本发明涉及电气化铁路技术领域，具体而言，涉及一种混合多端口铁路功率变换器及其功率协调控制方法。
背景技术：
近年来，中国铁路取得了长足进步，我国已成为世界上高速铁路运营里程最长、在建规模最大的国家，而我国“四纵四横”高速铁路网都基本全部贯通，高速铁路网已经初具规模。随之而来是电气化铁路中的负序问题变得日益突出。铁路功率调节器(rpc)在抑制牵引变供电系统的电压波动和三相电压不平衡，补偿谐波和牵引网电压过低等电能质量问题的效果显著，是一种有效的综合治理手段。随着我国太阳能、风能等新能源发电系统的大规模建设和发展，且其主要分布在大西北地区，使得目前新能源发电功率的外送和消纳不够方便和快捷，大量分布式新能源系统的并网和消纳问题已严重凸显。然而随着我国高速铁路牵引网络的建设和发展，遍及全国各省各市、以及某些偏远山区，网络四通八达，负荷有功需求日益增大。为了缓和新能源发电系统和高耗能铁路系统之间的矛盾，研究适应于新能源接入的铁路功率调节器及其控制方法显得日益重要。
铁路功率调节器(rpc)最早是在1993年由日本学者提出的。目前，为了提高补偿容量，提出了铁路功率调节器多重化和基于模块化多电平变换器的结构，但是这些铁路功率调节器或变换器，虽然能实现两个牵引臂的大容量有功转移、无功和负序补偿，但是没能实现大规模新能源的高效集中接入及其能量管理协调控制，对抑制电网电压波动考虑不足。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种混合多端口铁路功率变换器及其功率协调控制方法，实现新能源的就地接入和消纳，缓解供需矛盾，同时实现铁路系统的电能质量的综合补偿和能量管理。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种混合多端口铁路功率变换器，其包括两个多绕组变压器和适应于新能源接入的多个功率单元模块；每个多绕组变压器的原边均连接两牵引供电臂，副边分别连接功率单元模块；每个功率单元模块由前级背靠背h桥式pwm整流器、中间级隔离型dc/dc变换器和后级低压直流微网组成；中间级隔离型dc/dc变换器包括多个单相隔离型dc/dc变换器，所述多个单相隔离型dc/dc变换器高压侧电容相互串联后与单个背靠背h桥式pwm整流器模块的直流母线相连，所述多个单相隔离型dc/dc变换器低压侧电容相互并联，再连接后级直流微网；所述的功率协调控制方法包括：
1)检测两相负载电流ilj和每个功率单元模块的背靠背h桥式pwm整流器的输出电流icjx、输出电压ucjx，其中j＝a，b，x＝1～n，n表示功率单元模块数；
2)利用步骤1)检测的数据，计算得出铁路功率调节器每个功率单元模块a、b相实际输出的有功功率pjx、无功功率qjx和负载的有功功率plj，并根据新能源的输入功率pin，进行功率的计算和分配，得到铁路功率调节器a、b相期望补偿的有功功率
3)检测每个功率单元模块背靠背h桥式pwm整流器的直流母线电压udcx；
4)将每个功率单元模块直流母线电压参考值
5)采用虚拟同步机控制，得到每个功率单元模块背靠背h桥式pwm整流器a、b相的调制信号ejx，再引入牵引母线电压作为前馈信号得到最终的调制波信号djx；
6)检测中间级隔离型dc/dc变换器低压直流母线电压v1，并与设定值相减，差值经过pi控制，得到电流内环指令信号的一部分
7)根据额定的传输功率pref计算出系统的移相角参考值φref，进而根据系统的小信号模型计算出前馈系数1/h；将步骤6)得出的电流参考信号与实际电流i1i相减得到误差信号δi1i，经过参数为1/h的比例控制得到移相角的校正值δφi，校正值δφi与系统的移相角参考值φref相加得到每个功率单元模块的移相角指令φi。所述步骤2中，为了实现三相原边侧的有功功率平衡，可以推得两牵引供电臂的期望供电功率psa、psb和多端口铁路功率调节器a、b相期望补偿功率
所述步骤4中，为了稳定背靠背pwm整流每模块直流母线电压，每个功率单元模块背靠背h桥式pwm整流器a、b相最终的有功补偿指令psetax、psetbx中附加了一部分有功补偿指令δpx，具体表达式如下：
