基于VSM的两电平牵引整流器的控制策略制造技术

本发明专利技术公开了一种基于VSM的两电平牵引整流器的控制策略，通过模仿同步机的机械模型，控制整流器输入电压

Control strategy of two level traction rectifier based on VSM

The invention discloses a control strategy of two level traction rectifier based on VSM. By imitating the mechanical model of the synchronizer, the input voltage of the rectifier is controlled.

【技术实现步骤摘要】
基于VSM的两电平牵引整流器的控制策略
本专利技术涉及电力牵引与电力传动
，具体为一种基于VSM的两电平牵引整流器的控制策略。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术涉及一种基于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+△TT0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。本专利技术的有益效果是：1)本专利技术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)本专利技术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)本专利技术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)本专利技术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)本专利技术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)本专利技术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)本专利技术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：本专利技术实施例中两电平牵引整流器拓扑图。图2：本专利技术实施例中系统控制框图。图3：本专利技术实施例中SOGI框图。图4a-4c：本专利技术实施例中牵引整流器工作在牵引工况时系统响应本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：

【技术特征摘要】
1.一种基于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。2.根据权利要求1所述的基于VSM的两电平牵引整流器的控制策略，其特征在于，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+ΔTT0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；ΔT为频率支撑部分，表示为：ΔT＝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，ΔT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。3.根据权利要求1所述的基于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...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛兴来，陈旭东，冯晓云，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51