[發(fā)明專利]基于VSM的兩電平牽引整流器的控制策略

在審

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• 申請日: 2017-09-06
• 公開（公告）號: CN107592026A
• 公開（公告）日: 2018-01-16
• 發(fā)明（設計）人: 葛興來;陳旭東;馮曉云
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: H02M7/217
• 分類號: H02M7/217;H02J3/24
• 代理公司: 成都信博專利代理有限責任公司51200
• 代理人: 劉凱

技術領域

本發(fā)明涉及電力牽引與電力傳動技術領域，具體為一種基于VSM的兩電平牽引整流器的控制策略。

背景技術

現(xiàn)代交流電力機車普遍采用AC-DC-AC模式，前端通過PWM整流器將單相交流電整流為直流電，PWM整流器具有較低的功率諧波含量，較高的功率因數(shù)，能夠實現(xiàn)能量的雙向流動等優(yōu)點。但是通過在電力系統(tǒng)的研究表明，電力電子器件雖然具有響應迅速的優(yōu)點，相應的也缺乏慣性和阻尼特性，因此，越來越多的電力電子器件接入電網(wǎng)，會降低整個電網(wǎng)的慣性和阻尼特性。如果將牽引網(wǎng)看成一個特殊的微電網(wǎng)，而將電力機車看成一個特殊的分布式能源，同樣的在牽引系統(tǒng)中也會存在類似的問題。在分布式發(fā)電領域，目前一種行之有效的措施為虛擬同步機技術(virtual synchronous machine，VSM)，即將三相逆變器去模仿同步機的外特性，將三相逆變器等效為一個同步發(fā)電機。但是對于牽引系統(tǒng)這樣一個特殊的系統(tǒng)，相關研究卻比較少，牽引整流器本質上是一個單相整流器，既不是三相系統(tǒng)也不是逆變系統(tǒng)，如何將虛擬同步機技術運用到單相兩電平牽引整流器中，還有待進一步的研究。

另外，傳統(tǒng)牽引整流器控制策略一般運用的是直接電流控制或者是dq解耦控制，這兩種控制方法雖然都能實現(xiàn)較好的直流側電壓控制以及網(wǎng)側電流相位控制，但是也僅僅將電力機車看成是一個被動的負載，不具備主動參與牽引網(wǎng)電壓幅值和頻率的調(diào)節(jié)能力。而在電力系統(tǒng)中傳統(tǒng)發(fā)電設備為同步電機，能夠給電網(wǎng)電壓和頻率提供支撐，在電網(wǎng)電壓幅值和頻率發(fā)生波動時能夠自適應的調(diào)整輸出無功功率和有功功率，從而為電網(wǎng)提供一定的支撐功能。采用基于虛擬同步機技術的牽引整流器，通過電壓和頻率調(diào)節(jié)部分，也能夠自主的參與牽引網(wǎng)的調(diào)節(jié)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明涉及一種基于VSM的兩電平牽引整流器的控制策略，可使得牽引整流器具有同步機的外特性，具備一定的阻尼特性，阻尼系統(tǒng)的振蕩，使得電力機車在滿足自身運行狀況的同時也能夠主動參與牽引網(wǎng)電壓和頻率的調(diào)節(jié)。技術方案如下：

一種基于VSM的兩電平牽引整流器的控制策略，其特征在于，建立模仿同步機的兩電平牽引整流器機械模型，取電流流入整流器的方向為電流的正方向，機械模型的方程為：

式中，T_m、T_e、T_d分別為虛擬機械轉矩、虛擬電磁轉矩和阻尼轉矩；J為轉動慣量；ω₀為實際的牽引網(wǎng)角速度；D_p為阻尼系數(shù)；為虛擬同步機的電氣角速度即整流器輸入電壓的角速度；

求得整流器輸入電壓的角速度實現(xiàn)整流器輸入電壓e_ab的頻率控制。

進一步的，通過控制虛擬機械轉矩T_m控制虛擬電磁轉矩T_e，進而控制整流器有功功率P_e：

虛擬機械轉矩T_m由兩部分組成：

T_m＝T₀+△T

T₀為PI控制器的輸出，控制直流側電壓跟蹤給定值，表示為：

T₀＝(K_p+K_i/s)(V_dc__ref-V_dc)

式中，K_p和K_i分別為PI控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)；s為微分算子，V_dc為直流側電壓，V_dc__ref為給定值；

△T為頻率支撐部分，表示為：

△T＝k_f(ω₀-ω₀^*)

式中，k_f為頻率調(diào)節(jié)系數(shù)，ω₀^*為牽引網(wǎng)額定角速度，在牽引網(wǎng)頻率發(fā)生波動時，△T調(diào)節(jié)虛擬機械轉矩T_m；

當系統(tǒng)為穩(wěn)定狀態(tài)有T_m＝T_e，虛擬電磁轉矩T_e為：

T_e＝P_e/ω

式中，ω為整流器輸入電壓實際角速度；當系統(tǒng)為穩(wěn)定狀態(tài)時，由ω₀替代ω，即：

T_e＝P_e/ω₀