一种同相供电变流器前馈方法及系统与流程

1.本发明涉及轨道交通电力电子技术领域，具体涉及一种同相供电变流器前馈方法及系统。


背景技术：

2.电力机车是单相电力负荷，为减小负序电流对电力系统的影响，牵引网供电采取分相分区、轮换相序等措施，并在接触网中增加电分相环节。自动过分相装置不仅动作频繁，寿命短，可靠性低，而且会造成列车速度和牵引力损失。同相供电装置解决了牵引变电所内的电分相、电压波动、功率因数低和负序电流超标等问题。
3.同相供电装置主要由牵引匹配变压器和同相供电变流器组成，牵引匹配变压器为多绕组变压器，同相供电变流器由多个功率单元串并联组成，包含并联侧和级联侧。牵引匹配变压器高压侧与牵引变压器m座相连，低压侧与同相供电变流器的并联侧相连，变流器级联侧接入牵引变压器t座。
4.同相供电变流器先通过级联侧软启动装置给直流母线充电，然后并联侧解锁并网并稳定直流电压，直流电压达到设定值后，级联侧解锁并网。
5.为了减小变流器并网的冲击电流，一般采用锁相前馈，即通过锁相环得到电网电压的幅值和相位，通过幅值和相位补偿使得变流器解锁时的电压与电网电压完全相同，并网无冲击电流。锁相前馈可以实现变流器的无冲击并网，但由于前馈项计算过程中存在锁相和滤波环节，响应速度慢，变流器并网后，当电网电压存在波动时，不能快速响应，尤其是在电网电压故障时，变流器暂态冲击电流大，甚至会触发过流保护而故障停机。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足，本发明提出了一种同相供电变流器前馈方法和系统，能够提高变流器并网后的电网适应性和暂态性能，降低电网波动和故障引起的暂态电流冲击，同时实现了变流器的平滑无冲击并网。
7.本发明采用如下的技术方案实现：
8.本发明的第一方面提供了一种同相供电变流器前馈方法，所述同相供电变流器包括并联侧、级联侧和启动回路，并联侧通过牵引匹配变压器连接牵引变压器m座，级联侧通过启动回路连接牵引变压器t座，该方法包括以下步骤：
9.分别检测m座和t座的电网电压，通过单相锁相环得到电压幅值和相位，将电压幅值和相位补偿后，根据功率单元的直流电压，计算得到锁相前馈项；
10.变流器并联侧稳压完成后，并联侧补偿相位按照设定的速率减小至零；
11.变流器并联侧由锁相前馈切换为瞬时值前馈；
12.变流器级联侧并网后，级联侧补偿相位按照设定的速率减小至零；
13.变流器级联侧由锁相前馈切换为瞬时值前馈。
14.进一步的，电网电压幅值和相位通过单相锁相环得到，变流器并联侧对m座电网电
压进行锁相，级联侧对t座电网电压进行锁相；
15.所述锁相前馈项通过计算得到的电网电压除以直流电压得到，变流器并联侧前馈项为电网电压除以该功率单元直流电压，变流器级联侧前馈项为电网电压除以所有功率单元直流电压之和；
[0016][0017][0018]
式中，u
f1_pari
为同相供电变流器并联侧第i个功率单元锁相前馈值，i＝1，2，3，
……
n，n为功率单元的个数；δkm为并联侧幅值补偿系数，n
t
为牵引匹配变压器变比，um为锁相得到的m座电压幅值，δθm为m座电压补偿相位，u
dci
为第i个功率单元直流电压的5ms滑动平均值；
[0019]uf1_cas
为同相供电变流器级联侧锁相前馈值，δk
t
为级联侧幅值补偿系数，u
t
为锁相得到的t座电压幅值，δθ
t
为t座电压补偿相位，∑u
dci
为变流器所有功率单元直流电压5ms滑动平均值的和。
[0020]
进一步的，所述瞬时前馈值由下式计算：
