本發(fā)明涉及電氣化鐵路技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種鐵路功率調(diào)節(jié)器負(fù)序?qū)崟r(shí)優(yōu)化補(bǔ)償方法。

背景技術(shù)：

隨著高速鐵路網(wǎng)的建成，重載和高速將是我國(guó)鐵路發(fā)展的重點(diǎn)，電氣化鐵路中的負(fù)序問題因高速鐵路牽引功率增大而變得更為突出。電氣化鐵路是典型的單相負(fù)荷，三相電力系統(tǒng)向其供電時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生負(fù)序電流，這將影響牽引供電系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。鐵路功率調(diào)節(jié)器(RPC)在平衡系統(tǒng)電壓、提高功率因數(shù)、抑制電壓波動(dòng)和濾除諧波方面效果顯著，是一種有效的綜合治理手段。從RPC治理效果來說，可以分為完全補(bǔ)償和優(yōu)化補(bǔ)償兩種。優(yōu)化補(bǔ)償方式能在滿足電能質(zhì)量國(guó)標(biāo)要求的情況下，有效減少RPC容量和工作電流，具有良好的應(yīng)用前景。

在RPC優(yōu)化補(bǔ)償問題上，文獻(xiàn)“電氣化鐵路供電系統(tǒng)電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償技術(shù)研究”分析了負(fù)序電流與補(bǔ)償功率的關(guān)系，但是并沒有針對(duì)負(fù)序國(guó)標(biāo)要求，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)“基于V/V牽引供電系統(tǒng)的混合式電能質(zhì)量補(bǔ)償研究”提出了負(fù)序優(yōu)化補(bǔ)償策略，但是只適用于一臂重載，一臂空載工況下最小安裝容量的計(jì)算，并不能在牽引負(fù)荷波動(dòng)情況下實(shí)時(shí)計(jì)算最優(yōu)補(bǔ)償量；文獻(xiàn)“基于V/V接線變壓器的鐵路功率調(diào)節(jié)器容量配置和能量?jī)?yōu)化補(bǔ)償策略”采用粒子群優(yōu)化算法計(jì)算RPC最小補(bǔ)償功率，但該方法是將牽引負(fù)荷設(shè)為一定的步長(zhǎng)，然后采用離線優(yōu)化計(jì)算方法獲得優(yōu)化解，因此無法適用于牽引負(fù)荷波動(dòng)情況下實(shí)時(shí)計(jì)算，并且在所取步長(zhǎng)太大的情況下，補(bǔ)償精確不夠理想，存在欠補(bǔ)償或補(bǔ)償問題。因此，目前還沒有一種比較簡(jiǎn)單的適用于波動(dòng)負(fù)載工況的實(shí)時(shí)在線精確計(jì)算最優(yōu)補(bǔ)償功率的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種鐵路功率調(diào)節(jié)器負(fù)序?qū)崟r(shí)優(yōu)化補(bǔ)償方法，能夠?qū)崟r(shí)在線精確計(jì)算最優(yōu)補(bǔ)償功率給定值，實(shí)現(xiàn)電氣化鐵路負(fù)序和無功實(shí)時(shí)優(yōu)化治理，以滿足鐵路公司和電力部門的需求。

一種鐵路功率調(diào)節(jié)器負(fù)序?qū)崟r(shí)優(yōu)化補(bǔ)償方法，包括以下數(shù)據(jù)：

步驟1：對(duì)牽引變壓器牽引側(cè)的兩相饋線的電壓和電流進(jìn)行采樣；

步驟2：利用步驟1采樣獲得的數(shù)據(jù)，采用快速傅里葉算法和瞬時(shí)功率算法，獲得α臂負(fù)載有功電流I_αLp和負(fù)載無功電流I_αLq，β臂負(fù)載有功電流I_βLp和負(fù)載無功電流I_βLq，負(fù)載有功電流比K_I和有功補(bǔ)償系數(shù)λ；

步驟3：計(jì)算有功轉(zhuǎn)移電流ΔI_p與有功補(bǔ)償系數(shù)λ之間函數(shù)關(guān)系ΔI_p＝f(λ)，以及無功補(bǔ)償電流ΔI_q與負(fù)序無功補(bǔ)償角之間函數(shù)關(guān)系

