一种柔性直流牵引供电系统下垂控制器的控制方法及系统与流程

1.本发明涉及柔性直流牵引供电技术领域，特别是涉及一种柔性直流牵引供电系统下垂控制器的控制方法及系统。


背景技术：

2.牵引供电系统一般采用单相交流供电结构，形成了独特的电气化牵引网环节，电分相。这种结构带来了电压不平衡、无功功率需求和各类型电能质量问题。随着电气化铁路需求的不断增加，这些问题变得越来越严重，进而造成系统稳定性和可靠性降低。随着全控化电力电子技术的发展，传统电力行业如牵引供电系统逐渐开始对使用换流器来攻克现有领域缺陷开展研究。基于模块化多电平换流器(multi-level modular converter)的直流技术由于具备无功和有功独立快速控制，可向无源网络供电，以及提供无功支撑和实现多落点供电等优势而逐渐应用在新型电气化铁路的改造与建设中。基于多电平模块化柔性直流输电的新型电气化铁路牵引供电系统(multi-level modular converter-multi-terminal dc transmission traction power supply system,mmc-mtdc tpss)逐渐成为研究的重要领域。其中，下垂控制策略由于可实现多端协调配合，对实时通讯程度依赖程度低，拓展性强等特点十分适合应用于mmc-mtdc tpss工程。
3.然而，与基于模块化多电平换流器的高压直流输配电系统不同，考虑到牵引供电系统电力需求的迅速性和非线性变化特征，特别是在稳态和瞬态(列车进站、列车启动、加速和减速过程中),传统下垂控制可能造成直流电压偏差较大，甚至导致出现稳定点偏移的问题。随着模块化多电平换流器的柔性直流系统在电气化铁路中的研发与应用增加，如何实现对传统下垂控制进行改进，进而保证稳定和快速的直流电压与功率调节成为必要环节。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，提出一种柔性直流牵引供电系统下垂控制器的控制方法及系统，解决现有方法在负载的变化较大且频繁变化导致系统直流电压出现稳态偏差，当系统出现暂态时出现暂态过程直流电压波动较大的情况的技术问题。
5.一方面，提供一种柔性直流牵引供电系统下垂控制器的控制方法，包括：
6.获取所述下垂控制器的电流值与电压值，并根据所述电流值与所述电压值计算有功功率实际值；
7.根据预设的有功功率参考值和所述有功功率实际值计算有功功率偏差值；并根据所述有功功率偏差值确定对应的第一直流电压补偿量；
8.获取所述下垂控制器测量的直流电压实际值，根据所述直流电压实际值和预设的直流电压参考值计算实时直流电压偏差值；并根据所述直流电压偏差值确定对应的第二直流电压补偿量；
9.根据所述第一直流电压补偿量、所述有功功率偏差值、所述实时直流电压偏差值
及所述第二直流电压补偿量计算电流内环d轴的电流参考值；
10.将所述电流内环d轴的电流参考值输入所述下垂控制器进行动态功率响应和直流电压稳定。
11.优选地，所述根据预设的有功功率参考值和所述有功功率实际值计算有功功率偏差值，具体包括：
12.计算所述有功功率参考值与所述有功功率实际值之间的差值，作为有功功率偏差值。
13.优选地，所述根据所述有功功率偏差值确定对应的第一直流电压补偿量，具体包括：
14.将所述有功功率偏差值乘以预设的直流电压补偿系数的结果，输出为对应的第一直流电压补偿量。
15.优选地，所述根据所述直流电压实际值和预设的直流电压参考值计算实时直流电压偏差值，具体包括：
16.计算所述直流电压实际值与所述直流电压参考值之间的差值，作为实时直流电压偏差值。
17.优选地，所述根据所述直流电压偏差值确定对应的第二直流电压补偿量，具体包括：
18.将所述直流电压偏差值乘以预设的补偿系数的结果，输出为对应的第二直流电压补偿量。
19.优选地，所述根据所述第一直流电压补偿量、所述有功功率偏差值、所述实时直流电压偏差值及所述第二直流电压补偿量计算电流内环d轴的电流参考值，具体包括：
20.根据所述第一直流电压补偿量、所述有功功率偏差值、所述实时直流电压偏差值及所述第二直流电压补偿量计算对应的下垂调节参数；
21.将所述下垂调节参数输入预设的pi控制器，得到电流内环d轴的电流参考值。
22.优选地，根据以下公式计算对应的下垂调节参数：
23.k
