本發明涉及鐵路牽引變電站的控制領域，尤其是涉及一種用于鐵路負序動態調節裝置的控制系統。

背景技術：

電氣化鐵路牽引供電網的供電可靠和安全性是電力機車安全、可靠、經濟運行的重要保障。而電力機車作為一種特殊的電力負荷，其釆用單相供方式,在未采取補償措施時不可避免地向上級電力系統注入負序電流；由于電力機車負荷為整流驅動和具有隨機性,同時帶來了無功、諧波、電壓波動等電能質量問題嚴重惡化了牽引供電網及其上級電力系統的電能質量。其中，負序電流增大同步電機的附加損耗、降低變壓器出力、引起繼電保護裝置誤動等；諧波電流引起發電機、變壓器、輸電線路附加損耗，并可能產生諧波放大燒毀電力設備；無功功率不足增加輸電線路損耗,降低電壓水平。給電力系統和牽引網的安全可靠供電帶來了挑戰。因此，必須采取有效的治理措施，對牽引供電網的電能質量進行控制，使其處于允許范圍內，以保證電力系統和牽引網安全可靠供電。

目前國內外提出的電氣化鐵路負序、諧波和無功綜合補償方法可以分為主動治理和被動治理兩類。主動治理方法主要有：(1)規劃時增大牽引網容量,提高牽引網電能質量問題容忍能力；(2)牽引變電所進線換相接入，可明顯降低因牽引網單相供電產生的負序；(3)采用平衡牽引變壓器降低負序；(4)釆用交直交型電力機車,可有效降低機車諧波含量，且功率因數接近1，但不能解決負序問題。被動治理方法主要有：(1)無源補償器。主要是靜止無功補償器(staticvarcompensator,svc)；(2)有源補償器。主要有單相接入的有源電力濾波器(activepowerfilter，apf)、三相接入的靜止同步補償器(staticcompensator，statcom)、兩相接入的鐵路功率調節器(railwaypowerconditioner，負序動態調節裝置)及各種變型結構。但是這些方式或技術只能部分改善電能質量，無法有效解決電氣化鐵路中嚴重存在的負序問題。

基于上述原因和現有市場產品的缺陷和不足，提出一種鐵路牽引變負序調節優化裝置，該裝置設置有分別與兩供電臂連接的2個電壓源變流器以及1個為電壓源變流器提供直流側電壓的直流電容，它具有有功電流轉移、無功補償、穩定牽引網電壓和濾波諧波等功能。運行結果表明，負序動態調節裝置在穩定牽引系統供電電壓和諧波治理方面，效果很好，可以替代目前采用的tcr+fc，svc、單一負序動態調節裝置等方案，其市場前景巨大，然而如何對該鐵路牽引變負序調節優化裝置進行控制，從而實現有功電流轉移、無功補償、穩定牽引網電壓以及濾波諧波等功能，仍是一個未解決的問題。

技術實現要素：

本發明的目的是針對上述問題提供一種用于鐵路負序動態調節裝置的控制系統。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種用于鐵路負序動態調節裝置的控制系統，所述鐵路負序動態調節裝置包括2個分別與兩供電臂連接的電壓源變流器以及1個為電壓源變流器提供直流側電壓的直流電容，所述控制系統包括：

參考信號檢測裝置，分別與2個電壓源變流器連接，用于檢測鐵路負序動態調節裝置當前的狀態參數，并根據狀態參數計算分別得到2個電壓源變流器的控制電流；

控制信號發生裝置，根據參考信號檢測裝置計算得到的控制電流，結合直流電容提供的直流側電壓，對2個電壓源變流器進行閉環控制。

所述鐵路負序動態調節裝置當前的狀態參數包括2個電壓源變流器的電壓信號值uα與uβ和實時電流值iα與iβ。

所述參考信號檢測裝置包括：

指令電流計算模塊，根據2個電壓源變流器的電壓信號值uα與uβ和實時電流值iα與iβ，通過計算得到指令電流imp；

有功與無功電流的疊加值計算模塊，根據指令電流計算模塊得到的指令電流imp，結合2個電壓源變流器的電壓信號值uα與uβ，分別計算得到分別與2個電壓源變流器對應的有功電流、無功電流和有功與無功電流的疊加值；