步驟4：以三相電壓不平衡度給定值ε^*_u＝1.2％為約束條件，利用ΔI_p＝f(λ)和求得有功補(bǔ)償系數(shù)λ和負(fù)序無功補(bǔ)償角之間的函數(shù)關(guān)系并采用優(yōu)化算法計(jì)算在補(bǔ)償電流最小時(shí)，最優(yōu)有功補(bǔ)償系數(shù)λ₀和最優(yōu)負(fù)序無功補(bǔ)償角

電能質(zhì)量三相電壓不平衡(GB/T15543-2008)要求，三相電壓不平衡度ε_u應(yīng)小于1.2％；

步驟5：以所述最優(yōu)有功補(bǔ)償系數(shù)λ₀和最優(yōu)負(fù)序無功補(bǔ)償角為目標(biāo)，計(jì)算α臂補(bǔ)償功率給定值有功分量I_αcp和無功分量I_αcq，以及β臂補(bǔ)償功率給定值有功分量I_βcp和無功分量I_βcq；

步驟6：將步驟5得到的補(bǔ)償功率給定值輸入鐵路功率調(diào)節(jié)器的α變換器和β變換器，控制所述鐵路功率調(diào)節(jié)器的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)牽引變電所負(fù)序和無功優(yōu)化控制。

所述負(fù)載有功電流比K_I是指牽引變壓器的α臂和β臂機(jī)車功率因數(shù)為1時(shí)，α臂和β臂負(fù)載有功電流幅值大小之比。

所述有功轉(zhuǎn)移電流ΔI_p與有功補(bǔ)償系數(shù)λ之間函數(shù)關(guān)系ΔI_p＝f(λ)的具體表達(dá)式為：

${\mathrm{\ΔI}}_P=f\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{1}{2}\mathrm{\λ}(I_{\mathrm{\α}Lp}-I_{\mathrm{\β}Lp})=\frac{1}{2}\mathrm{\λ}(1-K_I)I_{\mathrm{\α}Lp};$

所述無功補(bǔ)償電流ΔI_q與負(fù)序無功補(bǔ)償角之間函數(shù)關(guān)系的具體表達(dá)式為：

其中，ΔI_qα和ΔI_qβ分別為無功補(bǔ)償電流ΔI_q的α臂分量和β臂分量。

所述有功補(bǔ)償系數(shù)λ和負(fù)序無功補(bǔ)償角之間的函數(shù)關(guān)系的表達(dá)式如下：

其中，ε^*_u為三相電壓不平衡度給定值，S_L為負(fù)載視在功率，S_d為系統(tǒng)短路容量。

在求解時(shí)，是以三相電壓不平衡度給定值ε^*_u為約束條件，對(duì)應(yīng)的

根據(jù)國(guó)標(biāo)定義，可知三相電壓不平衡度的公式為：

${\mathrm{\ϵ}}_U={\mathrm{\ϵ}}_I\frac{S_L}{S_d}$

由于負(fù)載視在功率S_L和系統(tǒng)短路容量S_d，這兩個(gè)參數(shù)均為常數(shù)；而ε_I為三相電流不平衡度，其表達(dá)式為：

式中，I'_α為補(bǔ)償后α臂電流值，I'_β為補(bǔ)償后β臂電流值。

為了獲得的表達(dá)式，需要找出I'_α和I'_β與λ和的關(guān)系：

由V/v變壓器一次側(cè)和二次側(cè)電壓電流矢量關(guān)系可知：

將上述的V/v變壓器一次側(cè)和二次側(cè)電壓電流矢量關(guān)系公式代入三相電流不平衡度公式中，再三相電壓不平衡度公式，得到的表達(dá)式。

所述步驟4中采用的優(yōu)化算法為最速下降法、牛頓迭代法或共軛方向法。

所述步驟5中α臂補(bǔ)償功率給定值有功分量I_αcp和無功分量I_αcq，以及β臂補(bǔ)償功率給定值有功分量I_βcp和無功分量I_βcq分別為：

$I_{\mathrm{\α}cp}=I_{\mathrm{\β}cp}=\frac{1}{2}L(I_{\mathrm{\α}Lp}-I_{\mathrm{\β}Lp})$

