一种铁路功率调节器的无电流传感器控制的电流重构方法

1.本发明涉及电力系统技术领域，尤其设计一种铁路功率调节器的无电流传感器控制的电流重构方法。


背景技术：

2.随着电力技术的不断发展，铁路功率调节器因其有良好的综合补偿性能，具有端口的可扩展性、系统的可控性和灵活性，其在v/v牵引系统中的应用可以以解决高速铁路的大部分电能质量问题受到广泛的关注。铁路功率调节器传统控制策略实现要基于传感器电流电压信号的实时采集，传感器的精确性和稳定性直接影响系统的性能，传统电流传感器基于电阻分流和电磁感应原理，这类传感器检测范围小，精度低，易受干扰。近年来，光纤传感器和霍尔传感器因其测量范围广，不易受外界干扰，结构紧凑的优点收到广泛关注和应用。但面临其成本昂贵的问题。在其运行的过程中，一旦电流传感器出现故障，会造成系统失稳，动态性能降低，严重时甚至会造成系统的损坏。


技术实现要素：

3.本发明提供一种铁路功率调节器的无电流传感器控制的电流重构方法，解决了电流传感器故障造成的铁路功率调节器不能稳定运行的问题，同时增强了系统的可靠性并减小了成本。
4.为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案，包括：
5.构建铁路功率调节器的状态空间模型，设计状态观测器，得到α臂与β臂电流能观测；
6.利用滤波电感电压来得到重构电流表达式；
7.获取牵引供电系统接入铁路功率调节器后α臂与β臂降压变压器低压侧的电压；
8.获取牵引供电系统接入铁路功率调节器后α臂与β臂控制系统的调制电压；
9.根据变压器低压侧电压和调制电压推导出重构电流的传递函数；
10.根据传递函数建立重构电流表达式；
11.将重构电流引入控制策略实现闭环控制；
12.进一步地，所述目标函数为：
13.1)α臂与β臂的滤波电感d-q轴电压表达式
[0014][0015]
其中x＝{α,β}是rpc的两个桥臂，ω是从锁相环得到的角频率，u
sd
和u
sq
是降压变压器低压侧电压的d-q轴分量，u
cd
和u
sq
是变流器输出交流电压的d-q轴分量。l、r是变流器的滤波电感和寄生电阻。
[0016]
2)能观性判断
[0017]
进一步地，建立rpc变换器的状态空间模型
[0018][0019]
其中α,β是rpc的两个桥臂，ω是从锁相环得到的角频率。l
β
，r
β
，l
α
，r
α
是变流器两桥臂的滤波电感和寄生电阻。
[0020]
进一步地，设计观测器，系统观测量和输出观测量满足如下方程
[0021][0022]
其中以α相为例，a为状态矩阵，b为输入矩阵，c为输出矩阵，l为观测器增益矩阵，通过电感电压作为输入，i
ad
、i
aq
作为状态变量，i
ad
、i
aq
输出构建状态观测器。
[0023]
进一步地，状态矩阵a为式(4)所示，输出矩阵c为式(5)所示。
[0024][0025]
c＝[1 0]
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0026]
且根据式(4)(5)可以得到能观判别矩阵
[0027][0028]
rank[q0]＝2，因此状态向量i
ad
、i
aq
可以观测的，s表示微分环节。
[0029]
3)电流重构函数
[0030][0031][0032]
将式(1)联立解得得到式(7)(8)，g1(s)与g2(s)为电流重构函数，分别为计算过后得到的重构电流d-q轴电感电压前面的系数，和为重构电流，可以看到式(7)(8)中所有的参数都没有电流耦合相，u
sd
可以通过传感器测量得到，u
cd
通过控制模型得到,如式(9)(10)所示。
[0033][0034][0035]
式(9)(10)为控制模型中直流侧电压和调制波信息得到的输出电压，md、mq分别为控制系统中产生的d轴与q轴的占空比，可以从控制系统中获得，ts是pwm的开关周期，因为
采样环节和计算环节存在延时所以存在惯性环节1/1 ts。
[0036]
综合式(7)(8)(9)(10)得到重构电流表达式为式(11)所示。输入量为直流侧电压、控制系统产生的d-q轴平均占空比和降压变压器端电压。
[0037][0038]
至此，重构电流表达式已全部确定。
[0039]
本发明提供一种铁路功率调节器的无电流传感器控制的电流重构方法，在电流闭环控制中重构电流可以替换电流传感器输出,实现无电流传感器控制。该电流重构方法可以有效跟踪电流，保证重构电流的准确性，无传感器闭环控制时，可以快速反应电流参考值引起的变化，保障系统的长期稳定运行。
附图说明
[0040]
图1为铁路功率调节器无电流传感器控制策略示意图；
[0041]
图2为电流传感器故障后切换为无电流传感器控制d-q轴电流id、id；
[0042]
图3为电流传感器故障后切换为无电流传感器控制直流电压udc；
[0043]
图4为电流传感器故障后切换为无电流传感器控制三相电流iabc；
具体实施方式
[0044]
为使得本发明的特征和优点能够更加明显和易懂，下面结合附图对本发明进一步详细描述。
[0045]
一种铁路功率调节器的无电流传感器控制框图如图1所示，包括：
