基于VSM的两电平牵引整流器的控制策略的制作方法

本发明涉及电力牵引与电力传动技术领域，具体为一种基于vsm的两电平牵引整流器的控制策略。

背景技术：

现代交流电力机车普遍采用ac-dc-ac模式，前端通过pwm整流器将单相交流电整流为直流电，pwm整流器具有较低的功率谐波含量，较高的功率因数，能够实现能量的双向流动等优点。但是通过在电力系统的研究表明，电力电子器件虽然具有响应迅速的优点，相应的也缺乏惯性和阻尼特性，因此，越来越多的电力电子器件接入电网，会降低整个电网的惯性和阻尼特性。如果将牵引网看成一个特殊的微电网，而将电力机车看成一个特殊的分布式能源，同样的在牵引系统中也会存在类似的问题。在分布式发电领域，目前一种行之有效的措施为虚拟同步机技术(virtualsynchronousmachine，vsm)，即将三相逆变器去模仿同步机的外特性，将三相逆变器等效为一个同步发电机。但是对于牵引系统这样一个特殊的系统，相关研究却比较少，牵引整流器本质上是一个单相整流器，既不是三相系统也不是逆变系统，如何将虚拟同步机技术运用到单相两电平牵引整流器中，还有待进一步的研究。

另外，传统牵引整流器控制策略一般运用的是直接电流控制或者是dq解耦控制，这两种控制方法虽然都能实现较好的直流侧电压控制以及网侧电流相位控制，但是也仅仅将电力机车看成是一个被动的负载，不具备主动参与牵引网电压幅值和频率的调节能力。而在电力系统中传统发电设备为同步电机，能够给电网电压和频率提供支撑，在电网电压幅值和频率发生波动时能够自适应的调整输出无功功率和有功功率，从而为电网提供一定的支撑功能。采用基于虚拟同步机技术的牵引整流器，通过电压和频率调节部分，也能够自主的参与牵引网的调节。

技术实现要素：

本发明涉及一种基于vsm的两电平牵引整流器的控制策略，可使得牵引整流器具有同步机的外特性，具备一定的阻尼特性，阻尼系统的振荡，使得电力机车在满足自身运行状况的同时也能够主动参与牵引网电压和频率的调节。技术方案如下：

一种基于vsm的两电平牵引整流器的控制策略，其特征在于，建立模仿同步机的两电平牵引整流器机械模型，取电流流入整流器的方向为电流的正方向，机械模型的方程为：

式中，tm、te、td分别为虚拟机械转矩、虚拟电磁转矩和阻尼转矩；j为转动惯量；ω0为实际的牵引网角速度；dp为阻尼系数；为虚拟同步机的电气角速度即整流器输入电压的角速度；

求得整流器输入电压的角速度实现整流器输入电压eab的频率控制。

进一步的，通过控制虚拟机械转矩tm控制虚拟电磁转矩te，进而控制整流器有功功率pe：

虚拟机械转矩tm由两部分组成：

tm＝t0+△t

t0为pi控制器的输出，控制直流侧电压跟踪给定值，表示为：

t0＝(kp+ki/s)(vdc_ref-vdc)

式中，kp和ki分别为pi控制器的比例系数和积分系数；s为微分算子，vdc为直流侧电压，vdc_ref为给定值；

△t为频率支撑部分，表示为：

△t＝kf(ω0-ω0^*)