有益效果

本發(fā)明提供了一種鐵路功率調(diào)節(jié)器負(fù)序?qū)崟r(shí)優(yōu)化補(bǔ)償方法，通過建立有功轉(zhuǎn)移電流ΔI_p與λ之間及無功補(bǔ)償電流ΔI_q與之間函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而獲得λ與之間的函數(shù)表達(dá)式；以所述三相電壓不平衡度給定值為約束條件，采用最速下降法，計(jì)算得到最優(yōu)有功補(bǔ)償系數(shù)和最優(yōu)負(fù)序無功補(bǔ)償角，從而得到實(shí)時(shí)工況下最優(yōu)的負(fù)序補(bǔ)償電流給定值。本發(fā)明所述方法以三相電壓不平衡度為約束條件，通過對(duì)三相電壓不平衡度的分析，提出了以三相電流不平衡度的表達(dá)式為基礎(chǔ)，創(chuàng)造性的分析了有功補(bǔ)償系數(shù)λ和負(fù)序無功補(bǔ)償角之間的函數(shù)關(guān)系，并且準(zhǔn)確的獲得了在補(bǔ)償電流達(dá)到最小時(shí)的最優(yōu)負(fù)序無功補(bǔ)償角和最優(yōu)有功補(bǔ)償系數(shù)λ₀；該方法運(yùn)算量小，可以實(shí)時(shí)在線精確計(jì)算最優(yōu)補(bǔ)償功率給定值，實(shí)現(xiàn)電氣化鐵路負(fù)序和無功實(shí)時(shí)優(yōu)化治理；不僅可以實(shí)現(xiàn)牽引變電所負(fù)序和無功的綜合治理，還能實(shí)現(xiàn)RPC補(bǔ)償功率功率最小運(yùn)行，從而減少RPC運(yùn)行電流和損耗，并可以提高RPC長(zhǎng)期運(yùn)行能力，具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景；且適用于波動(dòng)負(fù)荷實(shí)時(shí)在線計(jì)算，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例所述的一種鐵路功率調(diào)節(jié)器負(fù)序?qū)崟r(shí)優(yōu)化補(bǔ)償方法的實(shí)現(xiàn)原理圖。

具體實(shí)施方式

下面通過具體的實(shí)施例并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

如圖1所示，本發(fā)明提供了一種鐵路功率調(diào)節(jié)器負(fù)序?qū)崟r(shí)優(yōu)化補(bǔ)償方法，該方法包括以下步驟：

步驟1，在每個(gè)采樣周期的起始點(diǎn)，電壓測(cè)量電路和電流測(cè)量電路對(duì)牽引變壓器牽引側(cè)的兩相饋線電壓u_α、u_β和兩相饋線電流i_Lα、i_Lβ分別進(jìn)行采樣，并將采樣數(shù)據(jù)輸入?yún)?shù)計(jì)算模塊；

步驟2，在參數(shù)計(jì)算模塊中，采用快速傅立葉算法和瞬時(shí)功率算法，獲得α臂負(fù)載有功電流I_αLp和負(fù)載無功電流I_αLq，β臂負(fù)載有功電流I_βLp和負(fù)載無功電流I_βLq，負(fù)載有功電流比K_I和有功補(bǔ)償系數(shù)λ；

步驟3，結(jié)合三相電壓不平衡度給定值ε^*_u，將參數(shù)計(jì)算模塊計(jì)算得到的I_αLp、I_αLq、I_βLp、I_βLq、K_I和λ，計(jì)算有功轉(zhuǎn)移電流ΔI_p與所述λ之間函數(shù)關(guān)系ΔI_p＝f(λ)，及無功補(bǔ)償電流ΔI_q與負(fù)序無功補(bǔ)償角之間函數(shù)關(guān)系

ΔI_p＝f(λ)，具體為：

${\mathrm{\ΔI}}_P=\frac{1}{2}\mathrm{\λ}(I_{\mathrm{\α}Lp}-I_{\mathrm{\β}Lp})=\frac{1}{2}\mathrm{\λ}(1-K_I)I_{\mathrm{\α}Lp}---\left(1\right)$

