基于无差拍嵌入式重复控制的铁路功率调节器

赵 乐, 曹以龙, 陈 坤

(上海电力学院 电子与信息工程学院, 上海 200090)



基于无差拍嵌入式重复控制的铁路功率调节器

赵 乐, 曹以龙, 陈 坤

(上海电力学院 电子与信息工程学院, 上海 200090)

针对V/V牵引供电系统中电气化铁路谐波污染与高负序含量的问题,采用一种铁路功率调节器(RPC).分析了其基本结构和补偿原理,提出了一种预测无差拍和重复式控制相结合的内环电流控制方法.该方法可以解决内环电流指令跟踪快速性的问题,同时也提高了系统的鲁棒性,降低了控制延时与电感偏差对电流控制的影响,并能很好地抑制电流谐波.电压外环采用PI控制,以保证电压外环的稳定.最后通过仿真和实验验证了该方法的正确性.

铁路功率调节器; 负序; 谐波; 无差拍; 嵌入式重复控制

针对高速电力机车负载引起的三相电流不平衡所产生的负序电流,日本学者率先提出了铁路功率调节器(Railway Static Power Conditioner,RPC)[1-2].RPC 能够对负序、谐波和无功功率进行就地综合补偿,适用于对高速铁路突出的负序和谐波问题进行综合治理.文献[3]提出了利用滞环比较的方式作为电流内环的控制方式,在大功率电能转移中,由于开关频率较低,这样的方式最为简单,但是滞环的开关频率不固定,对开关管的要求较高;文献[4]提出了内环利用模糊递推的PI控制方式,实现PI参数的实时调整,但是这一方式对控制器的要求较高;文献[5]提出了一种重复预测模型与无差拍相结合的方式,实现了对参考电流信号的快速、平滑跟踪和直流侧电压的平稳控制.

本文结合V/V牵引变压器的高速铁路的特点,提出了一种嵌入式重复控制串联无差拍的控制方法.该方法能有效地解决内环电流指令跟踪快速性的问题,同时具有谐波抑制能力.最后通过原理仿真的方式,验证了本文所提方法的有效性.

1 RPC的拓扑结构及其补偿原理分析

RPC系统结构如图1所示.

图1 RPC系统结构

图1中,三相铁路供电系统的高压经过三相V/V牵引变压器后变为两个低电压的单相电压,再给两供电臂机车供电.RPC通过两个隔离降压变压器连接于两供电臂,两个电源共用直流电容背靠背地连接在一起.RPC控制就是通过合适的控制方法对单相背靠背电力变换器进行控制以实现有功功率的转移,同时具有一定的谐波治理能力.

RPC要想完成有功和无功功率的转移及谐波的治理,就应按照相应的提取方法提取有功分量和无功分量,然后利用变流器的控制特性跟踪指令电流,即可完成负序补偿和谐波抑制功能.

2 系统的控制策略

在系统的控制中,RPC需要在实际补偿信号的基础上叠加直流侧的电压.基于上述要求,系统的电流控制需要有良好的动态性能,电压环需要有较强的适应性.RPC控制原理如图2所示.

2.1 嵌入式重复控制

内环的设计会影响整个控制系统的功能,本文采用嵌入式结构的重复控制器串联无差拍控制的方式,目的是为了解决重复控制器对指令跟踪的速度限制问题.其具体的原理框图如图3所示.

图3中,G(z)为控制系统的等效传函,输入为in,输出为out.

(1) 周期延时环节 串联周期延时环节z-N使控制系统延时,存储本周期的指令误差,并将这种误差在下一个周期来临时得到消除,若这些误差信号具有重复性和周期性,那么这样的控制方式就会使控制作用具有周期超前性.

(2) 补偿器环节 由于在该控制系统中引入了超前控制,那么相位和幅值就与原系统有一定的相差,需要添加相应的补偿环节来弥补这种超前,以保证系统控制的稳定性和准确性.图3中补偿器G(z)的作用就是提供这一功能.补偿器的引入保证了重复控制系统的稳定,并可以在一定程度上改善控制效果.补偿器的形式为:

(1)

式中:zk——超前环节,为解决相位滞后而添加;Kr——比例增益;S(z)——滤波器.

S(z)的功能如下:将控制对象的中频增益校正为1;抵消谐振峰值,保证系统的稳定性;增强前向通道的高频衰减特性.

图2 RPC控制原理

图3 嵌入式重复控制系统示意

2.2 无差拍控制

传统无差拍的控制方法受到电感的影响,其控制的鲁棒性不高.本文使用了一种预测式无差拍的控制方法,可以提前一个周期预测指令电流值.