式中，kf为频率调节系数，ω0^*为牵引网额定角速度，在牵引网频率发生波动时，△t调节虚拟机械转矩tm；

当系统为稳定状态有tm＝te，虚拟电磁转矩te为：

te＝pe/ω

式中，ω为整流器输入电压实际角速度；当系统为稳定状态时，由ω0替代ω，即：

te＝pe/ω0

通过调节整流器输出有功功率pe，为牵引网频率提供支撑。

更进一步的，建立模仿同步机的两电平牵引整流器的虚拟电磁模型，根据传统的同步发电机定子与转子间的电磁关系，得到整流器的输入电压eab的表达式：

式中，mf为虚拟的励磁绕组与定子绕组间的互感，if为虚拟的励磁电流，θ为虚拟的同步机电气角度即整流器输入电压的相位，由所述整流器输入电压的角速度积分得到；

将励磁电流if看作是恒定值，则：

由此实现整流器输入电压eab的幅值的控制。

更进一步的，虚拟互感mf与虚拟的励磁电流if的乘积mfif由无功环节偏差得到，即：

mfif＝∫(qset+△q-q)/kdt

式中，qset为指令无功功率，△q为电压支撑环节的无功偏差，q为网侧实际输出无功功率，1/k为积分系数；

为实现网侧电压和电流同相位，使qset＝0，则

mfif＝∫(△q-q)/kdt

无功支撑环节如式所示：

△q＝dq(vg_rms-v^*g_rms)

式中，vg_rms和v^*g_rms分别为网侧电压的实际有效值和额定有效值，dq为无功调节系数。

更进一步的，所述网侧无功功率q和整流器输入有功功率pe通过二阶广义积分法计算得到：

式中，s为复变量；ω0^*为牵引网额定角速度，决定系统的谐振频率；k0为调节系数，决定系统的带宽以及响应时间；eα为整流器输入电压eab经sogi计算得到的同相位分量，eβ为eab的虚拟正交相分量；vgα为牵引网电压vg经sogi计算得到的同相位分量，vgβ为vg的虚拟正交相分量；iα为整流器输入电流i经sogi计算得到的同相位分量，iβ为i的虚拟正交相分量。

本发明的有益效果是：

1)本发明能够较好地控制直流侧电压稳定，在直流侧参考电压或者负载发生突变时，能够快速跟踪给定值；能够控制网侧输出无功q为0，从而控制网侧电流与网侧电压同相位，实现单位功率因数运行；

2)本发明不同于传统牵引整流器的直接电流控制或者是dq解耦控制，而是采用虚拟同步机的控制策略，使牵引整流器具备同步机的外特性，通过有功反馈得到整流器输入电压的频率和相位，通过无功反馈得到整流器输入电压的幅值，二者合成最终得到调制电压；

3)本发明控制环节增加了频率支撑环节，当牵引网的频率低于牵引网额定频率时，减少虚拟机械转矩，从而减小牵引整流器从牵引网吸收的有功功率，当牵引网频率大约额定频率时，增加虚拟机械转矩，从而增大牵引整流器牵引网吸收的有功功率；能够在满足自身运行的同时，根据牵引网的实际频率调整自身需要的有功功率，从而为牵引网频率提供支撑；

4)本发明控制环节增加了电压支撑环节，当牵引网电压幅值等于额定值时，实现单位功率因数运行，即q＝0；当牵引网电压幅值产生偏差时，牵引整流器能够自主的适当调整自身吸收的无功功率，为牵引网电压幅值提供一定支撑；当牵引网实际电压幅值大于额定值时，整流器吸收无功q>0，当牵引网实际电压幅值小于额定值时，整流器吸收无功q<0，即牵引整流器向牵引网输出无功；

5)本发明通过模拟同步机的机械方程实现有功-频率控制，而机械方程反应了同步机的阻尼特性，使得牵引整流器也具有了类似同步机的阻尼特性，能够阻尼系统的振荡，通过调节阻尼系数控制振荡的幅值，从而提高了牵引整流器应对牵引网异常状态的能力，提高了系统的稳定性；

6)本发明能够实现功率的双向流动，在再生状态下，电力机车可以等效为一个同步发电机，功率能够像同步机一样更加友好地反馈给牵引网；

7)本发明构建了单相两电平牵引整流器的虚拟同步机模型，从而拓展了传统的vsm技术，使得vsm技术不仅仅适用于三相的逆变器，单相的整流器也可以采用vsm技术，不论是传统的分布式发电设备还是像电力机车这样的用电设备，都可以采用同步机方案，从而提高了电力系统的统一性。