droop
＝{[u
dc-u
dcref
g
vdcudc
g
p
(p-p
ref
)]}/(p
ref-p)
[0024]
其中，k
droop
表示所述下垂控制器的下垂调节参数，p
ref
表示所述下垂控制器预先设定的有功功率参考值，p表示所述下垂控制器的有功功率实际值，u
dcref
表示所述下垂控制器预先设定的直流电压参考值，u
dc
表示下垂控制器的直流电压实际值，g
vdc
表示预设的补偿系数，g
p
表示直流电压补偿系数。
[0025]
另一方面，还提供一种柔性直流牵引供电系统下垂控制器的控制系统，用以实现所述的方法，包括：
[0026]
第一直流电压补偿模块，用以获取所述下垂控制器的电流值与电压值，并根据所述电流值与所述电压值计算有功功率实际值；根据预设的有功功率参考值和所述有功功率实际值计算有功功率偏差值；并根据所述有功功率偏差值确定对应的第一直流电压补偿量；
[0027]
第二直流电压补偿模块，用以获取所述下垂控制器测量的直流电压实际值，根据所述直流电压实际值和预设的直流电压参考值计算实时直流电压偏差值；并根据所述直流电压偏差值确定对应的第二直流电压补偿量；
[0028]
pi控制器，用以根据所述第一直流电压补偿量、所述有功功率偏差值、所述实时直流电压偏差值及所述第二直流电压补偿量计算电流内环d轴的电流参考值；并将所述电流内环d轴的电流参考值输入所述下垂控制器进行动态功率响应和直流电压稳定。
[0029]
优选地，还包括：
[0030]
所述第一直流电压补偿模块，具有用于计算所述有功功率参考值与所述有功功率实际值之间的差值，作为有功功率偏差值；将所述有功功率偏差值乘以预设的直流电压补偿系数的结果，输出为对应的第一直流电压补偿量；
[0031]
所述第二直流电压补偿模块，具体用于计算所述直流电压实际值与所述直流电压参考值之间的差值，作为实时直流电压偏差值；将所述直流电压偏差值乘以预设的补偿系数的结果，输出为对应的第二直流电压补偿量。
[0032]
优选地，所述pi控制器，具体用于根据所述第一直流电压补偿量、所述有功功率偏差值、所述实时直流电压偏差值及所述第二直流电压补偿量计算对应的下垂调节参数；
[0033]
将所述下垂调节参数输入预设的pi控制器，得到电流内环d轴的电流参考值；
[0034]
其中，根据以下公式计算对应的下垂调节参数：
[0035]kdroop
＝{[u
dc-u
dcref
g
vdcudc
g
p
(p-p
ref
)]}/(p
ref-p)
[0036]
其中，k
droop
表示所述下垂控制器的下垂调节参数，p
ref
表示所述下垂控制器预先设定的有功功率参考值，p表示所述下垂控制器的有功功率实际值，u
dcref
表示所述下垂控制器预先设定的直流电压参考值，u
dc
表示下垂控制器的直流电压实际值，g
vdc
表示预设的补偿系数，g
p
表示直流电压补偿系数。
[0037]
综上，实施本发明的实施例，具有如下的有益效果：
[0038]
本发明提供的柔性直流牵引供电系统下垂控制器的控制方法及系统，改进式控制器附加有功功率-直流电压补偿和直流电压二次补偿环节，针对传统下垂控制器在铁路牵引负荷频繁且大功率变化工况下造成的直流电压偏差问题进行了优化，降低了直流系统电压偏差，提高了系统暂态和稳态性能，有效推进基于模块化多电平换流器的直流系统与牵引供电系统相结合的应用场景。
附图说明
[0039]
为了更清楚地说明本发明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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
[0040]
图1为背景技术中柔性直流牵引供电系统的示意图。
[0041]
图2为背景技术中柔性直流牵引供电系统采用传统下垂控制器的动态响应曲线的示意图。
[0042]
图3为本发明实施例中一种柔性直流牵引供电系统下垂控制器的控制方法的主流程示意图。
[0043]
图4为本发明实施例中一种柔性直流牵引供电系统下垂控制器的控制方法的逻辑示意图。
[0044]
图5为本发明实施例中一种柔性直流牵引供电系统下垂控制器的控制系统的示意
图。
具体实施方式
[0045]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
