一种多电平铁路功率调节器及其无源非线性控制方法

摘要

本发明公开了一种多电平铁路功率调节器的非线性无源控制方法，该功率调节器采用模块化、多电平级联H桥和四个滤波电感组成，可以从斯科特变压器输出端直接连接，而省去了隔离变压器。这种结构可以用于中高压场合，尤其适用于铁路牵引系统。一种基于无源性理论的非线性控制被采用，可以进行电流快速跟踪控制，维持直流侧电压的稳定和均衡，能有效提高系统的控制性能。该补偿器能够实现功率的双向变换和流动，有效减小电网电流中出现的负序及谐波分量，从而提高机车的运行性能，减小对电网的冲击具有重要意义。

主权项

一种多电平铁路功率调节器的非线性无源控制方法，多电平铁路功率调节器包含四个桥链，每个桥链包括模块化、多电平级联H桥链节，每个H桥链节输出端通过连接一个滤波电感再并联到牵引变压器二次侧上；其中，第一桥链的滤波电感与第二桥链的滤波电感连接；第三桥链的滤波电感与第四桥链的滤波电感连接；第一桥链与第三桥链相连；第二桥链与第四桥链相连；所述第一桥链与第三桥链的交点、第二桥链与第四桥链的交点接入牵引变压器的第一个牵引供电臂；所述第一桥链与第二桥链的交点、第三桥链与第四桥链的交点接入牵引变压器的第二个牵引供电臂；牵引变压器的高压侧接三相对称电网；其特征在于，包括：1)检测出牵引变压器低压侧的负载电压信号u_a，u_b，由锁相环获得负载的电压同步信号sy_a,sy_b；将负载电流信号i_la，i_lb分别与电压同步信号sy_a,sy_b对应相乘，相乘后的结果经过低通滤波器后得到直流分量；将两个直流分量分别与电压同步信号sy_a,sy_b对应相乘，得到相乘后的两个值，再由负载电流i_la,i_lb分别减去该两个值，获得多电平铁路功率调节器两相补偿信号i_ca^r,i_cb^r；将i_ca^r,i_cb^r相减除以2获得一个补偿信号，该补偿信号即第一、第四桥链补偿指令信号，i₁^r＝i₄^r；将i_ca^r,i_cb^r相加除以2获得一个补偿信号，该补偿信号即第二、第三桥链补偿指令信号,i₂^r＝i₃^r；2)将电压同步信号sy_a,sy_b相加除以2得到共模电压同步信号se_b；将电压同步信号sy_a,sy_b相减除以2得到差模电压同步信号se_a；将负载电压信号u_a，u_b相加除以2得到共模电压信号e_b；将负载电压信号u_a，u_b相减除以2得到差模电压信号e_a；3)检测每个桥链所对应H桥的直流侧电压值的和u_c1^Σ，u_c2^Σ，u_c3^Σ，u_c4^Σ，其中u_c1^Σ表示第一桥链的H桥的直流侧电压值的和，其他依此类推；分别求出第一到第四桥链H桥的直流侧电压平均值：$\left\{\begin{array}{c}{u}_{cav1}={u_{c1}}^{\Sigma }/N\\ u_{cav2}={u_{c2}}^{\Sigma }/N\\ u_{cav3}={u_{c3}}^{\Sigma }/N\\ u_{cav4}={u_{c4}}^{\Sigma }/N\end{array}\right.$其中，N表示每个桥链H桥链节的级联H桥单元数；4)将第一到第四桥链H桥的直流侧的电压参考值u_ref对应减去每个桥链H桥的直流侧电压平均值，然后把结果送入PI控制器，得到有功电流的直流分量ΔI₁，ΔI₂，ΔI₃，ΔI₄；将第一、第四桥链的有功电流的直流分量乘以对应桥链上差模电压同步信号se_a，将第二、三桥链的有功电流的直流分量乘以对应桥链上共模电压同步信号se_b，分别得到各桥链H桥链节电压平衡指令电流x＝1,2,3,4，将电压平衡指令电流加上各桥链补偿指令信号得到四个桥链电流的指令信号为：$\left\{\begin{array}{c}{i_1}^{*}=i_{dc1}^{*}+i_1^r=\frac{[{\mathrm{\Delta I}}_1*({\mathrm{sy}}_b-{\mathrm{sy}}_a)+({i_{cb}}^r-{i_{ca}}^r)]}{2}\\ {i_2}^{*}=i_{dc2}^{*}+i_2^r=\frac{[{\mathrm{\Delta