一种柔性牵引供电系统的稳定运行控制方法

1.本发明属供电控制领域，具体涉及一种柔性牵引供电系统的稳定运行控制方法。


背景技术：

2.目前，世界各国现行铁路牵引供电系统广泛采用三相-两相供电模式。牵引变电所从三相电网取电，经牵引变压器降压后分两供电臂输出，为牵引网供电。但是由于两供电臂间、变电所之间电压相位、幅值和频率难以完全一致，因此两供电臂间、各变电所间必须设置电分相，采用分区供电。
3.而分区供电本身存在着难以解决的寄生问题，且对电力机车的速度和载荷能力有着严重的制约。在这种系统结构下，牵引供电系统与牵引网、牵引负荷之间存在有紧密的电磁耦合关系，因此牵引负荷的不平衡与冲击会通过牵引变电所反馈给三相电网侧，严重影响了三相电网的电能质量，而三相电网的电能质量又直接关系到牵引供电系统与牵引负荷的正常运行。传统供电模式下的这种强耦合关系严重降低了牵引供电系统的运行效率与质量，并加大了三相电网中电能质量的治理难度，同时也威胁着电力机车与牵引供电系统的安全、稳定、可靠运行。
4.中国专利cn113224762a公开了一种长距离贯通柔性牵引供电系统及其优化控制方法，所述长距离贯通柔性牵引供电系统包括多组供电子系统，多组所述供电子系统间为电分相连接，每组多数供电子系统包括三相电网、多个牵引变电所、多个断路器和牵引网，多个所述牵引变电所的输出端和多个所述断路器的输入端一一对应连接，且多个所述牵引变电所的输入端与所述三相电网连接，所述断路器的输出端连接所述牵引网，所述牵引网用于给列车供电。其所提供的长距离贯通柔性牵引供电系统及其优化控制方法，能够实现牵引网长距离通电，同时使得牵引变电所供电区域内的牵引网电压保持稳定。
5.中国专利cn110931222a公开了一种柔性牵引供电系统四绕组牵引变压器装置，变压器tm4包括四个绕组t1、t2、t3和t4；t1绕组作为变压器tm4高压侧采用三相
△
型联结，连接至牵引变电所35kv侧母线；t2绕组作为变压器tm4低压侧之一，采用三相y型联结，连接至牵引变电所整流器装置rn原边；t3绕组作为变压器tm4低压侧之一，采用三相
△
型联结，连接至牵引变电所整流器装置rn原边；t4绕组作为变压器tm4低压侧之一，采用三相y型联结，连接至牵引变电所双向变流器装置pcs原边。其能够实现城市轨道交通牵引供电系统使用一台变压器可同时为整流机组和双向变流器装置供电；可节省变压器设备投资，减小牵引所变压器占地面积。
6.虽然上述方案提供了供电系统优化方案，但是并没有完全解决牵引供电系统的电能质量问题，因此为解决牵引供电系统的电能质量问题，减少甚至取消电分相装置，实现贯通式跨区供电，解决既有供电系统负序、无功、谐波等问题就变的尤为重要。


技术实现要素：

7.为解决上述问题，对既有并网控制策略进行改进，实现柔性牵引变压器能够为牵
引网侧提供稳定的电压，保持全线网压一致，达到贯通的目的；同时能实现每一所柔性牵引变压器稳定并、解列；以及能实现不同柔性牵引变压器合理分配负载功率，保持牵引网侧损耗较小，保证系统高效运行；进而解决牵引供电系统的电能质量问题，减少甚至取消电分相装置。
8.为达到上述效果，本发明设计一种柔性牵引供电系统的稳定运行控制方法。
9.一种柔性牵引供电系统的稳定运行控制方法，其包括：
10.s1、首先选择一座柔性牵引变压器为主所，提供27.5kv/50hz的标准参考电压，并将其连接至牵引网；
11.s2、选择其他柔性牵引变压器作为从所，通过相位同步模块实现从所对牵引网侧的相位同步跟踪，保证其能稳定接入牵引网；
12.s3、设置功率控制模块，获取电压参考值u
sref
；
13.s4、控制柔性牵引变压器稳定输出；
14.s5、设置功率协调控制模块，实现牵引网侧的网压随列车运行状况适当增大或减小每座柔性牵引变压器的出力情况。
15.优选地，所述s2步骤中的相位同步模块借助单相锁相环和单相电压坐标系变换模块完成，主要包括：
16.s21、使用单相电压坐标系变换模块构建虚拟的α、β相，获取α相电压和β相电压；
17.s22、通过单相锁相环得到的牵引网侧电压的相位ωgt；
18.s23、使用s2得到的牵引网侧电压相位ωgt对s21α、β相电压经过park变换得到u
sq
。