附图说明

图1：本发明实施例中两电平牵引整流器拓扑图。

图2：本发明实施例中系统控制框图。

图3：本发明实施例中sogi框图。

图4a-4c：本发明实施例中牵引整流器工作在牵引工况时系统响应波形。

图5：本发明实施例中牵引整流器工作在牵引工况和再生工况下网侧电压和电流波形，网侧电压和电流同相位(图5a)；网侧电压和电流反相位(5b)。

图6：本发明实施例中阻尼特性响应波形。

图7：本发明实施例中电压支撑实验。

图8a-8b：本发明实施例中频率支撑实验。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。一种基于vsm的两电平牵引整流器的控制策略，能够实现直流侧电压控制，网侧电压电流同相位。使得牵引整流器从一个被动的负载变为一个可以自主参与牵引网电压幅值和频率的调节，具备一定的阻尼特性，从而能够阻尼系统的振荡，提高了系统的稳定性。将牵引整流器模拟同步机，从而使电力机车也具备了同步机的外特性，可将电力机车看成一个特殊的分布式发电设备，提高了电力系统的统一性。

(1)两电平牵引整流器与同步发电机电路等效

本实施例中基于vsm的两电平牵引整流器的控制策略如图1所示，具体为：忽略牵引变压器，将牵引网变压器副边的输出电压作为牵引网输入电压vg，vg经滤波电感ls和线路阻抗rs和单相两电平pwm整流器相连，整流器输出端接2次滤波电容c2和电感l2，负载两端接支撑电容cd，在牵引工况下，负载简化为load1纯电阻，在再生制动状况下，负载简化为load2电阻加直流电源。当为负荷为load1时，即牵引整流器工作在牵引工况时，和vsm工作于充电模式，即电网向直流侧蓄电池充电类似；当为负荷为load2时，牵引整流器工作在再生制动状态时，此时相当于一个逆变器，与vsm的正常工作模式相同。因此，牵引整流器同样可以模仿同步发电机的外特性进行控制。

同步机的电气模型，即其每一相回路电压都满足式(1)：

式中：ls为同步发电机的同步电感；rs为同步发电机的同步电阻；eabc为同步发电机的暂态电动势，vabc为同步发电机的机端电压，iabc为同步发电机的同步电流。

对于牵引整流器，如果定义电流流入整流器的方向为电流的正方向，其回路的电压方程满足式(2)：

式中：ls滤波电感；rs为线路阻抗；vg为牵引网经过牵引逆变器后的电压；eab为整流器输入电压，也是控制环节的调制电压，i为回路电流。

当只考虑同步机的一相时，对比图1可以发现，牵引整流器的滤波电感可等效为同步发电机的同步电感，回路等效电阻可以等效为同步发电机的同步电阻，整流器输入电压eab可以等效为同步发电机的暂态电动势。通过基于vsm的控制方式，牵引整流器从外特性可以等效为一个同步机的一相如图1所示。

(2)两电平牵引整流器的虚拟电磁模型

根据传统的同步发电机定子与转子间的电磁关系，得到整流器的输入电压：

mf为虚拟的励磁绕组与定子绕组间的互感，if为虚拟的励磁电流，θ为虚拟的同步机电气角度即整流器输入电压的相位，为虚拟同步机的电气角速度即整流器输入电压的角速度。

为简化分析，将励磁电流if看作是恒定值，则：

所述虚拟互感mf与虚拟励磁电流if的乘积mfif由无功环节偏差得到，即mfif＝∫(qset+△q-q)/kdt。

qset为指令无功功率；与vsm技术不同，传统的vsm技术在并网情况下主要目标是实现对指令有功功率和无功功率的跟踪，因此反馈的无功功率为逆变器输出侧的功率而不是网侧的功率；对于牵引整流器而言，其控制目标为，网侧电压电流同相位，即网侧输入无功功率为0，因此此处q为网侧实际输出无功功率而非整流器输入侧的无功功率；为实现网侧电压和电流同相位qset＝0，所以mfif可简化表示为：