函數(shù)關(guān)系具體為：

式中ΔI_qα和ΔI_qβ分別為無功補(bǔ)償電流ΔI_q的α臂分量和β臂分量。

那么兩臂總的補(bǔ)償電流ΔI為：

步驟4，以三相電壓不平衡度給定值ε^*_u＝1.2％為約束條件，利用ΔI_p＝f(λ)和求得有功補(bǔ)償系數(shù)λ和負(fù)序無功補(bǔ)償角之間的函數(shù)關(guān)系并采用優(yōu)化算法計(jì)算補(bǔ)償電流最小時(shí)，最優(yōu)有功補(bǔ)償系數(shù)λ₀和最優(yōu)負(fù)序無功補(bǔ)償角

電能質(zhì)量三相電壓不平衡(GB/T15543-2008)要求，三相電壓不平衡度ε_u應(yīng)小于1.2％；

為了在滿足三相電壓不平衡度國(guó)標(biāo)要求(即ε^*_u＝1.2％)的情況下，盡可能減少補(bǔ)償電流ΔI，就需要以三相電壓不平衡度給定值ε^*_u為約束條件，求解補(bǔ)償電流ΔI的最優(yōu)值。

在公式(3)中，K_I和I_αLP為常數(shù)，補(bǔ)償電流ΔI由變量λ和決定。雖然λ可以在[0,1]，可以在[-π/3,π/3]的范圍內(nèi)任意取值，但是為了滿足三相電壓不平衡度的國(guó)標(biāo)要求(即ε_u≤1.2％)，我們發(fā)現(xiàn)λ和不能取任意值，在ε_u的約束下，λ和必須滿足一定的函數(shù)關(guān)系，即

下面分析的具體表達(dá)：

根據(jù)國(guó)標(biāo)定義，可知三相電壓不平衡度的公式為：

${\mathrm{\ϵ}}_U={\mathrm{\ϵ}}_I\frac{S_L}{S_d}---\left(4\right)$

公式(4)中，S_L為負(fù)載視在功率，S_d為系統(tǒng)短路容量，這兩個(gè)參數(shù)均為常數(shù)。ε_I為三相電流不平衡度，其表達(dá)式為：

式中，I'_α為補(bǔ)償后α臂電流值，I'_β為補(bǔ)償后β臂電流值。為了獲得的表達(dá)式，我們需要找出I'_α和I'_β與λ和的關(guān)系：

由V/v變壓器一次側(cè)和二次側(cè)電壓電流矢量關(guān)系可知：

將公式(6)代入公式(5)，再代入公式(4)，可得的表達(dá)式為：

$\mathrm{\λ}=1-\sqrt{1+4\×\[K_I-\frac{{(1+K_I)}^2}{v+2}\]/{(1-K_I)}^2}---\left(7\right)$

式中，這樣，在公式(7)中，就得到了滿足ε_u約束條件的λ和的關(guān)系式。

在滿足ε_u約束條件下，為了得到最小補(bǔ)償電流，以公式(7)來約束λ和的取值，以公式(3)來計(jì)算補(bǔ)償電流ΔI的最小值。因此可以將公式(7)代入公式(3)，建立以為自變量的ΔI表達(dá)式：

對(duì)公式(8)，采用最速下降法、牛頓迭代法或共軛方向法，計(jì)算得到補(bǔ)償電流最小值ΔI₀，最優(yōu)負(fù)序無功補(bǔ)償角和最優(yōu)有功補(bǔ)償系數(shù)λ₀。

步驟5，以最優(yōu)有功補(bǔ)償系數(shù)λ₀和最優(yōu)負(fù)序無功補(bǔ)償角為條件，計(jì)算α臂補(bǔ)償功率給定值有功分量I_αcp和無功分量I_αcq，并計(jì)算β臂補(bǔ)償功率給定值有功分量I_βcp和無功分量I_βcq；

步驟6，將補(bǔ)償功率給定值輸入鐵路功率調(diào)節(jié)器的α變換器和β變換器，控制鐵路功率調(diào)節(jié)器的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)牽引變電所負(fù)序和無功優(yōu)化控制。

以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。