所述步骤5)中，将每个功率单元模块背靠背h桥式pwm整流器期望补偿的无功功率qsetj与实际输出无功功率qjx相减，得到无功误差；将每个背靠背h桥式pwm整流器的输出电压幅值ucjxm与额定电压幅值ucjxmref相减，差值再乘以电压-无功下垂系数dq，乘积与无功误差相加之后乘以1/ks，得到调制波幅值ejx；将每个功率单元模块期望补偿的有功补偿指令psetjx与实际输出有功功率pjx相减再除以额定角频率ωn，得到机械转矩tmjx与电磁转矩te的差值，即转矩误差；将虚拟同步控制输出的角频率ωjx与额定角频率ωn相减再乘以有功-频率下垂系数dp，与转矩误差相加后乘以1/js得到虚拟同步控制的角频率，角频率再乘以1/s得到调制波相角θjx，将ejx和θjx合成为虚拟同步控制输出的调制信号ejx，再结合电压前馈得到最终的调制波djx，具体表达式如下：
所述步骤7)中，
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
(1)本发明多端口铁路功率调节器适应于新能源的接入，根据据牵引臂两相负载功率和新能源系统产生的总功率得到多端口铁路功率调节器a、b相输出功率的参考值，并说明该多端口功率变换网络是一个无源网络，在理想情况下，不吸收能量也不释放能量。
(2)在虚拟同步控制有功补偿指令中附加一部分有功功率实现pwm变换器直流侧电压的稳定控制，并对牵引网的电压幅值和频率提供一定的支撑作用；并在虚拟同步机控制器的输出调制波中叠加电压前馈信号，使响应更为迅速准确。
(3)通过dc/dc变换器的小信号模型，得到输出电流偏差值与系统的移相角偏差值之间的关系，据此设计系统的控制框图，并且每个单元的移相角指令和小信号传递函数h随系统的传输功率变化而变化，这样能加强控制系统的动态性能，提高控制参数的适应性。
本发明设计了一种混合多端口铁路功率变换器，并根据负载和新能源的功率计算出铁路功率调节器参考值；同时，采用改进虚拟同步控制，实现三相功率平衡，抑制牵引网电压波动，提高牵引网的供电可靠性，稳定前级pwm整流器直流母线电压；最后，通过dc/dc变换器转移的有功功率计算出交流电压的移相角实现功率的快速响应，稳定低压母线电压，实现高压串联端电压和功率的均衡，并建立系统的小信号模型，小信号传递函数h随传输功率的变化而变化，增强系统的动态性能；本发明可以实现新能源的就地接入和消纳，缓解供需矛盾，同时实现铁路系统的电能质量的综合补偿和能量管理。
附图说明
图1为本发明的多端口铁路功率调节器系统结构图；其中，(a)为牵引系统结构图；(b)为前级多模块并联的背靠背h桥式pwm整流器结构图；(c)为中间级dc/dc变换器结构图；
图2为前级pwm整流器的改进虚拟同步机控制框图；(a)为a、b两相pwm变换器的功率参考信号检测图；(b)为a、b两相变换器的改进虚拟同步机控制框图；
图3为中间级dc/dc变换器的控制系统框图；
具体实施方式
图1所示的多端口铁路功率调节器由三部分组成，前级为如图1中的(b)所示多模块并联的背靠背h桥式pwm整流器，经两个多绕组变压器连接至两相供电臂；中间级为如图1中的(c)所示，采用多个单相隔离型dc/dc变换器组成，高压侧电容串联，之后与单个背靠背h桥式pwm整流器模块的直流母线相连，低压侧电容并联，再连接后级直流微网，主要进行功率的传递，电气隔离和电压等级的匹配；后级为直流微网，新能源发电系统(光伏)和储能系统可以接入该母线。假设pin为新能源发电系统输入的总功率，pla和plb表示两相牵引供电臂的负载机车功率，如图1中的(a)所示。
为了实现三相牵引网的有功功率平衡与适应新能源的接入，多端口铁路功率调节器的协调控制策略如下：
步骤1、检测两相负载电流ilj和每个功率单元模块的背靠背h桥式pwm整流器的输出电流icjx、输出电压ucjx，其中j＝a，b，x＝1～n，表示单元模块数；
步骤2、利用步骤1检测的数据，计算出铁路功率调节器每个模块a、b相实际输出的有功功率pjx、无功功率qjx和负载的有功功率plj，为了实现三相原边侧的有功功率平衡，根据新能源的输入功率pin，用式(1)进行功率的计算和分配，得到两牵引供电臂的期望供电功率psa、psb和多端口铁路功率调节器a、b相期望补偿功率
式中，psa和psb为正值，表示牵引网提供有功功率；psa和psb为负值，表示牵引网吸收有功功率。