[0046]
步骤s101，构建铁路功率调节器的状态空间模型，设计状态观测器，得到α臂与β臂电流能观测；
[0047]
步骤s102，利用滤波电感电压来得到重构电流表达式；
[0048]
步骤s103，获取牵引供电系统接入铁路功率调节器后α臂与β臂降压变压器低压侧的电压；
[0049]
步骤s104，获取牵引供电系统接入铁路功率调节器后α臂与β臂控制系统的调制电压；
[0050]
步骤s105，根据变压器低压侧电压和调制电压推导出重构电流的传递函数；
[0051]
根据传递函数建立重构电流表达式；
[0052]
步骤s106，将重构电流引入控制策略实现闭环控制；
[0053]
上述步骤的具体现实方法为：构建滤波电感d-q轴电压的数学模型，通过状态空间方程建立观测器判断电流的能观性，通过d-q电流的数学模型计算出重构电流的传递函数表达式，通过降压变压器低压侧电压和铁路功率调节器发出的调制电压共同推导出重构电流表达式，用电压来估算电流值，从而实现无电流传感器控制。
[0054]
所述目标函数为：
[0055]
1)α臂与β臂的滤波电感d-q轴电压表达式
[0056][0057]
其中x＝{α,β}是rpc的两个桥臂，ω是从锁相环得到的角频率，u
sd
和u
sq
是降压变压器低压侧电压的d-q轴分量，u
cd
和u
sq
是变流器输出交流电压的d-q轴分量。l、r是变流器的滤波电感和寄生电阻。
[0058]
2)能观性判断
[0059]
建立rpc变换器的状态空间模型
[0060][0061]
进一步地，设计观测器，系统观测量和输出观测量满足如下方程
[0062][0063]
其中以α相为例，a为状态矩阵，b为输入矩阵，c为输出矩阵，l为观测器增益矩阵，通过电感电压作为输入，i
ad
、i
aq
作为状态变量，i
ad
、i
aq
输出构建状态观测器。
[0064]
进一步地，状态矩阵a为式(15)所示，输出矩阵c为式(16)所示。
[0065][0066]
c＝[1 0]
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0067]
且根据式(15)(16)可以得到能观判别矩阵
[0068][0069]
rank[q0]＝2，因此状态向量i
ad
、i
aq
可以观测的。
[0070]
3)电流重构函数
[0071][0072][0073]
将式(12)联立解得得到式(18)(19)，g1(s)与g2(s)为电流重构函数，分别为计算过后得到的重构电流d-q轴电感电压前面的系数，和为重构电流，可以看到式(18)(19)中所有的参数都没有电流耦合相，u
sd
可以通过传感器测量得到，u
cd
通过控制模型得到,如式(20)(21)所示。
[0074][0075][0076]
式(20)(21)为控制模型中直流侧电压和调制波信息得到的输出电压，md、mq分别为控制系统中产生的d轴与q轴的占空比，可以从控制系统中获得，ts是pwm的开关周期，因为采样环节和计算环节存在延时所以存在惯性环节1/1 ts。
[0077]
综合式(18)(19)(20)(21)得到重构电流表达式为式(22)所示。输入量为直流侧电压、控制系统产生的d-q轴平均占空比和降压变压器端电压。
[0078][0079]
至此，重构电流表达式已全部确定。
[0080]
在图2中在0.25s时，电流传感器故障无法读取α相电流ia，电流突变，系统检测到电流值异常切换无电流传感器控制，结果表明。经过0.15s的调解时间后，d-q轴电流值又重新趋于稳定，且振幅不超过150a，稳态值准确，动态性能优秀，能迅速反应电流阶跃的变化，由此证明重构电流的准确性，可以使用重构电流替换采样电流，从而实现无电流传感器电流反馈控制。
[0081]
图3中0.25s电流传感器发生故障，导致直流电压失稳，最大振幅达到2700v，此时系统检测到电压值异常时，在0.3s时切换为无电流传感器控制，此时直流电压开始调节，经过约0.1s的调节时间后，直流电压重新回到稳定值2000v，且最大振幅不超过10v。由此说明无电流传感器控制能够稳定直流电压值。
[0082]
图4中结果表明，在0.25s时，电流传感器发生故障，此时三相电流发生失稳，此时系统检测到电流值异常在0.3s时切换为无电流传感器控制，经过约0.05s调节时间后，三相电流重新恢复对称状态，三相不平衡度约εi＝8％，由此证明了本文提出控制的准确性。在无电流传感器闭环控制下应对电流阶跃时，可以迅速反应，并实现无差调节。综合以上分析可以说明，在使用本文提出的无电流传感器电流闭环控制策略时，可以保证系统的安全可靠运行。
[0083]
通过本发明提供一种铁路功率调节器的无电流传感器控制的电流重构方法，在电流闭环控制中重构电流可以替换电流传感器输出,实现无电流传感器控制。该电流重构方法可以有效跟踪电流，保证重构电流的准确性，无传感器闭环控制时，可以快速反应电流参考值引起的变化，保障系统的长期稳定运行。
[0084]
最后，本技术的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含本发明的保护范围之内。