mfif＝∫(△q-q)/kdt(5)

mfif初值为vg^*牵引网额定电压幅值，f0^*牵引网额定频率，此处取50hz。

△q为电压支撑环节的无功偏差，若网侧电压的实际有效值等于额定有效值△q＝0，此部分在电压支撑小节做具体陈述，1/k为积分系数。

(3)两电平牵引整流器的机械模型

由于牵引整流器多数情况下为牵引工况，电流流入牵引整流器，只有在再生制动工况下，电流流向为牵引整流器流向电网，因此规定电流流入牵引整流器的方向为电流的正方向，而传统vsm规定的电路方向与此相反，因此功率符号刚好相反，进而虚拟电磁转矩，机械转矩以及阻尼转矩符号也会相反，由此得到牵引整流器的机械模型为：

式中：tm、te和td分别为虚拟的机械转矩、电磁转矩和阻尼转矩；j为虚拟转动惯量；dp为阻尼系数，为整流器输入电压加速度即虚拟同步角速度，ω0为实际的牵引网角速度。

在vsm中要控制逆变器的输出有功功率为指令值，而tm＝pset/ω，在稳态ω为恒定值，所以虚拟的机械转矩tm为恒定值。而对于牵引整流器，其控制目标为控制直流侧电压vdc跟踪给定值vdc_ref，若直流侧负载不变，当直流侧电压为给定值时，整流器输出有功功率也为恒定值，因此虚拟电磁转矩te也为恒定值，当系统为稳定状态有tm＝te。若不考虑频率支撑，则将pi控制器的输出作为虚拟机械转矩：

tm＝t0＝(kp+ki/s)(vdc_ref-vdc)(7)

式中，kp和ki分别为pi控制器的比例系数和积分系数。

虚拟电磁转矩te：

te＝pe/ω(8)

式中：pe为整流器从牵引网吸收的有功功率，ω为整流器输入电压实际角速度，一般情况下ω与ω0偏差不大，ω用ω0代替

te＝pe/ω0(9)

阻尼转矩td：

dp为阻尼系数，阻尼系数决定系统振荡的幅值。

本实施例通过模拟同步机的机械方程实现有功-频率控制，通过整流器从牵引网吸收的有功功率即虚拟的电磁功率pe反馈到控制环节，得到整流器输入端的电压eab的角速度积分得到eab相位。将机械模型得到的相位θ和角速度与电磁模型得到的eab幅值，合成得到完成的整流器输入端的电压

(4)整流器输入有功和网侧无功计算

传统vsm为三相系统，对于三相系统其功率计算比较简单

本实施例所考虑的系统为单相系统，所以传统vsm方案中功率计算方法已经不再适用，本方案采用二阶广义积分法(sogi)进行功率求解，其框图如图3所示，sogi传递函数可用式(12)表示。

式中，s为复变量，ω0^*为牵引网额定角速度，决定系统的谐振频率，k0决定系统的带宽以及响应时间，此处取1.57。

本方案需要计算整流器输入有功pe和网侧无功功率q：

(5)电压支撑

本实施例在控制环加入电压支撑，能够根据牵引网电压幅值，自主地调整牵引整流器吸收的无功功率，从而间接为牵引网电压提供支撑。

所述无功支撑环节如式所示：

△q＝dq(vg_rms-v^*g_rms)(14)

式中：vg_rms和v^*g_rms分别为网侧电压的实际有效值和额定有效值，dq为无功调节系数。

由式(5)可得，稳态时q＝△q。若牵引网电压的实际有效值vg_rms大于额定有效值v^*g_rms，△q>0，稳态时，q>0，牵引整流器从网侧吸收无功；若牵引网电压的实际有效值vg_rms小于额定有效值v^*g_rms，△q<0，稳态时，q<0，牵引整流器向牵引网释放无功。由此可见，当牵引网电压产生波动偏离额定值时，网侧的功率因数不为1，因此为保证系统仍具备较高的功率因数，q变化量不应很大。本实施例设计dq参数设计时按照如下标准，假设牵引网电压的实际有效值vg_rms与额定有效值v^*g_rms最大为10％，q变化量不超过牵引整流器额定容量的10％。