19.优选地，所述s21步骤中单相电压坐标系变换模块采用1/4周期延时算法构建虚拟的β相，即使用公式1，所述公式1为
[0020][0021]
所述角频率ω0＝2πf，f＝50hz，电压us＝27.5kv；u
sα
，u
sβ
分别为构建虚拟的α相电压和β相电压，j为虚数符号。
[0022]
优选地，所述s23步骤中通过单相锁相环得到的牵引网侧的相位ωgt后，将公式1经过park变换至dq坐标系下，即运用公式2，所述公式2为：
[0023][0024]
所述u
sd
和u
sq
为dq坐标系下的电压值，得到u
sq
与0的偏差经过pi控制器，实现ωg＝ω0，满足柔性牵引变压器输出相位对牵引网侧网压相位的同步追踪。
[0025]
优选地，所述s3步骤中的功率控制模块包括无功功率-幅值控制模块以及有功功率-频率控制模块。
[0026]
优选地，所述s3步骤中的获取电压参考值u
sref
的具体方法为：
[0027]
s61、采集柔性牵引变压器输出电压us、输出电流is；
[0028]
s62、计算得到输出有功功率p、无功功率q；
[0029]
s63、由列车实际取流情况，柔性牵引变压器根据自身输出功率得到相应的电压参
考值u
sref
。
[0030]
优选地，所述s4步骤，保证柔性牵引变压器稳定输出，是通过电压电流双闭环控制模块实现。由s3得到的参考值u
sref
经过单相dq解耦得到相应的参考值u
sdref
、u
sqref
，其实现方法为：
[0031][0032]
其中，lpf代表低通滤波器。
[0033]
优选地，所述s4步骤，所述柔性牵引变压器输出采用lc滤波结构，得到dq解耦后电压电流双闭环的控制方程。
[0034]
优选地，所述s5步骤，设置功率协调控制模块具体为根据列车运行位置调整功率控制模块给定幅值参考值。
[0035]
优选地，所述功率协调控制模块给定幅值的参考值为该模块设置自动调节参数va，幅值给定值为其中c为与系统自身特性相关的常数，dist为列车运行时与柔性牵引变压器的平均距离。
[0036]
本技术的优点和效果如下：
[0037]
1、本技术提出的一种适用于柔性牵引供电系统的稳定运行控制方法，保证柔性牵引变压器的输出电压可控，满足柔性牵引供电系统贯通供电要求，实现全线贯通牵引供电。
[0038]
2、本技术提出适用于柔性牵引供电系统的功率协调控制方法，能够有效实现所述柔性牵引供电系统牵引网侧的损耗保持在较小水平，保证该系统友好、稳定地运行。
[0039]
3、将相位预同步控制与功率控制方法结合，应用于所述柔性牵引供电系统，无需所间同步通信，并且能够保证柔性牵引变压器的安全稳定地并、解网。同时，主所配备有整套控制算法，可实现主所与从所的任意转变，保证所述柔性牵引供电系统能在任一柔性牵引变压器解网后的系统的稳定运行。
[0040]
4、本技术使用的柔性牵引变压器可根据控制保持其输出一致，故三相电网输入侧相对独立。
[0041]
5、本技术使用的柔性牵引变压器输出可提供牵引网稳定的电压，且多个柔性牵引变压器由于其完全可控的优点，能够实现取消电分相的目的。
[0042]
上述说明仅是本技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本技术的技术手段，从而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本技术的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下以本技术的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
[0043]
根据下文结合附图对本技术具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本技术的上述及其他目的、优点和特征。
附图说明
[0044]
为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据
这些附图获得其他的附图。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
[0045]
图1为本发明提供的面向的柔性牵引供电系统的结构示意图；
[0046]
