本发明专利技术公开了一种MMC式铁路牵引功率调节器的单相模型预测控制方法,为了实现铁路系统无功和负序的补偿，提出了一种四边形单相AC-AC变换结构的铁路功率补偿器，由四个级联型H桥链组成，每个桥链都是由多个H桥级联组成，该种铁路牵引功率调节器，中间不需要直流环节，能够实现功率的双向变换和流动。同时，提出了铁路功率补偿器的单相模型预测控制方法，将铁路牵引功率调节器等效成四个独立的单相逆变系统，有效减低控制系统的复杂性，能提高系统的工作性能和方法的实用性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种铁路牵引系统的电能质量治理领域，特别是一种一种MMC式铁路 牵引功率调节器的单相模型预测控制方法。
技术介绍
高速电气化铁路作为当代高新技术的集成，具有运能大、能耗低、污染小、安全舒 适等优势，是可持续性和环境友好性的运输模式，是国家创新能力、综合国力以及国家现代 化程度的重要标志之一。然而，高速电气化铁路由于其独特的供电方式和机车负载特性，给 电力系统带来了负序、谐波、电压波动和闪变等电能质量问题，降低了电力系统的供电质 量，影响邻近电网安全稳定运行。近年来，随着高速铁路供电系统的进一步发展和壮大，由 此带来的负序和无功等电能质量问题已越来越严重，必须采取有效的治理措施，来实现铁 路牵引供电系统高质、安全和经济供电。 为了治理铁路供电系统的负序、无功等电能质量问题，国内外有多种的电能质量 补偿方案被提出和应用。有文献采用斯科特(SCOTT)变压器、阻抗匹配变压器等平衡变压器 结构来减小负序电流平衡三相电流。在传统的电力机车线路上，由于其功率因数较低，有文 献采用安装无源滤波器，无源部分容易与电网阻抗产生串并联谐振。有文献采用TCR型静止 无功补偿器(staticvarcompensator，SVC)对牵引变电所的无功进行动态补偿，但是产生 谐波电流。有文献提出了基于磁控电抗器的静止型动态无功补偿器，无谐波污染，但是动态 补偿能力有限。为了抑制电力机车和静止无功补偿器产生的谐波电流，有文献采用混合型 有源滤波器对谐波电流进行动态补偿，无源和有源混合在一起，结构复杂，可靠性不高。有 文献提出采用全控型静止同步发生器（StaticsynchronousCompensator，STATC0M)对牵 引系统的无功和谐波动态补偿，但是STATC0M是安装在三相高压侧，结构复杂，功率器件多， 成本昂贵。考虑到铁路供电系统的结构特点，日本学者提出了铁路功率调节器(Railway staticpowerconditioner，RPC)，利用背靠背的2个功率变流器安装在供电系统的两供电 臂上，两者可以联合进行有功、无功及谐波控制，能实现对负序和无功综合补偿。由于铁路机车负载是重性负载，容量大，所以补偿装置的容量需求也大。为了提高 功率补偿装置容量，有学者提出采用多模块并联形式组成一种多重化的铁路功率调节器， 单个背靠背功率模块单元各个变流器(H桥)的交流侧通过降压分裂变压器的副边分裂绕组 并联，直流侧电容相互独立，通过载波移相实现多重化。该种结构需要两个降压分裂变压 器，容量与补偿容量相当的，从而导致装置的成本高，体积大笨重。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种MMC式铁路牵引功率 调节器的单相模型预测控制方法。 为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是:一种MMC式铁路牵引功率调节 器的单相模型预测控制方法，MMC式铁路牵引功率调节器包括连接成四个边，四个边连接成 四边形;每个边包括一个Η桥链和一个与该Η桥链连接的滤波电感;Η桥链包括多个串联的Η桥单元；四边形的四个交点按对角线分成两组，两组交点分别各与一个牵引供电臂连接，该 方法包括： 1)检测两个牵引供电臂的供电电压u4Pub，然后通过锁相环环节获取其电压同步 信号sya和syb; 2)检测两个牵引供电臂的负载电流kdPkb，然后分别乘以同步参考信号Sy4P syb，通过低通滤波器滤除同步参考信号sy4Psyb的交流成分，获得两个牵引供电臂负载电 流有功幅值的一半11^，11^;11^和1[^相加之后分别乘以同步参考信号87 ￡1和871)，得到两牵 引供电臂的稳态期望电流Iup*sy￡^PlLbP*syb; 3)将检测得到的负载电流iu减去IuP*sya，将检测得到的负载电流iLb减去ILbp*syb， 求得铁路牵引功率调节器的两相输出电流的指令信号4和C; 4)检测每相链节的直流侧电压的总和： 其中Uc;xy表示xth相桥链的第y个Η桥单元的直流侧电压值，N表示每相链节的Η桥单 元的数量；求得第1、4节桥链和第2、3节桥链的直流侧电压平均值11。^14和11。^ 23为： 5)将直流侧电压参考信号uref分另丨」减去直流侧电压平均值ucavl4和ucav23,然后通过 PI控制器，获得直流侧电压的调节信号A114和Δ123;将Δ114和Δ123分别乘以复合同步信号 syb_sya和syb+sya，获得的两个值分别与电流信号-〇〃_和相加，得到第1、4节桥链 和第2、3节桥链的电流指令参考信号，即为： 6)根据模型分析，将铁路牵引功率调节器等效成四个独立的单相链节，每个单相 桥链采用一套单相模型预测控制，控制每相桥链的Η桥单元功率开关管输出期望的电压和 电流信号。