[0021][0022][0023]
式中，u
f2_pari
为同相供电变流器并联侧第i个功率单元瞬时前馈值，i＝1，2，3，
……
n，n为功率单元个数；δkm为并联侧幅值补偿系数，um为采样得到的m座电网电压；
[0024]uf2_cas
为同相供电变流器级联侧瞬时前馈值，δk
t
为级联侧幅值补偿系数，u
t
为采样得到的t座电网电压，u
dci
为第i个功率单元直流电压的5ms滑动平均值。
[0025]
进一步的，所述变流器并联侧稳压完成包括：当直流电压指令和反馈值连续一定时间内误差小于一阈值，则该功率单元稳压完成；所述变流器级联侧并网包括当级联侧电流指令和反馈值连续一定时间内误差小于另一阈值，则级联侧并网完成。
[0026]
进一步的，相位补偿角按照设定速率减小至零，计算公式如下：
[0027]
δθi＝δθ
i_set
×
λ
ꢀꢀꢀ
(5)
[0028]
式中，δθ
i_set
为同相供电变流器并联侧或级联侧锁相前馈设定的补偿相位，i＝m或t，λ为从1变化至0的数，变化时间可设定，δθi为同相供电变流器并联侧或级联侧当前的补偿相位。
[0029]
本发明的第二方面提供了一种同相供电变流器前馈系统，所述同相供电变流器包括并联侧、级联侧和启动回路，并联侧通过牵引匹配变压器连接牵引变压器m座，级联侧通过启动回路连接牵引变压器t座，该系统包括：
[0030]
锁相前馈项计算模块，分别检测m座和t座的电网电压，通过单相锁相环得到电压幅值和相位，将电压幅值和相位补偿后，根据功率单元的直流电压，计算得到锁相前馈项；
[0031]
控制模块，当变流器并联侧稳压完成后，并联侧补偿相位按照设定的速率减小至零，控制变流器并联侧由锁相前馈切换为瞬时值前馈；当变流器级联侧并网后，级联侧补偿
相位按照设定的速率减小至零；控制变流器级联侧由锁相前馈切换为瞬时值前馈。
[0032]
进一步的，电网电压幅值和相位通过单相锁相环得到，变流器并联侧对m座电网电压进行锁相，级联侧对t座电网电压进行锁相；
[0033]
所述锁相前馈项通过计算得到的电网电压除以直流电压得到，变流器并联侧前馈项为电网电压除以该功率单元直流电压，变流器级联侧前馈项为电网电压除以所有功率单元直流电压之和；
[0034][0035][0036]
式中，u
f1_pari
为同相供电变流器并联侧第i个功率单元锁相前馈值，i＝1，2，3，
……
n，n为功率单元的个数；δkm为并联侧幅值补偿系数，n
t
为牵引匹配变压器变比，um为锁相得到的m座电压幅值，δθm为m座电压补偿相位，u
dci
为第i个功率单元直流电压的5ms滑动平均值；
[0037]uf1_cas
为同相供电变流器级联侧锁相前馈值，δk
t
为级联侧幅值补偿系数，u
t
为锁相得到的t座电压幅值，δθ
t
为t座电压补偿相位，∑u
dci
为变流器所有功率单元直流电压5ms滑动平均值的和。
[0038]
进一步的，所述瞬时前馈值由下式计算：
[0039][0040][0041]
式中，u
f2_pari
为同相供电变流器并联侧第i个功率单元瞬时前馈值，i＝1，2，3，
……
n，n为功率单元个数；δkm为并联侧幅值补偿系数，um为采样得到的m座电网电压；
[0042]uf2_cas
为同相供电变流器级联侧瞬时前馈值，δk
t
为级联侧幅值补偿系数，u
t
为采样得到的t座电网电压，u
dci
为第i个功率单元直流电压的5ms滑动平均值。
[0043]