控制電流計算模塊，根據得到的有功與無功電流的疊加值，結合2個電壓源變流器的實時電流值，通過計算得到控制信號發生裝置所需的控制電流icα和icβ。

所述指令電流計算模塊的計算方法具體為：

11)分別計算2個電壓源變流器的電壓信號值與對應的實時電流值的乘積；

12)將步驟11)中計算得到的2個乘積值作和；

13)將步驟12)得到的計算結果進行低通濾波，得到指令電流imp。

所述有功與無功電流的疊加值計算模塊的計算方法具體為：

21)分別將得到的指令電流imp、移相后的2個電壓源變流器的電壓信號值與無功系數值相乘得到分別與2個電壓源變流器對應的無功電流；

22)將得到的指令電流imp進行分別移相得到與2個電壓源變流器對應的有功電流；

23)將步驟21)得到的無功電流和步驟22)得到的有功電流進行疊加，得到分別與2個電壓源變流器對應的有功與無功電流的疊加值。

所述控制電流計算模塊的計算方法具體為：將分別與2個電壓源變流器對應的有功與無功電流的疊加值與2個電壓源變流器的實時電流值作差，得到分別與2個電壓源變流器對應的控制電流icα和icβ。

所述控制信號發生裝置包括：

控制電流參考信號計算模塊，用于根據參考信號檢測裝置得到的控制電流與有功偏差量進行求和，得到控制電流的參考信號；

驅動脈沖計算模塊，用于根據得到的控制電流的參考信號進行計算，得到2個電壓源變流器的驅動脈沖；

修正信號產生模塊，用于根據驅動脈沖引起的直流電容上直流側電壓的信號波動，產生對于控制電流參考信號計算模塊的修正信號，對控制電流的參考信號進行修正。

所述驅動脈沖計算模塊的計算方法具體為：將控制電流的參考信號通過重復預測模型后進行無差拍控制計算，得到2個電壓源變流器的驅動脈沖。

所述修正信號產生模塊的計算方法具體為：

31)將驅動脈沖計算模塊得到的驅動脈沖進行均值濾波；

32)檢測驅動脈沖引起的直流電容上直流側電壓的信號波動值；

33)將均值濾波后的結果值與信號波動值作為輸入，進行復合pi控制計算，得到修正信號。

所述復合pi控制計算的輸入值還包括基于歷史數據的在線辨識值，所述基于歷史數據的在線辨識值具體為：根據基于遺忘因子的遞推最小二乘法，對直流側電壓的信號波動進行在線辨識。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

(1)通過參考信號檢測裝置和控制信號發生裝置的配合，通過對鐵路負序動態調節裝置的電流和電壓信號進行檢測計算，得到2個電壓源變流器的控制電流，并根據該控制電流產生對2個電壓源變流器的驅動信號，從而實現負序動態調節，并根據驅動信號而帶來的直流側電壓的波動，對驅動信號進行閉環控制，提高了控制的精度，保證了控制的實時性。

(2)通過對負序動態調節裝置的兩個電壓源變流器進行分別控制，而電壓源變流器具有諧波抑制、無功補償和整流的功能，從而可以通過閉環控制實現有功電流轉移、無功補償、穩定牽引網電壓和濾波諧波等功能。

(3)利用參考信號檢測裝置，對檢測到的電壓信號值和實時電流值進行計算處理，從而得到當前情況下的控制電流，為后續進行閉環控制提供準確度高的基礎信息。

(4)在進行控制電流的計算過程中，先求取最基礎的指令電流，再根據指令電流分別進行有功電流和無功電流，最后根據已有的信息計算控制電流，一方面先求取指令電流大大減小了重復計算量，簡化了后續計算，另一方面將有功電流和無功電流分開計算再求和，這種計算方式更為簡單直觀，且提高了計算的準確程度。

(5)控制信號發生裝置包括控制電流參考信號計算模塊、驅動脈沖計算模塊和修正信號產生模塊，三者形成了閉環控制結構，通過參考信號的計算結合驅動脈沖計算模塊，計算電壓源變流器的初始驅動脈沖，實現對負序動態調節裝置的控制，繼而通過修正信號產生模塊，根據初始驅動脈沖帶來的直流電容的電壓波動來計算修正信號，從而再將該修正信號反饋給控制電流參考信號計算模塊就算修正后的參考信號，根據修正后的參考信號再次進行驅動脈沖的計算，通過一個反饋調節過程，保證了負序動態調節裝置的控制準確性和高度的自適應性。

(6)驅動脈沖計算模塊是將參考信號通過重復預測模型后通過無差拍控制方法精確地計算每個控制周期的占空比，該計算方法準確性高，實用性能強，提高了整體系統的控制精度。

(7)在進行修正信號的計算過程中，通過基于遺忘因子的遞推最小二乘法，利用歷史數據對直流側電壓的信號波動進行在線辨識，該方法可以顯著的提高控制的精確性和適應性。

附圖說明

圖1為用于鐵路負序動態調節裝置的控制系統的控制框圖；

圖2為用于鐵路負序動態調節裝置的控制系統的簡化原理圖；

圖3為系統負序補償矢量原理圖，(3a)為三相電壓原理圖，(3b)為副邊電壓原理圖，(3c)為電流原理圖；

其中，1為參考信號檢測裝置，11為鎖相環，12為移相器，13為低通濾波器，2為控制信號發生裝置，21為重復預測模型，22為無差拍控制器，23為均值濾波器，24為復合pi控制器，25為最小二乘算法器。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。本實施例以本發明技術方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。

