shù)量關(guān)系：
[0037]同時(shí)，假設(shè)第一個(gè)Η橋鏈交流側(cè)輸出電壓為m，其他依次類(lèi)推。則根據(jù)圖中的電路 結(jié)構(gòu)有：
[0039]其中L表示表示單個(gè)濾波電感的電感值，u4Pub為兩牽引供電臂的電壓。根據(jù)該種 結(jié)構(gòu)的輸出特性，有U1 =U4，U2 =U3。貝可以推出：
[0041]假設(shè)兩牽引供電臂的電壓udPub如下所示：
[0043]其中匕、1^、03和0設(shè)別為兩牽引供電臂的電壓的幅值和相角。同時(shí)假設(shè)麗(：式直接