进一步的，所述变流器并联侧稳压完成包括：当直流电压指令和反馈值连续一定时间内误差小于一阈值，则该功率单元稳压完成；所述变流器级联侧并网包括当级联侧电流指令和反馈值连续一定时间内误差小于另一阈值，则级联侧并网完成。
[0044]
进一步的，相位补偿角按照设定速率减小至零，计算公式如下：
[0045]
δθi＝δθ
i_set
×
λ
ꢀꢀꢀ
(5)
[0046]
式中，δθ
i_set
为同相供电变流器并联侧或级联侧锁相前馈设定的补偿相位，i＝m或t，λ为从1变化至0的数，变化时间可设定，δθi为同相供电变流器并联侧或级联侧当前的补偿相位。
[0047]
综上所述，本发明提供了一种同相供电变流器前馈方法及系统，该方法包括并联侧前馈方法和级联侧前馈方法；变流器并联侧稳压完成前采用锁相前馈，即利用锁相环得到电网电压的幅值和相位，对幅值和相位进行补偿后，除以直流电压的滑动平均值得到前馈项；变流器并联侧稳压完成后，锁相前馈的补偿相位按照设定速率减小至零，然后将锁相前馈切换为瞬时值前馈，即采用实际采集的电网电压经幅值补偿并除以直流电压的滑动平
均值后作为前馈项。变流器级联侧解锁并网前采用锁相前馈，并网后将补偿相位按照设定速率减小至零，然后切换为瞬时值前馈。该方法和系统能够实现变流器的柔性无冲击并网，降低电网波动和故障引起的变流器暂态冲击电流，提高变流器并网后的电网适应能力和故障穿越能力，同时锁相前馈和瞬时值前馈在线平滑切换。
附图说明
[0048]
图1是本发明实施例的同相供电变流器前馈方法的流程示意图；
[0049]
图2是本发明实施例的同相供电装置拓扑结构图；
[0050]
图3是本发明实施例的同相供电变流器控制系统图；
[0051]
图4是本发明实施例的同相供电变流器并联侧前馈控制图；
[0052]
图5是本发明实施例的同相供电变流器级联侧前馈控制图。
具体实施方式
[0053]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
[0054]
本发明的第一方面提供了一种同相供电变流器前馈方法，所述同相供电变流器包括并联侧、级联侧和启动回路，并联侧通过牵引匹配变压器连接牵引变压器m座，级联侧通过启动回路连接牵引变压器t座，m和t分别为自然数，该方法包括以下步骤，如图1所示：
[0055]
步骤s100，分别检测m座和t座的电网电压，通过单相锁相环得到电压幅值和相位，将电压幅值和相位补偿后，根据功率单元的直流电压，计算得到锁相前馈项。
[0056]
电网电压幅值和相位通过单相锁相环得到，变流器并联侧对m座电网电压进行锁相，级联侧对t座电网电压进行锁相；
[0057]
所述锁相前馈项通过计算得到的电网电压除以直流电压得到，变流器并联侧前馈项为电网电压除以该功率单元直流电压，变流器级联侧前馈项为电网电压除以所有功率单元直流电压之和。
[0058]
并联侧通过单相锁相环得到m座电压幅值和相位，结合幅值和相位补偿，计算得到m座电网电压，除以变压器变比得到功率单元并联侧端口电压，再除以该功率单元直流电压得到其前馈项；由于功率单元直流电压存在100hz的波动，因此功率单元直流电压进行了5ms的滑动平均值滤波，具体计算公式如下：
[0059][0060]
式中，u
f1_pari
为同相供电变流器并联侧第i个功率单元锁相前馈值，i＝1，2，3，
……
n，n为功率单元的个数；δkm为并联侧幅值补偿系数，n
t
为牵引匹配变压器变比，um为锁相得到的m座电压幅值，δθm为m座电压补偿相位，u
dci
为第i个功率单元直流电压的5ms滑动平均值。
[0061]