步骤6)中每个单相链节的单相模型预测控制具体实施步骤如下： a)采样第xth相桥链的电流ix和等效电网电压&，得到离散化的电流ix(k)和等效电 网电压es(k); b)根据离散预测模型预测出当前输出电平的三个临近输出电平作用时(k+1)时刻 的电流预测值，并得到一^目桥链的输出电平增量AQ(k+1);c)根据开关分配策略将开关动作分配至开关器件。 与现有技术相比，本专利技术所具有的有益效果为:本专利技术可以将铁路牵引供电系统 等效成四个独立的单相逆变系统，每个单相链节采用一套模型预测控制方法，这样可以有 效降低整个系统的复杂性，提高系统的工作性能和方法的实用性。本专利技术使用的四边形单 相AC-AC变换器，中间不需要直流环节，能够实现功率的双向变换和流动。【附图说明】 图1为铁路牵引功率调节器的拓扑结构图； 图2为铁路牵引功率调节器的等效电路图；图3为铁路牵引功率调节器的Xth相链节等效电路图；图4为本专利技术一实施例铁路牵引功率调节器的控制框图；图2中，1为铁路牵引功率调节器;2为Η桥链;3为滤波电感。【具体实施方式】铁路牵引功率调节器如图1所示。牵引系统采用Scott平衡变压器，将高压三相电 网电压转化成两个相互相差90°的中压牵引供电电压。铁路牵引功率调节器1是由四个边组 成;每个边由一个Η桥链2和一个滤波电感3组成;Η桥链2是由多个Η桥单元串联形成；四边形 的四个交点按对角线分成两组，两组交点分别通过电缆与两个牵引供电臂相连接。该装置 通过采用多电平级联变换器组成一个四边形单相AC-AC变换器，不需要降压变压器直接可 与牵引供电臂连接。同时中间不需要直流环节，能够直接实现功率的双向变换和流动，同时 能补偿牵引供电臂机车负载产生的无功。故装置通过采用多电平级联变换技术，节省了两 个降压变压器，大大减小了装置的体积和成本。铁路牵引功率调节器的等效电路如图2所示。其中R为链节等效电阻，ux(x=l、2、3、4)为链节X的输出电压，ix为流经链节X的电流，ua、Ub分别为scott牵引供电臂a相与b相电 网电压，ica、icb为RTPC的两端输出补偿电流，不影响输出电流。建立KCL方程，可得：由于RTPC电路结构高度对称，则有：由图2,建立KVL方程，可得同样由RTPC的对称性，可知各链节电压如式(4)，为方便分析，考虑到链节之间具 有相似性，将链节1、4归为组1，链节2、3归为组2。假设ea= (Ub_ua)/2，eb= (U本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种MMC式铁路牵引功率调节器的单相模型预测控制方法，MMC式铁路牵引功率调节器包括四个边，四个边连接成四边形；每个边包括一个H桥链和一个与该H桥链连接的滤波电感；H桥链包括多个串联的H桥单元；四边形的四个交点按对角线分成两组，两组交点分别各与一个牵引供电臂连接，其特征在于，该方法包括：1)检测两个牵引供电臂的供电电压ua和ub，然后通过锁相环环节获取其电压同步信号sya和syb；2)检测两个牵引供电臂的负载电流iLa和iLb，然后分别乘以同步参考信号sya和syb，通过低通滤波器滤除同步参考信号sya和syb的交流成分，获得两个牵引供电臂负载电流有功幅值的一半ILap，ILbp；ILap和ILbp相加之后分别乘以同步参考信号sya和syb，得到两牵引供电臂的稳态期望电流ILap*sya和ILbp*syb；3)将检测得到的负载电流iLa减去ILap*sya，将检测得到的负载电流iLb减去ILbp*syb，求得铁路牵引功率调节器的两相输出电流的指令信号和4)检测每相链节的直流侧电压的总和：ucxΣ=Σyucxy,x=1,2,3,4;y=1,2...N;]]>其中ucxy表示xth相桥链的第y个H桥单元的直流侧电压值，N表示每相链节的H桥单元的数量；求得第1、4节桥链和第2、3节桥链的直流侧电压平均值ucav14和ucav23为：uc14Σ=uc1Σ+uc4Σ,ucav14=(uc1Σ+uc4Σ)/2Nuc23Σ=uc2Σ+uc3Σ,ucav23=(uc2Σ+uc3Σ)/2N;]]>5)将直流侧电压参考信号uref分别减去直流侧电压平均值ucav14和ucav23，然后通过PI控制器，获得直流侧电压的调节信号ΔI14和ΔI23；将ΔI14和ΔI23分别乘以复合同步信号syb‑sya和syb+sya，获得的两个值分别与电流信号和相加，得到第1、4节桥链和第2、3节桥链的电流指令参考信号，即为：i1ref=i4ref=ΔI14*(syb-sya)+(icbr-icar)2i2ref=i3ref=ΔI23*(syb+sya)+(icbr-icar)2;]]>6)根据模型分析，将铁路牵引功率调节器等效成四个独立的单相链节，每个单相桥链采用一套单相模型预测控制，控制每相桥链的H桥单元功率开关管输出期望的电压和电流信号。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：马伏军，罗安，丁红旗，贺西，何志兴，徐千鸣，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43
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