一種電氣化鐵路用單相鏈式statcom控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及一種基于占空比調節(jié)的懸浮電容電壓平衡控制，用于對單相鏈式靜止 同步補償器（StaticSync虹onousCompensator,STATC0M)結構的懸浮電容電壓平衡控制， 特別適用于開關頻率低、計算要求簡單的高壓大功率應用場合，該控制方法同樣適用于相 同主電路結構的級聯(lián)型整流器的懸浮電容電壓平衡控制。
【背景技術】
[0002] 目前，電氣化鐵路牽引網(wǎng)采用27. 5kV的單相電網(wǎng)供電，在機車通過鐵軌時，會產 生大量的無功及諧波電流。為了減小其對牽引網(wǎng)的危害，在牽引網(wǎng)中需要加入一定的補償 設備。
[000引 STATCOM可W對供電電網(wǎng)的無功電流進行補償，為了與電氣化鐵路牽引網(wǎng)電壓相 適應，STATCOM主電路拓撲采用多電平鏈式結構，可省去笨重的移相變壓器，具有單元結構 化程度高、冗余能力強等優(yōu)點。在鏈式STATCOM中，將每相稱為一個換流鏈，換流鏈中的每 個H橋又稱為鏈節(jié)。
[0004] 在鏈式STATCOM系統(tǒng)中，由于各鏈節(jié)直流側懸浮電容完全獨立，各鏈節(jié)參數(shù)與損 耗存在差異，且觸發(fā)脈沖延時不同，導致鏈節(jié)直流側電容電壓不平衡，從而影響STATCOM系 統(tǒng)的性能，所W調節(jié)各個鏈節(jié)之間的懸浮電容電壓使之平衡就變得非常必要。文獻（李一 丹，盧文生，彭秀艷.級聯(lián)型靜止同步補償器的直流電壓檢測及控制方法研究.中國電機 工程學報，2011，31 (3) :14-19.)針對S相鏈式STATCOM提出一種調節(jié)鏈節(jié)交流側輸出電 壓相角的控制方法，該方法可用于單相鏈式STATC0M，但對于大容量的STATCOM系統(tǒng)來說， 相角的可調節(jié)范圍很小，實現(xiàn)鏈節(jié)懸浮電容電壓平衡較為困難。文獻（文1]創(chuàng)，劉邦銀，段善 旭，等.鏈式靜止同步補償器的直流電容電壓平衡控制.中國電機工程學報，2009,29(30): 7-12.)提出一種適用于S相鏈式STATCOM的控制方法，該方法基于疊加有功電壓矢量對懸 浮電容電壓進行平衡控制，在改變各鏈節(jié)吸收有功功率的情況下不會影響其無功特性，但 對于解禪困難的單相鏈式系統(tǒng)而言該方法并不適用。
【發(fā)明內容】
[0005] 本發(fā)明的技術解決問題：克服了現(xiàn)有懸浮電容電壓平衡控制方法的復雜性，在 多載波調制方式下，提出了一種新穎、簡單的基于占空比調節(jié)的電氣化鐵路用單相鏈式 STATCOM控制方法。實現(xiàn)了在單相系統(tǒng)中，直流側懸浮電容電壓的平衡。
[000引本發(fā)明的技術解決方案為：一種電氣化鐵路用單相鏈式STATCOM控制方法，其步 驟為：
[0007] ①采集直流母線側電容Cl~C。的電壓，并檢測鏈節(jié)交流側電流i
[0008] ②將采集到的直流側電容電壓值與參考電壓在數(shù)字信號處理器中進行比較，并計 算得到電壓偏差，并將偏差值送入PI調節(jié)器；
[0009] ③根據(jù)當前鏈節(jié)的交流側電流，調制波電壓，判斷此時鏈節(jié)所處的充放電區(qū)域，獲 得鏈節(jié)直流側電容電壓值的變化趨勢；
[0010] ④根據(jù)當前時刻鏈節(jié)直流側電容電壓值的變化趨勢，調制波的相位，PI調節(jié)器的 輸出量，計算偏移量；
[0011] ⑥根據(jù)步驟④計算出來的偏移量，將偏移量疊加到調制波上。
[0012] 所述步驟③中的充放電區(qū)域為：由區(qū)域I~區(qū)域IV構成，4個充放電區(qū)域電容電 壓的變化趨勢是不同的，其中區(qū)域I與區(qū)域III的電容電壓值呈上升趨勢，區(qū)域II與區(qū)域 IV的電容電壓值呈下降趨勢。
[0013] 所述步驟③中確定充放電區(qū)域的方法為：對當前鏈節(jié)的調制波信號及電流信號進 行符號判定，區(qū)分出正負，從而即可根據(jù)下表確定當前鏈節(jié)的充放電區(qū)域。
[0014]
[001引表中Sign(X)代表對X取符號運算，+代表X大于0,-代表X小于0,t代表Udc增 加，I代表Ud。下降，US為鏈節(jié)交流側電壓，iS為鏈節(jié)交流側電流。
[0016] 所述步驟④中的偏移量的大小的計算方法為：
[001引式中，t/gjui=Udcn-Udcn，為當前鏈節(jié)直流側電壓給定值；Ud。。為當前鏈節(jié) 直流側電壓實際值；1]。"。為當前鏈節(jié)直流側誤差值；n為鏈節(jié)數(shù)，n=l，2,…，n-1，；Kp、Ki為PI調節(jié)器系數(shù)；Au。為偏移量；U,為鏈節(jié)的調制波信號；i,為鏈節(jié)的電流信號；Sign(X) 代表對X取符號運算。