图2为本发明提供的稳定控制方法整体示意图；
[0047]
图3为本发明提供的相位预同步模块示意图；
[0048]
图4为本发明提供的电压电流双闭环控制模块示意图；
[0049]
图5为本发明提供的两座柔性牵引变压器同步运行时的牵引网侧电压仿真图；
[0050]
图6为本发明提供的两柔性牵引变压器输出功率与机车运行位置的对应关系图。
具体实施方式
[0051]
为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。在下面的描述中，提供诸如具体的配置和组件的特定细节仅仅是为了帮助全面理解本技术的实施例。因此，本领域技术人员应该清楚，可以对这里描述的实施例进行各种改变和修改而不脱离本技术的范围和精神。另外，为了清楚和简洁，实施例中省略了对已知功能和构造的描述。
[0052]
应该理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“本实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本技术的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“一个实施例”或“本实施例”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。
[0053]
此外，本技术可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身并不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。
[0054]
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，单独存在b，同时存在a和b三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，a/和b，可以表示：单独存在a，单独存在a和b两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。
[0055]
本文中术语“至少一种”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和b的至少一种，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。
[0056]
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含。
[0057]
实施例1
[0058]
本实施例主要介绍一种柔性牵引供电系统的稳定运行控制方法。
[0059]
一种柔性牵引供电系统的稳定运行控制方法，其包括：
[0060]
s1、首先选择一座柔性牵引变压器为主所，提供27.5kv/50hz的标准参考电压，并将其连接至牵引网；
[0061]
s2、选择其他柔性牵引变压器作为从所，通过相位同步模块实现从所对牵引网侧的相位同步跟踪，保证其能稳定接入牵引网；
[0062]
s3、设置功率控制模块，获取电压参考值u
sref
；
[0063]
s4、控制柔性牵引变压器稳定输出；
[0064]
s5、设置功率协调控制模块，实现牵引网侧的网压随列车运行状况适当增大或减小每座柔性牵引变压器的出力情况。
[0065]
进一步的，所述s2步骤中的相位同步模块借助单相锁相环和单相电压坐标系变换模块完成，主要包括：
[0066]
s21、使用单相电压坐标系变换模块构建虚拟的α、β相，获取α相电压和β相电压；
[0067]
s22、通过单相锁相环得到的牵引网侧的相位ωgt；
[0068]
s23、使用s2得到的牵引网侧电压相位ωgt对s21α、β相电压经过park变换得到u
sq
。
[0069]
进一步的，所述s21步骤中单相电压坐标系变换模块采用1/4周期延时算法构建虚拟的β相，即使用公式1，所述公式1为
[0070][0071]
所述角频率ω0＝2πf，f＝50hz，电压us＝27.5kv；u
sα
，u
sβ
分别为构建虚拟的α相电压和β相电压，j为虚数符号。
[0072]