[0046]
如图1所示，本技术提供的基于对称双极式的柔性直流牵引供电系统mmc-mtdc tpss，如图2所示，柔性直流牵引供电系统mmc-mtdc tpss中三相交流电网侧换流站采用的传统下垂控制器外环控制，其中，左侧的给出mmc u1与mmc l1换流器所采用的的控制器，p
ref
为下垂控制器预先设定的有功功率参考值；p为下垂控制器通过采集电流与电压信号计算所得有功功率实际值；u
dcref
为下垂控制器预先设定的直流电压参考值，u
dc
为下垂控制器通过传感器采集到的直流电压实际值；i
dref
为通过该外环控制器计算后所得d轴内环电流参考信号，并发送至控制器内环，k
droop
为所控制器预先设定的下垂调节系数。右侧给出了当牵引负荷侧功率发生变化时mmc-mtdc tpss三相电网侧换流站采用传统下垂控制器的动态响应曲线。根据图可知，当牵引负荷侧机车功率发生变化(图中实际有功功率运行点从a点运行至b点)，mmc u1和mmc l1为了参与mmc-mtdc tpss的有功功率平衡调节，均出现了直流偏差。当负载侧功率变化较大时，直流偏差值也会相应增加。
[0047]
如图3和图4所示，为本发明提供的一种柔性直流牵引供电系统下垂控制器的控制方法的一个实施例的示意图。在该实施例中，所述方法包括以下步骤：
[0048]
获取所述下垂控制器的电流值与电压值，并根据所述电流值与所述电压值计算有功功率实际值；也就是，下垂控制器通过采集电流与电压信号计算所得有功功率实际值。
[0049]
进一步的，根据预设的有功功率参考值和所述有功功率实际值计算有功功率偏差值；并根据所述有功功率偏差值确定对应的第一直流电压补偿量；也就是，将系统运行时下垂控制器有功功率参考值和有功功率实际值做比较，确定有功功率偏差值。乘以预设的有功功率-直流电压系数(g
p
)作为反馈值，作为输入量叠加到直流电压控制环节。
[0050]
本实施例中，计算所述有功功率参考值与所述有功功率实际值之间的差值，作为有功功率偏差值。并将所述有功功率偏差值乘以预设的直流电压补偿系数的结果，输出为对应的第一直流电压补偿量。也就是，为了缓解负载侧有功功率变化时直流电压产生较大误差的问题(特备是在牵引负荷列车在启动、加速和减速的瞬态过程中)，通过电压补偿计算有功功率实时测量值(p)与预定值(p
ref
)之间的功率误差值(δp)，乘以预设的有功功率-直流电压系数(g
p
)作为直流电压的反馈值补偿至直流电压控制环。
[0051]
进一步的，获取所述下垂控制器测量的直流电压实际值，根据所述直流电压实际值和预设的直流电压参考值计算实时直流电压偏差值；并根据所述直流电压偏差值确定对应的第二直流电压补偿量；也就是，将系统运行时下垂控制器测量的直流电压实际值与直流电压参考值二次作差，得到实时直流电压偏差值(δu
dc
)。根据所得直流电压偏差信号，采用电压补偿回路将直流电压信号乘以一个预设补偿系数(g
vdc
)，然后将其添加到控制器的电压误差计算环节。
[0052]
本实施例中，计算所述直流电压实际值与所述直流电压参考值之间的差值，作为实时直流电压偏差值。并将所述直流电压偏差值乘以预设的补偿系数的结果，输出为对应的第二直流电压补偿量。也就是，为了补偿传统下垂控制器在系统稳态存在的直流压降的
问题，通过二次电压补偿环节，将直流电压信号乘以一个预先设定的补偿系数(g
vdc
)，并将其添加到该下垂控制器的电压误差计算环节。
[0053]
进一步的，根据所述第一直流电压补偿量、所述有功功率偏差值、所述实时直流电压偏差值及所述第二直流电压补偿量计算电流内环d轴的电流参考值；也就是，功功率-直流电压补偿量和二次直流电压补偿量，将有功功率计算值和直流电压计算值通过下垂控制系数k
droop
和pi控制器计算后即可得到电流内环d轴电流参考值。
[0054]
本实施例中，根据所述第一直流电压补偿量、所述有功功率偏差值、所述实时直流电压偏差值及所述第二直流电压补偿量计算对应的下垂调节参数；具体地，根据以下公式计算对应的下垂调节参数：
[0055]kdroop
＝{[u
dc-u
dcref
g
vdcudc
f
p
(p-p
ref
)]}/(p
ref-p)
[0056]
其中，k
droop
表示所述下垂控制器的下垂调节参数，p