I}}_2*({\mathrm{sy}}_b+{\mathrm{sy}}_a)+({i_{cb}}^r+{i_{ca}}^r)]}{2}\\ {i_3}^{*}=i_{dc3}^{*}+r_3^r=\frac{[{\mathrm{\Delta I}}_3*({\mathrm{sy}}_b+{\mathrm{sy}}_a)+({i_{cb}}^r+{i_{ca}}^r)]}{2}\\ {i_4}^{*}=i_{dc4}^{*}+r_4^r=\frac{[{\mathrm{\Delta I}}_4*({\mathrm{sy}}_b-{\mathrm{sy}}_a)+({i_{cb}}^r-{i_{ca}}^r)]}{2}\end{array}\right.;$5)根据多电平铁路功率调节器的等效电气模型，则有：和其中，L是滤波电感值，R是桥链的等效电阻；检测差模电压信号e_a[＝(u_a‑u_b)/2]和共模电压信号e_b[＝(u_a+u_b)/2]的电压同步信号sinωt和cosωt，构成Park2变换矩阵，其中利用Park2变换矩阵对多电平铁路功率调节器的等效电气模型进行dq等效变换，则有：和其中，e_d、e_q表示e_a和e_b在dq轴上的等效值；u_1d、u_1q表示u₁和u₂在dq轴上的等效值；i_1d、i_1q表示i₁和i₂在dq轴上的等效值；u_2d、u_2q表示u₄和u₃在dq轴上的等效值；i_2d、i_2q表示i₄和i₃在dq轴上的等效值；i₁,i₂,i₄,i₃分别为第一、第二、第三、第四个桥链的电流；u₁、u₂、u₃、u₄分别为第一、第二、第三、第四个桥链的电压；6)将检测到的四个桥链电流及四个桥链电流的指令信号组成矩阵[i₁,i₂,i₄,i₃]^T和[i₁^*,i₂^*,i₄^*,i₃^*]^T，进行Park4变换，分别得到在dq坐标系下的桥链电流矩阵和桥链电流的指令信号矩阵[i_1d,i_1q,i_2d,i_2q]^T，[i_1d^*,i_1q^*,i_2d^*,i_2q^*]^T，其中$Park4=\left[\begin{array}{cccc}\cos \omega t& \sin \omega t& 0& 0\\ -\sin \omega t& \cos \omega t& 0& 0\\ 0& 0& \cos \omega t& \sin \omega t\\ 0& 0& -\sin \omega t& \cos \omega t\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}Park2& \begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 0\end{array}\\ \begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 0\end{array}& Park2\end{array}\right];$i_1d^*、i_1q^*表示指令信号i₁^*和i₂^*在dq轴上的等效值；i_2d^*、i_2q^*表示指令信号i₄^*和i₃^*在dq轴上的等效值；7)将四个桥链在dq坐标系下的桥链电流的指令信号矩阵[i_1d^*,i_1q^*,i_2d^*,i_2q^*]^T求取微分并解耦后与‑L相乘得到四个滤波电感上的电压指令信号矩阵，其中ω是系统的基波角频率：${[-L\frac{{\mathrm{di}}_{1d}^{*}}{dt}+{\mathrm{\omega Li}}_{1q}^{*},-L\frac{{\mathrm{di}}_{1q}^{*}}{dt}-{\mathrm{\omega Li}}_{1d}^{*},-L\frac{{\mathrm{di}}_{2d}^{*}}{dt}+{\mathrm{\omega Li}}_{2q}^{*},-L\frac{{\mathrm{di}}_{2q}^{*}}{dt}-{\mathrm{\omega