级联侧通过单相锁相环得到t座电压幅值和相位，结合幅值和相位补偿，计算得到t座电网电压，除以变流器所有功率单元直流电压之和得到其前馈项，具体计算公式如下：
[0062][0063]
式中，u
f1_cas
为同相供电变流器级联侧锁相前馈值，δk
t
为级联侧幅值补偿系数，u
t
为锁相得到的t座电压幅值，δθ
t
为t座电压补偿相位，∑u
dci
为变流器所有功率单元直流电压5ms滑动平均值的和。
[0064]
步骤s200，变流器并联侧稳压完成后，并联侧补偿相位按照设定的速率减小至零。
[0065]
具体的，相位补偿角按照设定速率减小至零，计算公式如下：
[0066]
δθi＝δθ
i_set
×
λ
ꢀꢀꢀ
(3)
[0067]
式中，δθ
i_set
为同相供电变流器并联侧或级联侧锁相前馈设定的补偿相位，i＝m或t，λ为从1变化至0的数，变化时间可设定，δθi为同相供电变流器并联侧或级联侧当前的补偿相位。
[0068]
步骤s300，变流器并联侧由锁相前馈切换为瞬时值前馈。
[0069]
具体的，所述瞬时值前馈包括并联侧瞬时值前馈和级联侧瞬时值前馈，并联侧瞬时值前馈项为采样得到的m座电网电压，经幅值补偿后除以对应功率单元直流电压得到；变流器级联侧瞬时值前馈项为采样得到的t座电网电压，经幅值补偿后除以所有功率单元直流电压之和得到，具体计算公式如下：
[0070][0071][0072]
式中，u
f2_pari
为同相供电变流器并联侧第i个功率单元瞬时前馈值，i＝1，2，3，
……
n，n为功率单元个数；δkm为并联侧幅值补偿系数，um为采样得到的m座电网电压；u
f2_cas
为同相供电变流器级联侧瞬时前馈值，δk
t
为级联侧幅值补偿系数，u
t
为采样得到的t座电网电压，u
dci
为第i个功率单元直流电压的5ms滑动平均值。
[0073]
同相供电变流器并联侧解锁稳压期间，并联侧为锁相前馈，稳压完成后，相位补偿角度δθm按照设定速率减小至零，然后切换为瞬时值前馈；级联侧解锁前为锁相前馈，解锁完成后，相位补偿角度δθ
t
按照设定速率减小至零，然后切换为瞬时值前馈并开始响应电流指令。
[0074]
步骤s400，变流器级联侧并网后，级联侧补偿相位按照设定的速率减小至零。按照上述公式(3)进行计算。
[0075]
步骤s500，变流器级联侧由锁相前馈切换为瞬时值前馈。按照上述公式(5)进行计算。
[0076]
进一步的，所述变流器并联侧稳压完成包括：当直流电压指令和反馈值连续一定时间内误差小于一阈值，则该功率单元稳压完成；所述变流器级联侧并网包括当级联侧电流指令和反馈值连续一定时间内误差小于另一阈值，则级联侧并网完成。具体的，同相供电变流器并联侧解锁稳压后，当直流电压指令和反馈值连续2s误差小于3％，认为该功率单元稳压完成；级联侧解锁后，不响应电流指令，级联侧电流指令和反馈值连续1s误差小于1％，认为变流器级联侧并网完成。
[0077]
本发明的第二方面提供了一种同相供电变流器前馈系统，所述同相供电变流器包
括并联侧、级联侧和启动回路，并联侧通过牵引匹配变压器连接m座电网，级联侧通过启动回路连接t座电网，m和t分别为自然数，该系统包括：锁相前馈项计算模块，分别检测m座和t座的电网电压，通过单相锁相环得到电压幅值和相位，将电压幅值和相位补偿后，根据功率单元的直流电压，计算得到锁相前馈项；控制模块，当变流器并联侧稳压完成后，并联侧补偿相位按照设定的速率减小至零，控制变流器并联侧由锁相前馈切换为瞬时值前馈；当变流器级联侧并网后，级联侧补偿相位按照设定的速率减小至零；控制变流器级联侧由锁相前馈切换为瞬时值前馈。