[0019] 本發(fā)明的原理為：鏈式STATCOM的拓撲結構如圖1所示，該拓撲結構包括單相交流 電源，機車負載，濾波電抗器，n個串聯(lián)鏈節(jié)。鏈式STATCOM將單個H橋鏈節(jié)級聯(lián)后，形成高 壓直接輸出，通過電抗器并聯(lián)在接觸網(wǎng)上。
[0020] 通常在大功率級聯(lián)型變流器中，多采用多載波水平移相調制策略。本發(fā)明所述的 懸浮電容電壓平衡控制方法是基于二重化與載波水平移相相結合的調制策略提出的。
[0021] 從圖1中可知，鏈式STATCOM中每個鏈節(jié)通過不同的功率器件開關組合，可W輸出 S個不同的電平，即：±Udc、0。
[0022] 定義鏈節(jié)左、右橋臂的開關函數(shù)為Sxi、Sx2,鏈節(jié)的等效開關函數(shù)為Sx，其中X= 1、 2、…、n，n為鏈節(jié)數(shù)，且有
[0023] Jl,橋臂上管導通、下管關斷=橋臂上管關斷、下管導通
[0024] Sx=SxiSx2
[0025] 根據(jù)基爾霍夫定律，定義交流電源電壓為IV電網(wǎng)電流為ig，鏈節(jié)交流側電流為 is，鏈節(jié)交流側電感值為L，電感等效電阻為町，鏈節(jié)直流側電壓為Udci~Ud。。，鏈節(jié)等效損耗 用電阻R。表示，從而可W得到鏈式STATCOM交流側及直流側的電壓平衡方程為。
[0027] 圖2所示為鏈式STATCOM在理想狀態(tài)下，發(fā)出純容性無功電流時的電流和電壓波 形示意圖，此時鏈節(jié)交流側電流超前鏈節(jié)交流側電網(wǎng)90°。
[002引在圖2中，輸出電壓U歷等效的周期平均值。理想情況下，i加位超前u,90°。圖 2將一個基波周期劃分為四個區(qū)域，劃分的依據(jù)為ig、Ug的過零點處。W區(qū)域I為例，對鏈 節(jié)1的懸浮電容電壓的變化趨勢進行分析，其電壓波形如圖3所示。
[002引如圖3所示的一個載波周期，在0~Vt2~t擁間內，S1= 0,由上式可知此時 母線懸浮電容電壓變化率
，鏈節(jié)懸浮電容電壓不變；在ti~t2、t3~t4時間內，S1 =1且^>0,由上式可知，此時
，鏈節(jié)懸浮電容電壓上升。假設在ti~t2時間 內，鏈節(jié)懸浮電容電壓升高AUdei;在t3~t4時間內，鏈節(jié)懸浮電容電壓升高AU4。2,則在此 載波周期內相應的鏈節(jié)懸浮電容電壓變化量為AUdti+AUdt2。
[0030]由圖3可得
[0032]對一個開關周期取其平均值，得出占空比方程為
[0034] 上式中，d為占空比，
；1'歷開關周期，〈非於。為1立開關周期 的平均值。由上式可知，當STATCOM鏈節(jié)懸浮電容容量一定時，懸浮電容電壓波動AUd。與 占至比d和電流is有關。
[0035] 同理可采用運種分析方法分析其他區(qū)域，并得出在區(qū)域I、III中，電容是充電的； 在區(qū)域II、IV中，電容是放電的，即鏈節(jié)懸浮電容在一個工頻周期內呈現(xiàn)一個兩倍工頻的 充放電過程。相應的仿真波形如圖4所示，圖4中鏈節(jié)直流側電容電壓給定值為80V，在圖4 中，縱坐標代表當前鏈節(jié)的直流側電容電壓值，橫坐標代表當前系統(tǒng)運行的時間，從圖4中 可W看出，鏈節(jié)的直流側電容電壓值與給定值基本一致，其中區(qū)域I的仿真波形與圖3所示 進行的定性分析結果一致，電容電壓成上升趨勢。
[0036] 基于如圖3所示的定性分析化及如圖4所示的仿真波形，可得出各個區(qū)域中鏈節(jié) 懸浮電容電壓變化規(guī)律如下表所示。
[0037]
[00測注：在表1中，Sign(X)代表對X取符號運算，t代表Udei增加，I代表Udei下降
[0039] 由上表可見，在已知總輸出電壓11郝輸入電流i曲符號時，便可獲得鏈節(jié)懸浮電 容電壓的變化趨勢。
[0040] 本發(fā)明提出的懸浮電容電壓平衡控制策略是基于懸浮電容電壓的充放電規(guī)律，通 過調節(jié)占空比來控制懸浮電容電壓，其本質是一種逐周期平均控制方法。具體而言，當檢測 的懸浮電容電壓偏離給定值時，根據(jù)上表所給出的懸浮電容電壓變化規(guī)律，改變占空比山 使懸浮電容電壓向需要的方向變動。
[0041] 設占空比的增量為Ad,則有
[004引上式中，AUd。'為保持懸浮電容電壓平衡加入的補償量，其大小正比于山方向則 由當前鏈節(jié)的懸浮電容電壓值偏離給定值的情況，對比上表后確定。
[0044] 在SPWM技術中，考慮到占空比信號的大小正比于調制信號的幅值，所W可通過改 變調制信號幅值的大小來達到占空比信號的調節(jié)。
[0045] 在理想工作