Li}}_{2d}^{*}]}^T$将四个桥链在dq坐标系下的桥链电流的指令信号矩阵[i_1d^*,i_1q^*,i_2d^*,i_2q^*]^T乘以‑R后得到四个桥链电阻上的电压指令信号矩阵：${[-{\mathrm{Ri}}_{1d}^{*},-{\mathrm{Ri}}_{1q}^{*},-{\mathrm{Ri}}_{2d}^{*},-{\mathrm{Ri}}_{2q}^{*}]}^T;$根据非线性无源控制理论，将dq坐标系下的桥链电流矩阵[i_1d，i_1q，i_2d，i_2q]^T和桥链电流的指令信号矩阵[i_1d^*,i_1q^*,i_2d^*,i_2q^*]^T相减，再乘以注入的阻尼电阻，得到注入的阻尼矩阵为：${[{\delta }_{a1}(i_{1d}-i_{1d}^{*}),{\delta }_{a2}(i_{1q}-i_{1q}^{*}),{\delta }_{a3}(i_{2d}-i_{2d}^{*}),{\delta }_{a4}(i_{2q}-i_{2q}^{*})]}^T;$其中，δ_a1,δ_a2,δ_a3和δ_a4的取值为[0.1,10]；根据Park4变换后dq坐标系下多电平铁路功率调节器的等效电气模型，即：和将以上2个方程组经过移项改写为矩阵形式，得到无源控制器调制信号矩阵u的表达式为：$u=-L{\stackrel{·}{x}}^{*}-{\mathrm{Rx}}^{*}-{\mathrm{Jx}}^{*}+R_a{x}_e+E;$其中$u=\left[\begin{array}{c}{u}_{1d}\\ u_{1q}\\ u_{2d}\\ u_{2q}\end{array}\right],L=\left[\begin{array}{cccc}L& 0& 0& 0\\ 0& L& 0& 0\\ 0& 0& L& 0\\ 0& 0& 0& L\end{array}\right],x^{*}=\left[\begin{array}{c}{i_{1d}}^{*}\\ {i_{1q}}^{*}\\ {i_{2d}}^{*}\\ {i_{2q}}^{*}\end{array}\right],J=\left[\begin{array}{cccc}0& -\omega L& 0& 0\\ \omega L& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& -\omega L\\ 0& 0& \omega L& 0\end{array}\right],$$R=\left[\begin{array}{cccc}R& 0& 0& 0\\ 0& R& 0& 0\\ 0& 0& R& 0\\ 0& 0& 0& R\end{array}\right],R_a=\left[\begin{array}{cccc}{\delta }_{a1}& 0& 0& 0\\ 0& {\delta }_{a2}& 0& 0\\ 0& 0& {\delta }_{a4}& 0\\ 0& 0& 0& {\delta }_{a3}\end{array}\right],x_e=\left[\begin{array}{c}{i}_{1d}-{i_{1d}}^{*}\\ i_{1q}-{i_{1q}}^{*}\\ i_{2d}-{i_{2q}}^{*}\\ i_{2d}-{i_{2q}}^{*}\end{array}\right],E=\left[\begin{array}{c}{e}_d\\ e_q\\ e_d\\ e_q\end{array}\right]$8)对dq坐标系下无源控制器调制信号矩阵u进行Park4^‑1变换，则有[u₁,u₂,u₄,u₃]^T＝Park4^‑1*[u_1d,u_1q,u_2d,u_2q]^T；其中，得到多电平铁路功率调节器的无源控制器调制信号矩阵[u₁,u₂,u₄,u₃]^T，将该调制信号分别送入对应载波移相调制PWM单元，得到各桥链级联H桥的开关驱动信号，开关驱动信号驱动对应的H桥单元的功率开关管，使多电平铁路功率调节器输出期望的电压电流。