[发明专利]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ua，ub，由锁相环获得负载的电压同步信号sya,syb；将负载电流信号ila，ilb分别与电压同步信号sya,syb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sya,syb对应相乘，得到相乘后的两个值，再由负载电流ila,ilb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icar,icbr；将icar,icbr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，i1r＝i4r；将icar,icbr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,i2r＝i3r；2)将电压同步信号sya,syb相加除以2得到共模电压同步信号seb；将电压同步信号sya,syb相减除以2得到差模电压同步信号sea；将负载电压信号ua，ub相加除以2得到共模电压信号eb；将负载电压信号ua，ub相减除以2得到差模电压信号ea；3)检测每个桥链所对应H桥的直流侧电压值的和uc1Σ，uc2Σ，uc3Σ，uc4Σ，其中uc1Σ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：ucav1=uc1Σ/Nucav2=uc2Σ/Nucav3=uc3Σ/Nucav4=uc4Σ/N]]>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uref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sea，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seb，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：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ea[＝(ua‑ub)/2]和共模电压信号eb[＝(ua+ub)/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，ed、eq表示ea和eb在dq轴上的等效值；u1d、u1q表示u1和u2在dq轴上的等效值；i1d、i1q表示i1和i2在dq轴上的等效值；u2d、u2q表示u4和u3在dq轴上的等效值；i2d、i2q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[i1d,i1q,i2d,i2q]T，[i1d*,i1q*,i2d*,i2q*]T，其中i1d*、i1q*表示指令信号i1*和i2*在dq轴上的等效值；i2d*、i2q*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[i1d*,i1q*,i2d*,i2q*]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：将四个桥链在dq坐标系下的桥链电流的指令信号矩阵[i1d*,i1q*,i2d*,i2q*]T乘以‑R后得到四个桥链电阻上的电压指令信号矩阵：根据非线性无源控制理论，将dq坐标系下的桥链电流矩阵[i1d，i1q，i2d，i2q]T和桥链电流的指令信号矩阵[i1d*,i1q*,i2d*,i2q*]T相减，再乘以注入的阻尼电阻，得到注入的阻尼矩阵为：其中，δa1,δa2,δa3和δa4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：其中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*[u1d,u1q,u2d,u2q]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。