如圖2所示，三相220kv高壓經三相v/v變壓器變為2個電壓等級為27.5kv的單相電壓給兩供電臂機車供電。負序動態調節裝置通過2個降壓變壓器連接于兩供電臂，2個背靠背電壓源變流器通過1個共用的直流電容連接在一起，直流電容給兩變流器提供直流電壓。負序動態調節裝置可采用合適的控制方法，聯合兩逆變器實現有功功率從一供電臂轉移至另一供電臂，同時能各自進行無功與諧波補償，從而達到負序和諧波補償的目的。

由于高速鐵路機車一般為交直交電力機車，采取四象限脈寬調制(pulsewidthmodulation，pwm)脈沖整流控制方式，功率因數接近1。為便于分析，假設v/v牽引變壓器變比kb＝1，α相供電臂有機車負載電流為iαl，而β相供電臂機車負載電流為iβl。

如圖3所示，ua、ub、uc為原邊三相電壓，uα、uβ為牽引變壓器副邊電壓，其相角相差π/3。在負序動態調節裝置補償前，兩橋臂分別有有功機車負載電流iαl和iβl，首先通過負序動態調節裝置將兩牽引臂有功電流差值的1/2，即為(iαl-iβl)/²，從輕載側轉移到重載側，此時兩橋臂電流的幅值分別為iα和iβ，其幅值相等，相角相差π/3，但此時可計算得到電流不平衡度為50％。在此基礎上，在α橋臂補償一定的容性無功電流icα，使電icβ，使電流滯后該橋臂電壓π/6，此時有

這樣補償之后得到的兩橋臂電流iα、iβ分別與ia和ib重合，相角相差2π/3，并可以求得原邊c相電流。此時原邊三相電流完全對稱，負序電流為0，并且可推知原邊三相功率因數都為1，此時就到達了綜合補償的目的。對于其他任何負載情況下的v/v牽引系統，負序動態調節裝置都遵循上述的負序補償原理。

為提高負序動態調節裝置補償裝置的控制性能及安全穩定性能，本實施例從信號檢測及控制方法著手，構建出圖1所示負序動態調節裝置的控制系統。其算法描述就是根據能量平衡的關系，直流側電壓外環采用了一種基于精確反饋的調節器，電壓誤差被調節器處理后分別乘以兩供電臂的同步信號，得到負序動態調節裝置的兩逆變器直流側電壓調節信號，并與檢測環節求得的電流參考信號疊加，得到兩變流器的實際電流參考信號。直流側電壓通過兩變流器的充放電來共同維持，保證了兩變流器兩側功率平衡，功率模塊損耗由兩供電臂分擔。為了實現對內環電流信號的快速跟蹤，本文通過采用無差拍控制方法精確地計算出每個控制周期的占空比。考慮到系統參數波動對雙環控制具有很大的負面影響，通過采用基于遺忘因子的遞推最小二乘算法，利用歷史數據對系統參數進行在線辨識，來提高控制的精確性與適應性。

參考信號檢測裝置1

兩相電壓信號和實時電流相乘后將乘積相加，經低通濾波器后，其值為兩相有功電流峰值和的一半，這應該是補償后a、b相供電臂電流峰值的理想值。也就是說，補償后a、b相供電臂電流均為有功，且大小為兩供電臂電流值的一半。將兩臂電流平均峰值乘以a、b相供電臂電壓同步信號，即得到兩相的有功電流瞬時值。由于負序動態調節裝置并不承擔所有的無功補償，因此將無功電流分離檢測出來，與有功電流疊加，再與a、b相供電臂負載電流相減，得到負序動態調節裝置補償電流的負序和諧波參考量。因為已將無功電流減去，負序與諧波參考量中并不包含無功補償參考量。負序動態調節裝置無功補償量根據無功分配得到。

控制信號發生裝置2

負序動態調節裝置兩變流器要正常工作，必須獲得一個穩定的直流側電壓。因此負序動態調節裝置電流控制要兼顧直流側電壓控制。負序動態調節裝置包括了兩個變流器單元，它們均具有諧波抑制、無功補償和整流(或逆變)的功能，兩個變流器通過一個直流側連接起來，實際上可以視為兩個獨立的變流器單元，其直流側電壓由兩個變流器共同補充或釋放能量。當直流側電壓低于參考電壓時，由兩變流器共同給其充電，當直流側電壓低于參考電壓時，由兩變流器共同向電網釋放電能，共同作用維持直流側電壓穩定。同時，實現了功率模塊開關損耗由兩供電臂共同承擔，這樣就保證了兩變流器兩側的功率相等，進一步保證了三相電流的對稱。