(6)频率支撑

vsm具有同步机的外特性，当电网的频率发生波动时，能够调整输出的有功功率，从而为电网提供频率支撑。本发明提供的一种基于vsm的两电平牵引整流器的控制策略，在控制环加入频率支撑，使得牵引整流器能够根据牵引网频率，自主的调整牵引整流器吸收的有功功率，从而间接为牵引网提供频率支撑。

频率支撑可表示为：

△t＝kf(ω0-ω0^*)(15)

虚拟机械转矩由pi控制器的输出t0和频率支撑构成：

tm＝t0+△t(16)

当牵引网频率ω0等于额定频率ω0^*时，△t＝0，tm＝tm^*(tm^*为额定虚拟机械转矩)，稳态时有tm＝te，所以te＝te^*(te^*为额定虚拟电磁转矩)，pe＝pe^*(pe^*为控制整流器额定功率)。当牵引网频率ω0大于额定频率ω0^*时，△t>0，tm>tm^*；稳态时有tm＝te，所以te>te^*，pe>pe^*，即牵引整流器增加吸收的有功功率。当牵引网频率小于额定频率时，△t<0，稳态时te<te^*，pe<pe^*即牵引整流器减少吸收的有功功率。

(7)实验结果

图4a-4c为牵引整流器工作在牵引工况时系统响应波形。t＝0s时系统启动，直流侧负载为r＝6.268ω，直流侧参考电压vdc_ref＝2800v；t＝5s时负载跳变为3.136ω，此时vdc_ref不变；t＝15s，vdc_ref＝3000v，直流侧电压波形如图4a所示，当负荷跳变和直流侧参考电压跳变时都能够快速跟踪给定；无功q如图4b，稳态时无功q＝0，网侧电压和电流如图4c所示同相位，实现功率因数为1。

图5为牵引整流器工作在牵引工况和再生工况下，网侧电压和电流波形，图5a为牵引工况，网侧电压和电流同相位，功率因数为1；图5b为牵引工况，网侧电压和电流同相位相反，同样实现功率因素为1。

图6如图为阻尼特性响应波形，转动惯量j恒定，从图中可以看出当系统转动惯量j不变时，系统动态响应时间不变，但是阻尼系数dp越大时系统的振荡幅值越大，这与同步机的阻尼特性相契合，所提控制方案使得牵引整流器具有了阻尼系统振荡的能力。

图7为电压支撑实验中网侧电压波形，前5s牵引网电压等于额定电压，稳态时，输入整流器的无功q＝0；t＝5s时，网侧电压幅值减少10％，此时q<0，即整流器向牵引网提供无功；t＝10s时恢复额定电压，t＝15s时，网侧电压幅值增加10％，此时输入整流器的无功q>0，即整流器从牵引网吸收无功，vg波动小于10％时，q波动小于牵引整流器总容量的10％，该方法能够更具系统进行调整无功功率，从而给牵引网提供电压支撑。

图8a-8b为频率支撑实验即不同阻尼系数dp下虚拟电磁转矩的响应波形。如图8a所示，t＝0s时，系统启动，此时ω0＝ω0^*，系统稳定时，te＝te^*。t＝5s时，频率正向波动即ω0大于ω0^*，△t>0，tm>tm^*，稳态时有tm＝te，所以te>te^*，pe>pe^*，即牵引整流器增加吸收的有功功率。如图8b所示，当牵引网频率小于额定频率时，△t<0，稳态时te<te^*，pe<pe^*即牵引整流器减少吸收的有功功率。