ref
表示所述下垂控制器预先设定的有功功率参考值，p表示所述下垂控制器的有功功率实际值，u
dcref
表示所述下垂控制器预先设定的直流电压参考值，u
dc
表示下垂控制器的直流电压实际值，g
vdc
表示预设的补偿系数，g
p
表示直流电压补偿系数。
[0057]
将所述下垂调节参数输入预设的pi控制器，得到电流内环d轴的电流参考值。也就是，将确定的调节参数输入pi控制器中可以计算出对应的电流内环d轴的电流参考值，需要说明的是，将调节参数输入pi控制器中计算出对应的电流内环d轴的电流参考值是本领域中常用的方式，本发明主要体现在对调节参数的调整改进原有偏差大的问题，在次不再赘述。
[0058]
进一步的，将所述电流内环d轴的电流参考值输入所述下垂控制器进行动态功率响应和直流电压稳定。也就是，将以上所得控制参数值传输至mmc-mtdc tpss中的下垂控制器，即本专利中mmc u1和mmc l1换流站控制器，可最终实现mmc-mtdc tpss中的动态功率响应能力和直流电压稳定能力。
[0059]
如图5所示，本实施例中，还提供一种柔性直流牵引供电系统下垂控制器的控制系统，用以实现所述柔性直流牵引供电系统下垂控制器的控制方法，包括：
[0060]
直流电压补偿模块，用以获取所述下垂控制器的电流值与电压值，并根据所述电流值与所述电压值计算有功功率实际值；根据预设的有功功率参考值和所述有功功率实际值计算有功功率偏差值；并根据所述有功功率偏差值确定对应的第一直流电压补偿量；
[0061]
本实施例中，所述直流电压补偿模块，具有用于计算所述有功功率参考值与所述有功功率实际值之间的差值，作为有功功率偏差值；将所述有功功率偏差值乘以预设的直流电压补偿系数的结果，输出为对应的第一直流电压补偿量。
[0062]
直流电压补偿模块，用以获取所述下垂控制器测量的直流电压实际值，根据所述直流电压实际值和预设的直流电压参考值计算实时直流电压偏差值；并根据所述直流电压偏差值确定对应的第二直流电压补偿量；
[0063]
本实施例中，所述第二直流电压补偿模块，具体用于计算所述直流电压实际值与所述直流电压参考值之间的差值，作为实时直流电压偏差值；将所述直流电压偏差值乘以预设的补偿系数的结果，输出为对应的第二直流电压补偿量。
[0064]
pi控制器，用以根据所述第一直流电压补偿量、所述有功功率偏差值、所述实时直流电压偏差值及所述第二直流电压补偿量计算电流内环d轴的电流参考值；并将所述电流
内环d轴的电流参考值输入所述下垂控制器进行动态功率响应和直流电压稳定。
[0065]
本实施例中，所述pi控制器，具体用于根据所述第一直流电压补偿量、所述有功功率偏差值、所述实时直流电压偏差值及所述第二直流电压补偿量计算对应的下垂调节参数；
[0066]
将所述下垂调节参数输入预设的pi控制器，得到电流内环d轴的电流参考值；
[0067]
其中，根据以下公式计算对应的下垂调节参数：
[0068]kdroop
＝{[u
dc-u
dcref
g
vdcudc
g
p
(p-p
ref
)]}/(p
ref-p)
[0069]
其中，k
droop
表示所述下垂控制器的下垂调节参数，p
ref
表示所述下垂控制器预先设定的有功功率参考值，p表示所述下垂控制器的有功功率实际值，u
dcref
表示所述下垂控制器预先设定的直流电压参考值，u
dc
表示下垂控制器的直流电压实际值，g
vdc
表示预设的补偿系数，g
p
表示直流电压补偿系数。
[0070]
需说明的是，上述实施例所述系统与上述实施例所述方法对应，因此，上述实施例所述系统未详述部分可以参阅上述实施例所述方法的内容得到，此处不再赘述。
[0071]
综上，实施本发明的实施例，具有如下的有益效果：
[0072]
本发明提供的柔性直流牵引供电系统下垂控制器的控制方法及系统，改进式控制器附加有功功率-直流电压补偿和直流电压二次补偿环节，针对传统下垂控制器在铁路牵引负荷频繁且大功率变化工况下造成的直流电压偏差问题进行了优化，降低了直流系统电压偏差，提高了系统暂态和稳态性能，有效推进基于模块化多电平换流器的直流系统与牵引供电系统相结合的应用场景。
[0073]
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。