基于無差拍嵌入式重復(fù)控制的鐵路功率調(diào)節(jié)器

趙 樂, 曹以龍, 陳 坤

(上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院, 上海 200090)

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基于無差拍嵌入式重復(fù)控制的鐵路功率調(diào)節(jié)器

趙 樂, 曹以龍, 陳 坤

(上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院, 上海 200090)

針對V/V牽引供電系統(tǒng)中電氣化鐵路諧波污染與高負(fù)序含量的問題,采用一種鐵路功率調(diào)節(jié)器(RPC).分析了其基本結(jié)構(gòu)和補(bǔ)償原理,提出了一種預(yù)測無差拍和重復(fù)式控制相結(jié)合的內(nèi)環(huán)電流控制方法.該方法可以解決內(nèi)環(huán)電流指令跟蹤快速性的問題,同時(shí)也提高了系統(tǒng)的魯棒性,降低了控制延時(shí)與電感偏差對電流控制的影響,并能很好地抑制電流諧波.電壓外環(huán)采用PI控制,以保證電壓外環(huán)的穩(wěn)定.最后通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的正確性.

鐵路功率調(diào)節(jié)器; 負(fù)序; 諧波; 無差拍; 嵌入式重復(fù)控制

針對高速電力機(jī)車負(fù)載引起的三相電流不平衡所產(chǎn)生的負(fù)序電流,日本學(xué)者率先提出了鐵路功率調(diào)節(jié)器(Railway Static Power Conditioner,RPC)[1-2].RPC 能夠?qū)ω?fù)序、諧波和無功功率進(jìn)行就地綜合補(bǔ)償,適用于對高速鐵路突出的負(fù)序和諧波問題進(jìn)行綜合治理.文獻(xiàn)[3]提出了利用滯環(huán)比較的方式作為電流內(nèi)環(huán)的控制方式,在大功率電能轉(zhuǎn)移中,由于開關(guān)頻率較低,這樣的方式最為簡單,但是滯環(huán)的開關(guān)頻率不固定,對開關(guān)管的要求較高;文獻(xiàn)[4]提出了內(nèi)環(huán)利用模糊遞推的PI控制方式,實(shí)現(xiàn)PI參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整,但是這一方式對控制器的要求較高;文獻(xiàn)[5]提出了一種重復(fù)預(yù)測模型與無差拍相結(jié)合的方式,實(shí)現(xiàn)了對參考電流信號的快速、平滑跟蹤和直流側(cè)電壓的平穩(wěn)控制.

本文結(jié)合V/V牽引變壓器的高速鐵路的特點(diǎn),提出了一種嵌入式重復(fù)控制串聯(lián)無差拍的控制方法.該方法能有效地解決內(nèi)環(huán)電流指令跟蹤快速性的問題,同時(shí)具有諧波抑制能力.最后通過原理仿真的方式,驗(yàn)證了本文所提方法的有效性.

1 RPC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其補(bǔ)償原理分析

RPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 RPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1中,三相鐵路供電系統(tǒng)的高壓經(jīng)過三相V/V牽引變壓器后變?yōu)閮蓚€(gè)低電壓的單相電壓,再給兩供電臂機(jī)車供電.RPC通過兩個(gè)隔離降壓變壓器連接于兩供電臂,兩個(gè)電源共用直流電容背靠背地連接在一起.RPC控制就是通過合適的控制方法對單相背靠背電力變換器進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)有功功率的轉(zhuǎn)移,同時(shí)具有一定的諧波治理能力.

RPC要想完成有功和無功功率的轉(zhuǎn)移及諧波的治理,就應(yīng)按照相應(yīng)的提取方法提取有功分量和無功分量,然后利用變流器的控制特性跟蹤指令電流,即可完成負(fù)序補(bǔ)償和諧波抑制功能.

2 系統(tǒng)的控制策略

在系統(tǒng)的控制中,RPC需要在實(shí)際補(bǔ)償信號的基礎(chǔ)上疊加直流側(cè)的電壓.基于上述要求,系統(tǒng)的電流控制需要有良好的動態(tài)性能,電壓環(huán)需要有較強(qiáng)的適應(yīng)性.RPC控制原理如圖2所示.

2.1 嵌入式重復(fù)控制

內(nèi)環(huán)的設(shè)計(jì)會影響整個(gè)控制系統(tǒng)的功能,本文采用嵌入式結(jié)構(gòu)的重復(fù)控制器串聯(lián)無差拍控制的方式,目的是為了解決重復(fù)控制器對指令跟蹤的速度限制問題.其具體的原理框圖如圖3所示.

圖3中,G(z)為控制系統(tǒng)的等效傳函,輸入為in,輸出為out.

(1) 周期延時(shí)環(huán)節(jié) 串聯(lián)周期延時(shí)環(huán)節(jié)z-N使控制系統(tǒng)延時(shí),存儲本周期的指令誤差,并將這種誤差在下一個(gè)周期來臨時(shí)得到消除,若這些誤差信號具有重復(fù)性和周期性,那么這樣的控制方式就會使控制作用具有周期超前性.

