一种基于动态电压恢复器的铁路功率调节器电压波动补偿方法

1.本发明涉及电气化铁路牵引供电技术领域，具体为一种基于动态电压恢复器的铁路功率调节器电压波动补偿方法。


背景技术：

2.随着我国经济的快速发展，我国电气化铁路已经进入了高速发展的时代，与此同时列车的安全性与可靠性受到了人们的高度重视。由于牵引供电系统变压器连接方式与单相牵引负荷波动等原因造成的负序和电压波动问题不仅给公共电网带来了巨大影响也给列车的安全稳定运行带来了隐患。在治理牵引供电系统电能质量问题的过程中，铁路功率调节器(rpc)在治理以上电能质量问题时表现出了良好的应用前景。但近年来国内研究发现，机车在牵引工况下或者交流电网侧电压存在电压跌落的情况下，rpc无论是采用完全补偿的方式还是优化补偿的方式，都会在一定程度上加剧牵引网两供电臂的电压波动，这在一定程度上给电力机车的安全稳定运行带来了隐患。
3.目前，交流系统中通过引入动态电压恢复器，能够很好的补偿电网中跌落的电压，因此开展基于动态电压恢复器的铁路功率调节器电压波动补偿问题的研究，将铁路功率调节器和动态电压恢复器相结合，充分利用两者的优势，以达到完全补偿电压的目的，这对于改善牵引供电系统的供电品质以及电力机车的稳定运行有重要的现实意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于动态电压恢复器的铁路功率调节器电压波动补偿方法，用于解决牵引网供电臂电压波动的问题。
5.为了解决以上问题，本发明采用了如下如下的技术方案，包括：
6.搭建采用基于动态电压恢复器的铁路功率调节器牵引供电系统模型；
7.应用铁路功率调节器平衡左右两供电臂功率；
8.应用动态电压恢复器平衡左右两供电臂电压；
9.采用基于双二阶广义积分器的软件锁相环提取电压相位；
10.采用协调控制方法对牵引供电系统两臂电压进行动态补偿。
11.所述模型由背靠背变流器、牵引匹配变压器、升压变压器、直流电容、线路电阻、电感、超级电容和动态电压恢复器组成。动态电压恢复器交流侧串联在牵引网供电臂上，及时对两供电臂电压跌落进行补偿，直流母线段通过dc/dc模块并联在rpc直流电容侧，用于存储再生制动能量以及对动态电压恢复器直流母线电压进行充电；铁路功率调节器并联在牵引网侧。
12.所述应用铁路功率调节器平衡左右两供电臂功率，通过铁路功率调节器将重载侧有功功率转移到轻载侧，平衡两供电臂有功功率，然后再补偿一定的无功功率，使得交流电网侧三相电流对称相等，牵引网两供电臂电压幅值基本相等，相位相差120
°
。
13.所述动态电压恢复器平衡左右两供电臂电压具体包括：由电压互感器测得牵引网两臂电压的实际值，并将它与计算得到的参考电压值相比较，二者的差值作为动态电压恢复器电压外环控制的输入信号，实现对电压信号进行实时而准确的追踪。
14.所述采用基于双二阶广义积分器的软件锁相环提取电压相位具体步骤包括：对牵引网两臂电压采用基于二阶广义积分器的90
°
相角偏移方案来产生两相正交信号，然后再分离出正交信号的正序分量，以正序分量为输入信号通过基于双二阶广义积分器的软件锁相环提取出牵引网两臂电压的相位。提取出的相位作为动态电压恢复器补偿电压的参考相位。
15.所述采用协调控制方法对牵引供电系统两臂电压进行动态补偿具体为采用铁路功率调节器与动态电压恢复器协调工作，解决因功率转移或者交流电网侧电压不对称相等时造成牵引网两臂电压波动问题。
16.本发明的有益效果是：
17.1)本发明利用铁路功率调节器平衡了左右两供电臂功率，有效的平衡了左右两供电臂电压。
18.2)本发明利用动态电压恢复器动态补偿牵引网供电臂跌落的电压，提高了交流电网侧电压品质，保证了电力机车的安全稳定运行。
19.3)本发明利用基于双二阶广义积分器的软件锁相环，当交流电网测电压存在相位跳变时，能够很好的提取牵引网两供电臂电压的相位。
附图说明
20.图1为基于动态电压恢复器的铁路功率调节器牵引供电系统拓扑结构示意图；
21.图2为铁路功率调节器电能质量补偿过程向量图；
22.图3为动态电压恢复器结构示意图；
23.图4为基于双二阶广义积分器的软件锁相环提取相位控制结构框图；
24.图5为rpc补偿前牵引网两供电臂电压波形图；
25.图6为rpc补偿后牵引网两供电臂电压波形图；
26.图7为加入动态电压恢复器后牵引网两供电臂电压波形图。
具体实施方式
27.为了使本发明的创新性与优势更好的展现出来，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。本发明提出一种基于动态电压恢复器的铁路功率调节器电压波动补偿方法，下面对其进行详细讲解：