基于上述考慮，負序動態調節裝置實際的補償參考電流在原來負序、諧波和無功參考電流的基礎上再疊加一個直流側電壓控制得到的有功電流分量。直流側電壓的跟蹤誤差經pi調節后，分別與a、b相供電臂電壓的同步信號sinωt和sin(ωt-π/2)相乘，得到負序動態調節裝置中a、b相變流器的有功指令，并與負序、諧波和無功補償電流參考指令疊加，得到負序動態調節裝置兩變流器的實際電流參考指令。通過直流側電壓由兩變流器共同控制維持的方法，保證了兩變流器兩側功率平衡，功率模塊損耗由兩供電臂分擔。負序動態調節裝置兩變流器電流跟蹤選取滯環控制方法，保證兩變流器具有較快的響應速度。因此，負序動態調節裝置兩變流器的控制實際上可視為直流側電壓外環、電流內環的雙閉環控制方法。

基于上述原理，最終得到一種用于鐵路負序動態調節裝置的控制系統，包括：

參考信號檢測裝置1，分別與2個電壓源變流器連接，用于檢測鐵路負序動態調節裝置當前的狀態參數(包括2個電壓源變流器的電壓信號值uα與uβ和實時電流值iα與iβ)，并根據狀態參數計算分別得到2個電壓源變流器的控制電流；控制信號發生裝置2，根據參考信號檢測裝置計算得到的控制電流，結合直流電容提供的直流側電壓，對2個電壓源變流器進行閉環控制。

其中，參考信號檢測裝置1包括：指令電流計算模塊，根據2個電壓源變流器的電壓信號值uα與uβ和實時電流值iα與iβ，通過計算得到指令電流imp；有功與無功電流的疊加值計算模塊，根據指令電流計算模塊得到的指令電流imp，結合2個電壓源變流器的電壓信號值uα與uβ，分別計算得到分別與2個電壓源變流器對應的有功電流、無功電流和有功與無功電流的疊加值；控制電流計算模塊，根據得到的有功與無功電流的疊加值，結合2個電壓源變流器的實時電流值，通過計算得到控制信號發生裝置所需的控制電流icα和icβ。

指令電流計算模塊的計算方法具體為：

11)分別計算2個電壓源變流器的電壓信號值與對應的實時電流值的乘積；

12)將步驟11)中計算得到的2個乘積值作和；

13)將步驟12)得到的計算結果通過低通濾波器13進行低通濾波，得到指令電流imp。

有功與無功電流的疊加值計算模塊的計算方法具體為：

21)分別將得到的指令電流imp、經過鎖相環11和移相器12移相后的2個電壓源變流器的電壓信號值與無功系數值相乘得到分別與2個電壓源變流器對應的無功電流；

22)將得到的指令電流imp進行分別移相得到與2個電壓源變流器對應的有功電流；

23)將步驟21)得到的無功電流和步驟22)得到的有功電流進行疊加，得到分別與2個電壓源變流器對應的有功與無功電流的疊加值。

控制電流計算模塊的計算方法具體為：將分別與2個電壓源變流器對應的有功與無功電流的疊加值與2個電壓源變流器的實時電流值作差，得到分別與2個電壓源變流器對應的控制電流icα和icβ。

控制信號發生裝置2包括：控制電流參考信號計算模塊，用于根據參考信號檢測裝置得到的控制電流與有功偏差量進行求和，得到控制電流的參考信號；驅動脈沖計算模塊，用于根據得到的控制電流的參考信號進行計算，得到2個電壓源變流器的驅動脈沖；修正信號產生模塊，用于根據驅動脈沖引起的直流電容上直流側電壓的信號波動，產生對于控制電流參考信號計算模塊的修正信號，對控制電流的參考信號進行修正。

驅動脈沖計算模塊的計算方法具體為：將控制電流的參考信號通過重復預測模型21后通過無差拍控制器22進行無差拍控制計算，得到2個電壓源變流器的驅動脈沖。

修正信號產生模塊的計算方法具體為：

31)將驅動脈沖計算模塊得到的驅動脈沖通過均值濾波器23進行均值濾波；

32)檢測驅動脈沖引起的直流電容上直流側電壓的信號波動值；

33)將均值濾波后的結果值與信號波動值作為輸入，通過復合pi控制器24進行復合pi控制計算，得到修正信號。

復合pi控制計算的輸入值還包括基于歷史數據的在線辨識值，具體為：根據基于遺忘因子的遞推最小二乘法，利用最小二乘算法器25對直流側電壓的信號波動進行在線辨識。