RPC单相等效模型如图4所示.

图4 RPC单相等效模型

忽略阻抗,无差拍控制可表示为:

本文将式(2)改写为:

而

(4)

由此得到:

(5)

这里引入一个系数m,目的是为了保证整个系统预测的鲁棒性.这种预测的表达式为:

(6)

根据本文的设计,m的变化范围须大于0.6,由经验公式及本文的实际仿真效果,这里选择0.65.根据本文的设计,其原理框图如图5所示.

图5 预测无差拍的实现原理示意

3 实验验证

为验证本文所提出方法的可行性,利用Matlab进行了相关的仿真实验.其中,负载用电阻和不可控的整流负载进行等效.假设原理实验平台中a相无机车负载,b相有负载,负载由20 kW突变为30 kW,当电流的畸变率为10%时利用本文的算法进行负序补偿和谐波仿真.相关仿真参数如表1所示.仿真结果如图6所示.

表1 RPC参数

图6 仿真结果

由图6可以看出,RPC有效地解决了负序和谐波的问题,补偿后三相的电流基本完全对称,在负载突变时,系统能很快地稳定下来,由不可控的电路导致的谐波能得到很好的补偿.

同时为验证以上的仿真还进行了相关的实验,平台由上海电力学院电子与信息工程学院微微网实验室提供,其参数如表1所示.实验波形如图7所示.

图7中,上面的波形为补偿桥臂一侧由全补偿到不补偿过程中的波形变化,下面的三相电流波形为一次侧电流波形在突变过程中的变化.由图7可以看出,补偿前后的波形变化明显,补偿后不平衡度明显变好.

注:横坐标每格为20 ms,纵坐标每格为20 A.

图7 实验结果

4 结 论

(1) 利用内环嵌入式重复控制和预测无差拍的控制方式,联合了背靠背的逆变器来实现电压电流的平滑控制,保证了有功功率的平稳流动,无功功率和谐波的稳定补偿;

(2) 实验结果表明,利用RPC装置可以有效地解决电气化轨道交通中的电能质量问题;

(3) 通过预测式的无差拍控制方法,RPC的瞬态特性较快,同时又保证了波形的治理效果,而且这种预测式无差拍的方式能提高系统对于电感参数变化的适应性,增加系统的鲁棒性;

(4) 采用重复控制的思想,对于电流的周期性谐波、特别是对于系统死区导致的谐波干扰具有很好的治理效果.

[1] UZUKA T,IKEDO S,UEDA K.A static voltage fluctuation compensator for AC electric railway[C].Power Electronics Specialists Conference,Aachen,German,2004:110-112.

[2] MORIMOTO H,ANDO M,MOCHINAGA Y,etal.Development of railwaystatic power conditioner used at substation for Shinkansen[C].Power Conversion Conference,Osaka,Japan,2002:89-90.

[3] 吴传平,罗安,徐先勇,等.采用 V/V变压器的高速铁路牵引供电系统负序和谐波综合补偿方法[J].中国电机工程学报,2010,30(16):111-116.

[4] 马伏军,罗安,徐先勇,等.大功率混合型电气化铁路功率补偿装置[J].电工技术学报,2011,26(10):93-102.

[5] 马伏军,罗安,吴传平,等.V/V牵引供电系统中铁路功率调节器的控制方法研究[J].中国电机工程学报,2011,31(13):63-70.

(编辑 胡小萍)

Negative Sequence and Harmonic Compensation Algorithms of Electrified High-speed Railway Based on Deadbeat Plug in Repetitive Control

ZHAO Le, CAO Yilong, CHEN Kun

(SchoolofElectronicsandInformationEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

In order to solve the electrified railway harmonic pollution problem and a high negative sequence content in V/V traction power supply system,a railway static power conditioner is used.After analyzing its basic structure and compensation principles,a proposed inner loop current control method deadbeat control is focused on and the combination forecasts are repeated.The introduction of this method is such that the inner ring can improve the robustness of the system and reduce the control deviation of the delay and the inductor current distortion,and suppress harmonic current.A simple and convenient PI outer loop control engineering to is selected ensure the stability of RPC DC side.Finally,the simulations proves the correctness of the method.

railway static power conditioner; negative sequence; harmonic; deadbeat; plug in repetitive control

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.01.014

2016-03-18

赵乐(1991-),男,在读硕士,湖北松滋人.主要研究方向为电力电子技术,微电网,电能质量.E-mail:le.zhao@foxmail.com.

上海市科技创新行动计划地方院校能力建设项目(13160500900,14110500900).

U223.52;TP183

A

1006-4729(2017)01-0065-04