当pin<pla+plb时，则表示新能源系统产生的总功率小于机车负载的总功率，此时需要向三相牵引网吸收一部分的功率，来实现有功功率的平衡。同理，当pin>pla+plb时，则表示新能源系统产生的总功率大于机车负载的总功率，此时系统除了给机车负载供电外，还可以向三相牵引网输送一部分的有功功率。
上述两种情况，都可以得到：
pcaref+pcbref+pin＝0(2)
式(2)说明该多端口功率变换网络是一个无源网络，在理想情况下，不吸收能量也不释放能量。
前级pwm变换器的控制框图如图2所示，由于牵引系统的机车具有随机和波动性，同时机车的进和出会产生很大的功率冲击和波动，会引起牵引网的电压幅值和频率的波动，严重影响牵引供电网的安全稳定运行。为了改善牵引网的供电质量，这里采用了一种改进虚拟同步机控制方法，给牵引网电压幅值和频率给予一定的支撑作用，提高牵引供电网的安全可靠性。根据上述分析a、b两相pwm变换器的功率参考信号检测如图2中的(a)所示。
步骤3、检测每个模块背靠背h桥式pwm整流器的直流母线电压udcx；
步骤4、为了实现pwm变换器直流侧电压的稳定控制，将每模块直流母线电压参考值
步骤5、根据以上步骤得到的各电量参考值和实际值，采用虚拟同步机控制，如图2中的(b)，即将每个功率单元模块背靠背h桥式pwm整流器期望补偿的无功qsetj与实际输出无功qjx相减，得到无功误差；将每个背靠背整流器的输出电压幅值ucjxm与额定电压幅值ucjxmref相减再乘以电压-无功下垂系数dq，与无功误差相加之后乘以1/ks，得到调制波幅值ejx；将每个功率单元模块期望补偿的有功psetjx与实际输出有功pjx相减再除以额定角频率ωn得到机械转矩tmjx与电磁转矩te的差值；将虚拟同步控制输出的角频率ωjx与额定角频率ωn相减再乘以有功-频率下垂系数dp，与转矩误差相加后乘以1/js得到虚拟同步控制的角频率，再乘以1/s得到调制波相角θjx，将e和θ合成为虚拟同步控制输出的调制信号ejx，再结合电压前馈得到最终的调制波dj，公式如下：
从图1中的(c)的结构，可以看到中间隔离型dc/dc变换器，负责连接前级和后级子系统，管理功率的流动和分配，是该铁路功率调节系统的核心部件。这里将重点研究其等效模型及端口功率控制方法。传输的有功功率如下式：
其中：a＝2π2fs(l1+l2)。i1、i2分别是两端口的等效直流侧电流值；v1、v2分别是两端口的等效直流侧电压值；l1、l2是高频变压器两侧的漏感；p12是两端口之间转移的有功功率。根据上述方程，假定传输功率已定的情况下，求解未知数φ，则有唯一解。由于φ的移相范围在(-π/2，π/2)之间，根据一元二次方程的求解原理，则可以求出：
根据上式，可以得到：p12＜v1v2/8fs(l1+l2)，即为，两端口之间传输的最大功率应小于v1v2/8fs(l1+l2)。这样在额定传输功率已定的情况下，由此可以计算出端口输出交流电压的移相角φ，由此可以实现功率的快速响应。
为了建立系统的小信号模型，假设系统稳定在运行点d，δi1表示稳态时的电流偏差量；δφ表示移相角的偏差量。根据两端口变换器的稳态功率传输数学表达式，分别可以推导出稳定分量和误差分量的数学表达式。如果忽略偏差量的二次方项，则有：
由此可以得到：
由此可以得到系统的小信号传递函数h，在此基础上，可以构建系统的控制框图如图3所示。控制系统采用电压电流双环控制，电压外环采用pi控制，控制和稳定低压直流母线电压，高压侧串联直流电压由前级mmc级联型pwm整流器来控制和稳定；电流内环采用p控制，电流内环的控制参数设定为1/h。同时为了实现高压串联侧电压和功率的均分，这里采用了均压控制，
步骤6、检测中间级隔离型dc/dc变换器低压直流母线电压v1，并与设定值相减，经过pi控制，得到电流内环指令信号的一部分
步骤7、依据式(11)，根据额定的传输功率pin、高压侧和低压侧额定电压v2ref、v1ref、高频变压器两侧的漏感l1、l2、级联模块数m得出系统的移相角参考值φref，再根据系统的小信号模型计算出前馈系数1/h；将步骤6得出的电流参考信号
由此根据此信号φref与电流闭环控制的输出信号δφi，可以得到每个单元的移相角信号φi。由于φref和h都是根据系统不同运行阶段的传输功率决定的，所以控制参数是随着系统的传输功率变化而变化的，这样能加强控制系统的动态性能，提高控制参数的适应性。