进一步的，所述s23步骤中通过单相锁相环得到的牵引网侧的相位ωgt后，将公式1经过park变换至dq坐标系下，即运用公式2，所述公式2为：
[0073][0074]
所述u
sd
和u
sq
为dq坐标系下的电压值，得到u
sq
与0的偏差经过pi控制器，实现ωg＝ω0，满足柔性牵引变压器输出相位对牵引网侧网压相位的同步追踪。
[0075]
进一步的，所述s3步骤中的功率控制模块包括无功功率-幅值控制模块以及有功功率-频率控制模块。
[0076]
进一步的，所述s3步骤中的获取电压参考值u
sref
的具体方法为：
[0077]
s61、采集柔性牵引变压器输出电压us、输出电流is；
[0078]
s62、计算得到输出有功功率p、无功功率q；
[0079]
s63、由列车实际取流情况，柔性牵引变压器根据自身输出功率得到相应的电压参考值u
sref
和角频率ω
sdref
。
[0080]
进一步的，所述s4步骤，保证柔性牵引变压器稳定输出，是通过电压电流双闭环控制模块实现。由s3得到的参考值u
sref
经过单相dq解耦得到相应的参考值u
sdref
、u
sqref
，其实现方法为：
[0081][0082]
其中，lpf代表低通滤波器。
[0083]
进一步的，所述s4步骤，所述柔性牵引变压器输出采用lc滤波结构，得到dq解耦后电压电流双闭环的控制方程。
[0084]
进一步的，所述s5步骤，设置功率协调控制模块具体为根据列车运行位置调整功率控制模块给定幅值参考值。
[0085]
进一步的，所述功率协调控制模块给定幅值的参考值为该模块设置自动调节参数va，幅值给定值为其中c为与系统自身特性相关的常数，dist为列车运行时与柔性牵引变压器的平均距离。具体结构，请参考图1-4；图1为本发明提供的面向的柔性牵引供电系统的结构示意图；图2为本发明提供的稳定控制方法整体示意图；图3为本发明提供的相位预同步模块示意图；图4为本发明提供的电压电流双闭环控制模块示意图。
[0086]
本技术提出的一种适用于柔性牵引供电系统的稳定运行控制方法，保证柔性牵引变压器的输出电压可控，满足柔性牵引供电系统贯通供电要求，实现全线贯通牵引供电。
[0087]
本技术提出适用于柔性牵引供电系统的功率协调控制方法，能够有效实现所述柔性牵引供电系统牵引网侧的损耗保持在较小水平，保证该系统友好、稳定地运行。
[0088]
将相位预同步控制与功率控制方法结合，应用于所述柔性牵引供电系统，无需所间同步通信，并且能够保证柔性牵引变压器的安全稳定地并、解网。同时，主所配备有整套控制算法，可实现主所与从所的任意转变，保证所述柔性牵引供电系统能在任一柔性牵引变压器解网后的系统的稳定运行。
[0089]
本技术使用的柔性牵引变压器可根据控制保持其输出一致，故三相电网输入侧相对独立；
[0090]
本技术使用的柔性牵引变压器输出可提供牵引网稳定的电压，且多个柔性牵引变压器由于其完全可控的优点，能够实现取消电分相的目的；
[0091]
实施例2
[0092]
基于上述实施例1，本实施例主要具体介绍一种柔性牵引供电系统的稳定运行控制方法。
[0093]
一种柔性牵引供电系统的稳定运行控制方法，包括相位预同步模块、功率控制模块、电压电流双闭环控制模块、功率协调控制模块，通过所述模块实现对所述柔性牵引变压器的输出进行控制，实现柔性牵引供电系统的稳定，具体步骤如下：
[0094]
s1：首先选择一座所述柔性牵引变压器为主所，提供相应的27.5kv/50hz的标准参考电压控制其输出电压，连接至牵引网，提供相应稳定的牵引网网压。
[0095]
s2：其余柔性牵引变压器作为从所，首先通过相位同步模块实现从所对牵引网侧的相位的同步跟踪，保证其能稳定接入牵引网，该模块需借助单相锁相环及单相电压坐标系变换完成；其中，单相电压坐标系变换模块采用1/4周期延时算法构建虚拟的β相，即公式1：
[0096][0097]
所述角频率ω0＝2πf，f＝50hz，电压us＝27.5kv；u
sα
，u
sβ
分别为构建虚拟的α相电
压和β相电压，j为虚数符号。
[0098]
通过单相锁相环得到的牵引网侧的相位ωgt后，将公式1经过park变换至dq坐标系下，即使用公式2，所述公式2为：
[0099][0100]
所述u
sd
和u
sq