[0078]
本实施例提供的同相供电装置包括牵引匹配变压器和同相供电变流器，同相供电变流器主要由18个功率单元串并联组成，包括并联侧、串联侧、输出电抗器和启动回路，如图2所示。
[0079]
同相供电变流器的控制系统如图3所示，由中央控制器、并联侧模块控制器和级联侧模块控制器组成，中央控制器实现系统的启停、保护和变流器级联侧的控制，并联侧模块控制器实现功率单元并联侧直流电压的控制和保护，级联侧模块控制器实现功率单元级联侧的保护。中央控制器、并联侧模块控制器和级联侧模块控制器之间通过光纤通讯。
[0080]
同相供电变流器收到启动命令后，首先进行软启动，闭合接触器km1给功率单元直流侧充电，直流电压达到设定值后，闭合接触器km2，然后闭合接触器km3_1～km3_18，此时变流器并联侧和级联侧均为锁相前馈，并联侧的前馈项在并联侧模块控制器实现，级联侧的前馈项在中央控制器实现。
[0081]
功率单元并联侧锁相所需的电网电压um和m座电压补偿相位设定值δθ
m_set
由中央控制器下发至并联侧模块控制器，并联侧模块控制器计算自身功率单元直流电压的5ms滑动平均值，并对电网电压um进行锁相，根据锁相得到的m座电压幅值和相位，计算得到该功率单元并联侧锁相前馈项，具体计算公式如如上述的公式(1)。
[0082]
中央控制器根据采集得到的电网电压u
t
进行锁相，根据18个功率单元并联侧模块控制器上传的直流电压和锁相得到的t座电压幅值和相位，得到变流器级联侧的锁相前馈项，其中幅值和相位补偿量从后台下发的到，具体计算公式如上述的公式(2)。
[0083]
变流器软启完成后，中央控制器给并联侧模块控制器下发解锁命令，并联侧模块控制器解锁脉冲，并将直流电压按照设定斜率控制至设定值，当该功率单元的直流电压设定值和反馈值连续2s误差小于3％，并联侧模块控制器给中央控制器反馈该功率单元直流母线稳压完成，并按照设定的速率减小相位补偿角度δθm，补偿角度减小至零后，将锁相前馈切换为瞬时值前馈，如图4所示。
[0084]
中央控制器收到18个功率单元反馈的直流母线稳压完成后，解锁变流器级联侧，此时变流器不响应电流指令，级联侧电流指令和反馈值连续1s误差小于3％，级联侧并网完成；中央控制器按照设定的速率减小相位补偿角度δθ
t
，减小至零后，将级联侧由锁相前馈切换为瞬时值前馈，如图5所示。
[0085]
变流器并联侧和级联侧均完成前馈项切换后，启动并网结束。
[0086]
综上所述，本发明提供了一种同相供电变流器前馈方法及系统，该方法包括并联侧前馈方法和级联侧前馈方法；变流器并联侧稳压完成前采用锁相前馈，即利用锁相环得到电网电压的幅值和相位，对幅值和相位进行补偿后，除以直流电压的滑动平均值得到前馈项；变流器并联侧稳压完成后，锁相前馈的补偿相位按照设定速率减小至零，然后将锁相
前馈切换为瞬时值前馈，即采用实际采集的电网电压经幅值补偿并除以直流电压的滑动平均值后作为前馈项。变流器级联侧解锁并网前采用锁相前馈，并网后将补偿相位按照设定速率减小至零，然后切换为瞬时值前馈。该方法和系统能够实现变流器的柔性无冲击并网，降低电网波动和故障引起的变流器暂态电流冲击，提高变流器并网后的电网适应能力和故障穿越能力，同时锁相前馈和瞬时值前馈在线平滑切换。
[0087]
以上给出了本发明涉及具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。