(2) 補(bǔ)償器環(huán)節(jié) 由于在該控制系統(tǒng)中引入了超前控制,那么相位和幅值就與原系統(tǒng)有一定的相差,需要添加相應(yīng)的補(bǔ)償環(huán)節(jié)來彌補(bǔ)這種超前,以保證系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性.圖3中補(bǔ)償器G(z)的作用就是提供這一功能.補(bǔ)償器的引入保證了重復(fù)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定,并可以在一定程度上改善控制效果.補(bǔ)償器的形式為:

(1)

式中:zk——超前環(huán)節(jié),為解決相位滯后而添加;Kr——比例增益;S(z)——濾波器.

S(z)的功能如下:將控制對象的中頻增益校正為1;抵消諧振峰值,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性;增強(qiáng)前向通道的高頻衰減特性.

圖2 RPC控制原理

圖3 嵌入式重復(fù)控制系統(tǒng)示意

2.2 無差拍控制

傳統(tǒng)無差拍的控制方法受到電感的影響,其控制的魯棒性不高.本文使用了一種預(yù)測式無差拍的控制方法,可以提前一個(gè)周期預(yù)測指令電流值.

RPC單相等效模型如圖4所示.

圖4 RPC單相等效模型

忽略阻抗,無差拍控制可表示為:

本文將式(2)改寫為:

而

(4)

由此得到:

(5)

這里引入一個(gè)系數(shù)m,目的是為了保證整個(gè)系統(tǒng)預(yù)測的魯棒性.這種預(yù)測的表達(dá)式為:

(6)

根據(jù)本文的設(shè)計(jì),m的變化范圍須大于0.6,由經(jīng)驗(yàn)公式及本文的實(shí)際仿真效果,這里選擇0.65.根據(jù)本文的設(shè)計(jì),其原理框圖如圖5所示.

圖5 預(yù)測無差拍的實(shí)現(xiàn)原理示意

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所提出方法的可行性,利用Matlab進(jìn)行了相關(guān)的仿真實(shí)驗(yàn).其中,負(fù)載用電阻和不可控的整流負(fù)載進(jìn)行等效.假設(shè)原理實(shí)驗(yàn)平臺中a相無機(jī)車負(fù)載,b相有負(fù)載,負(fù)載由20 kW突變?yōu)?0 kW,當(dāng)電流的畸變率為10%時(shí)利用本文的算法進(jìn)行負(fù)序補(bǔ)償和諧波仿真.相關(guān)仿真參數(shù)如表1所示.仿真結(jié)果如圖6所示.

表1 RPC參數(shù)

圖6 仿真結(jié)果

由圖6可以看出,RPC有效地解決了負(fù)序和諧波的問題,補(bǔ)償后三相的電流基本完全對稱,在負(fù)載突變時(shí),系統(tǒng)能很快地穩(wěn)定下來,由不可控的電路導(dǎo)致的諧波能得到很好的補(bǔ)償.

同時(shí)為驗(yàn)證以上的仿真還進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn),平臺由上海電力學(xué)院電子與信息工程學(xué)院微微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室提供,其參數(shù)如表1所示.實(shí)驗(yàn)波形如圖7所示.

圖7中,上面的波形為補(bǔ)償橋臂一側(cè)由全補(bǔ)償?shù)讲谎a(bǔ)償過程中的波形變化,下面的三相電流波形為一次側(cè)電流波形在突變過程中的變化.由圖7可以看出,補(bǔ)償前后的波形變化明顯,補(bǔ)償后不平衡度明顯變好.

注:橫坐標(biāo)每格為20 ms,縱坐標(biāo)每格為20 A.

圖7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

(1) 利用內(nèi)環(huán)嵌入式重復(fù)控制和預(yù)測無差拍的控制方式,聯(lián)合了背靠背的逆變器來實(shí)現(xiàn)電壓電流的平滑控制,保證了有功功率的平穩(wěn)流動,無功功率和諧波的穩(wěn)定補(bǔ)償;

(2) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,利用RPC裝置可以有效地解決電氣化軌道交通中的電能質(zhì)量問題;

(3) 通過預(yù)測式的無差拍控制方法,RPC的瞬態(tài)特性較快,同時(shí)又保證了波形的治理效果,而且這種預(yù)測式無差拍的方式能提高系統(tǒng)對于電感參數(shù)變化的適應(yīng)性,增加系統(tǒng)的魯棒性;

(4) 采用重復(fù)控制的思想,對于電流的周期性諧波、特別是對于系統(tǒng)死區(qū)導(dǎo)致的諧波干擾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] 吳傳平,羅安,徐先勇,等.采用 V/V變壓器的高速鐵路牽引供電系統(tǒng)負(fù)序和諧波綜合補(bǔ)償方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2010,30(16):111-116.

[4] 馬伏軍,羅安,徐先勇,等.大功率混合型電氣化鐵路功率補(bǔ)償裝置[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2011,26(10):93-102.

[5] 馬伏軍,羅安,吳傳平,等.V/V牽引供電系統(tǒng)中鐵路功率調(diào)節(jié)器的控制方法研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2011,31(13):63-70.

(編輯 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

趙樂(1991-),男,在讀碩士,湖北松滋人.主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù),微電網(wǎng),電能質(zhì)量.E-mail:le.zhao@foxmail.com.

上海市科技創(chuàng)新行動計(jì)劃地方院校能力建設(shè)項(xiàng)目(13160500900,14110500900).

U223.52;TP183

A

1006-4729(2017)01-0065-04