为dq坐标系下的电压值，则得到u
sq
与0的偏差经过pi控制器，可以实现ωg＝ω0，满足柔性牵引变压器输出相位对牵引网侧网压相位的同步追踪，同时，该模块实现无需所间同步通信，能够较大程度上降低对通信的需求。
[0101]
s3：设置功率控制模块，该模块包括无功功率-幅值控制模块以及有功功率-频率控制模块。通过采集所述柔性牵引变压器输出电压us、输出电流is计算得到输出有功功率p、无功功率q，该部分需根据系统稳定控制需求设置调节参数：功率控制系数km、kn，为固定常值，该部分可保证列车根据实际取流情况，柔性牵引变压器根据自身输出功率得到相应的电压参考值u
sref
和角频率ω
sdref
。
[0102]
s4：控制所述柔性牵引变压器稳定输出，保证其具有良好的稳定性，该部分通过电压电流双闭环控制模块实现。由s3得到的参考值u
sref
经过单相dq解耦得到相应的参考值u
sdref
、u
sqref
，对于参考电压u
sref
可分解为：
[0103]
公式3：
[0104]usref
＝u
sdref
cos(ω
sref
t) u
sqref
sin(ω
sref
t)；
[0105]
公式4：
[0106][0107]
故加入低通滤波器lpf，就可以滤除公式4中的两倍频分量，可以得到公式5；
[0108]
公式5：
[0109][0110]
其中，lpf代表低通滤波器，输出结果保留低于截止频率的部分，截止频率设置为20hz。特别地，柔性牵引变压器输出采用lc滤波结构，得到dq解耦后电压电流双闭环的控制方程为：
[0111]
[0112][0113]
其中k为介电常数，l和c为等效电感和电容，s为坡印廷向量。
[0114]
根据控制方程得到电压、电流双闭环控制策略如图4。
[0115]
s5：特别地，为保证系统能够高效、稳定地运行，功率协调控制模块根据列车运行位置调整功率控制模块给定幅值参考值，标况下，幅值给定该模块设置自动调节参数va，幅值给定值为：公式6：
[0116][0117]
公式6中，c为与系统自身特性相关的常数，dist为列车运行时与柔性牵引变压器的平均距离。本技术能够实现牵引网侧网压随列车运行状况适当增大或减小每座柔性牵引变压器功率分配情况，在保证所说柔性牵引供电系统双边供电的同时，有效维持牵引网侧网压稳定并且保持牵引网侧损耗于较小水平；再有，当某一柔性牵引变压器解列后，设置特殊故障参数，能够保证柔性牵引变压器跨区供电，保证特殊工况列车负荷的降功率运行。
[0118]
实施例3
[0119]
基于上述实施例1-2，本实施例主要介绍一种柔性牵引供电系统的稳定运行控制方法的模拟验证。
[0120]
按照本技术的使用方法进行仿真模拟，得到了图5和图6的仿真图。
[0121]
图5为本发明提供的两座柔性牵引变压器同步运行时的牵引网侧电压仿真图；
[0122]
图6为本发明提供的两柔性牵引变压器输出功率与机车运行位置的对应关系图。
[0123]
通过图5，可以明显判断出柔性牵引变压器输出电压呈现标准正弦波波动，表示稳定运行控制策略实现多所同步运行，能够为牵引网提供稳定的网压，达到贯通供电的目的。
[0124]
考虑“交-直-交”机车为负荷，系统以提供有功功率为主，得到仿真如图6：该图表示机车运行在两座柔性牵引变压器之间，设置四个运行位置，得到两柔性牵引变压器输出功率与机车运行位置的关系。通过#1和#2的输出有功功率可以得出，#1和#2的输出有功功率呈现对称分布，可以明显得出，能够有效实现机车距离大小与其出力大小基本呈负相关，能够保证双边供电的同时，保持牵引网侧损耗较小。
[0125]
因此本技术的设计可以实现主所与从所的任意转变，保证所述柔性牵引供电系统能在任一柔性牵引变压器解网后的系统的稳定运行。
[0126]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，其并非因此限制本发明的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，通过常规的替代或者能够实现相同的功能在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行变化、修改、替换、整合和参数变更均落入本发明的保护范围内。