28.图1所示为基于动态电压恢复器的铁路功率调节器牵引供电系统拓扑结构示意图，该系统主要由铁路功率调节器(rpc)、v/v牵引变压器、超级电容、直流电容、动态电压恢复器、线路阻抗组成。铁路功率调节器由两个单相电压源型变流器背靠背组成，通常一侧采用定直流电压和无功功率控制，另一侧采用定功率控制。该系统具有如下几种功能：1)对交流电网侧负序电流进行补偿；2)对牵引网供电臂跌落电压进行补偿。
29.图2所示为铁路功率调节器电能质量补偿过程，rpc首先将α、β相供电臂上负荷电流有效值差值大小一半的有功电流，从重载侧供电臂上转移到轻载侧供电臂上，使得两供
电臂上电流有效值大小相等，即:
[0030][0031]
但由于v/v牵引变压器的特殊接线方式，导致交流电网中a相电流滞后a相电压30
°
；b相电流超前b相电压30
°
，因此α、β相供电臂上应分别再补偿一定的无功电流，使a、b两相的电流与电压相位一致，由图2(b)可知，需补偿的无功电流有效值为：
[0032][0033]
对无功和负序电流进行完全补偿后，得到了如图2(c)所示向量图，牵引网供电臂两臂电压大小基本相等，相位相差120
°
。
[0034]
图3所示为动态电压恢复器结构示意图，该系统交流侧串联在牵引网供电臂上，直流端通过双向dc/dc模块连接在rpc直流侧，通过从rpc中获取电能从而对动态电压恢复器进行充电，一方面节约了结构成本，另一方面易于控制。动态电压恢复器电压检测回路实时对牵引网供电臂电压进行检测，检测到的实际电压值与电压额定参考值进行比较，其差值作为动态电压恢复器电压控制的输入信号，有效的稳定了电压的波形。
[0035]
图4所示为基于双二阶广义积分器的软件锁相环提取相位控制结构框图，首先对牵引网两臂电压采用基于二阶广义积分器的90
°
相角偏移方案来产生两相正交信号，然后通过以下公式分离出电压正负序分量，即：
[0036][0037]
提取出的电压正序分量通过clark变换转换为d、q轴分量，将vq信号输入pi调节器，当频率锁定时，vq必为一直流量，由于pi调节器具有直流无静差调节特性，因此通过对vq的pi调节，即可使vq趋向于0，从而实现锁相。通过此方法就可以准确的提取出当交流电网电压不对称时牵引网供电臂电压的相位。
[0038]
以下通过具体实施例进一步阐述本发明：
[0039]
本发明的本实施例中，比较加装动态电压恢复器和常规rpc补偿效果，首先在matlab/simulink中搭建了基于动态电压恢复器的铁路功率调节器牵引供电系统进行仿真验证。设计一种特殊的工况，令机车功率因数为1，α相供电臂接入机车功率为2.4mw，β相供电臂接入机车功率为1.2mw，交流电网电压:110kv/50hz，v/v牵引变压器变比：110：27.5，rpc接入降压变压器变比：27.5:1，直流侧电容：20mf，rpc变流器交流侧输出电阻：0.01ω，电感：0.5mh，牵引网两供电臂额定电压为27.5kv，额定电压峰值为38.89kv。
[0040]
图为rpc补偿前两供电臂电压峰值分别为u
α
＝38.89kv,u
β
＝38.88kv。图为加入rpc补偿后，两供电臂电压峰值分别为u
α
＝38.68kv,u
β
＝39.06kv，加入rpc补偿后，加剧了两供
电臂电压的波动。图为加入动态电压恢复器后两牵引供电臂电压波形，其值分别为u
α
＝38.85kv,u
β
＝38.92kv，加入动态电压恢复器后供电臂电压峰值接近额定电压峰值，有效的降低了两供电臂的电压波动。
[0041]
牵引供电系统在未加入rpc补偿前，牵引供电臂电压稳定在额定电压附近，加入rpc补偿后，牵引供电臂电压幅值波动分别为-210v、180v，由于rpc的补偿电流加剧了两牵引供电臂的电压波动，严重影响了电力机车的稳定运行。在加入动态电压恢复器后，两牵引供电臂电压峰值波动分别为-40v、30v,波动峰值明显减小。通过具体实施例可知，在牵引网加入动态电压恢复器后，有效的降低了由于rpc补偿造成的牵引供电臂电压波动的问题。
[0042]
电力机车工作在额定电压下是保证机车安全稳定运行的重要条件，针对牵引工况下采用铁路功率调节器(rpc)解决牵引供电系统电能质量问题时，rpc补偿电流会在一定程度上加剧两供电臂的电压波动以及当交流电网电压存在电压跌落时，会造成牵引网欠电压或电压问题，为了能够缓解两供电臂电压波动的问题，本发明提出了一种基于动态电压恢复器的铁路功率调节器电压波动补偿方法。首先以牵引网额定电压为参考值，利用rpc平衡两供电臂功率，然后使用电压检测回路对牵引网电压进行检测，最后使用动态电压恢复器对牵引网电压进行补偿。
[0043]
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，均应包含本发明的权力保护范围。