一种电气化铁路用单相链式statcom控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种基于占空比调节的悬浮电容电压平衡控制，用于对单相链式静止 同步补偿器（staticsync虹onouscompensator,statc0m)结构的悬浮电容电压平衡控制， 特别适用于开关频率低、计算要求简单的高压大功率应用场合，该控制方法同样适用于相 同主电路结构的级联型整流器的悬浮电容电压平衡控制。
【背景技术】
[0002] 目前，电气化铁路牵引网采用27. 5kv的单相电网供电，在机车通过铁轨时，会产 生大量的无功及谐波电流。为了减小其对牵引网的危害，在牵引网中需要加入一定的补偿 设备。
[000引 statcom可w对供电电网的无功电流进行补偿，为了与电气化铁路牵引网电压相 适应，statcom主电路拓扑采用多电平链式结构，可省去笨重的移相变压器，具有单元结构 化程度高、冗余能力强等优点。在链式statcom中，将每相称为一个换流链，换流链中的每 个h桥又称为链节。
[0004] 在链式statcom系统中，由于各链节直流侧悬浮电容完全独立，各链节参数与损 耗存在差异，且触发脉冲延时不同，导致链节直流侧电容电压不平衡，从而影响statcom系 统的性能，所w调节各个链节之间的悬浮电容电压使之平衡就变得非常必要。文献（李一 丹，卢文生，彭秀艳.级联型静止同步补偿器的直流电压检测及控制方法研究.中国电机 工程学报，2011，31 (3) :14-19.)针对s相链式statcom提出一种调节链节交流侧输出电 压相角的控制方法，该方法可用于单相链式statc0m，但对于大容量的statcom系统来说， 相角的可调节范围很小，实现链节悬浮电容电压平衡较为困难。文献（文1]創，刘邦银，段善 旭，等.链式静止同步补偿器的直流电容电压平衡控制.中国电机工程学报，2009,29(30): 7-12.)提出一种适用于s相链式statcom的控制方法，该方法基于叠加有功电压矢量对悬 浮电容电压进行平衡控制，在改变各链节吸收有功功率的情况下不会影响其无功特性，但 对于解禪困难的单相链式系统而言该方法并不适用。
【发明内容】
[0005] 本发明的技术解决问题：克服了现有悬浮电容电压平衡控制方法的复杂性，在 多载波调制方式下，提出了一种新颖、简单的基于占空比调节的电气化铁路用单相链式 statcom控制方法。实现了在单相系统中，直流侧悬浮电容电压的平衡。
[000引本发明的技术凯发k8ag旗舰厅真人平台的解决方案为：一种电气化铁路用单相链式statcom控制方法，其步 骤为：
[0007] ①采集直流母线侧电容cl~c。的电压，并检测链节交流侧电流i
[0008] ②将采集到的直流侧电容电压值与参考电压在数字信号处理器中进行比较，并计 算得到电压偏差，并将偏差值送入pi调节器；
[0009] ③根据当前链节的交流侧电流，调制波电压，判断此时链节所处的充放电区域，获 得链节直流侧电容电压值的变化趋势；
[0010] ④根据当前时刻链节直流侧电容电压值的变化趋势，调制波的相位，pi调节器的 输出量，计算偏移量；
[0011] ⑥根据步骤④计算出来的偏移量，将偏移量叠加到调制波上。
[0012] 所述步骤③中的充放电区域为：由区域i~区域iv构成，4个充放电区域电容电 压的变化趋势是不同的，其中区域i与区域iii的电容电压值呈上升趋势，区域ii与区域 iv的电容电压值呈下降趋势。
[0013] 所述步骤③中确定充放电区域的方法为：对当前链节的调制波信号及电流信号进 行符号判定，区分出正负，从而即可根据下表确定当前链节的充放电区域。
[0014]
[001引表中sign(x)代表对x取符号运算， 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为链节交流侧电压，is为链节交流侧电流。
[0016] 所述步骤④中的偏移量的大小的计算方法为：
[001引式中，t/gjui=udcn-udcn，为当前链节直流侧电压给定值；ud。。为当前链节 直流侧电压实际值；1]。"。为当前链节直流侧误差值；n为链节数，n=l，2,…，n-1，；kp、ki为pi调节器系数；au。为偏移量；u,为链节的调制波信号；i,为链节的电流信号；sign(x) 代表对x取符号运算。
[0019] 本发明的原理为：链式statcom的拓扑结构如图1所示，该拓扑结构包括单相交流 电源，机车负载，滤波电抗器，n个串联链节。链式statcom将单个h桥链节级联后，形成高 压直接输出，通过电抗器并联在接触网上。
[0020] 通常在大功率级联型变流器中，多采用多载波水平移相调制策略。本发明所述的 悬浮电容电压平衡控制方法是基于二重化与载波水平移相相结合的调制策略提出的。
[0021] 从图1中可知，链式statcom中每个链节通过不同的功率器件开关组合，可w输出 s个不同的电平，即：±udc、0。
[0022] 定义链节左、右桥臂的开关函数为sxi、sx2,链节的等效开关函数为sx，其中x= 1、 2、…、n，n为链节数，且有
[0023] jl,桥臂上管导通、下管关断=桥臂上管关断、下管导通
[0024] sx=sxisx2
[0025] 根据基尔霍夫定律，定义交流电源电压为iv电网电流为ig，链节交流侧电流为 is，链节交流侧电感值为l，电感等效电阻为町，链节直流侧电压为udci~ud。。，链节等效损耗 用电阻r。表示，从而可w得到链式statcom交流侧及直流侧的电压平衡方程为。
[0027] 图2所示为链式statcom在理想状态下，发出纯容性无功电流时的电流和电压波 形示意图，此时链节交流侧电流超前链节交流侧电网90°。
[002引在图2中，输出电压u历等效的周期平均值。理想情况下，i加位超前u,90°。图 2将一个基波周期划分为四个区域，划分的依据为ig、ug的过零点处。w区域i为例，对链 节1的悬浮电容电压的变化趋势进行分析，其电压波形如图3所示。
[002引如图3所示的一个载波周期，在0~vt2~t拥间内，s1= 0,由上式可知此时 母线悬浮电容电压变化率
，链节悬浮电容电压不变；在ti~t2、t3~t4时间内，s1 =1且^>0,由上式可知，此时
，链节悬浮电容电压上升。假设在ti~t2时间 内，链节悬浮电容电压升高audei;在t3~t4时间内，链节悬浮电容电压升高au4。2,则在此 载波周期内相应的链节悬浮电容电压变化量为audti audt2。
[0030]由图3可得
[0032]对一个开关周期取其平均值，得出占空比方程为
[0034] 上式中，d为占空比，
；1'历开关周期，〈非於。为1立开关周期 的平均值。由上式可知，当statcom链节悬浮电容容量一定时，悬浮电容电压波动aud。与 占至比d和电流is有关。
[0035] 同理可采用运种分析方法分析其他区域，并得出在区域i、iii中，电容是充电的； 在区域ii、iv中，电容是放电的，即链节悬浮电容在一个工频周期内呈现一个两倍工频的 充放电过程。相应的仿真波形如图4所示，图4中链节直流侧电容电压给定值为80v，在图4 中，纵坐标代表当前链节的直流侧电容电压值，横坐标代表当前系统运行的时间，从图4中 可w看出，链节的直流侧电容电压值与给定值基本一致，其中区域i的仿真波形与图3所示 进行的定性分析结果一致，电容电压成上升趋势。
[0036] 基于如图3所示的定性分析化及如图4所示的仿真波形，可得出各个区域中链节 悬浮电容电压变化规律如下表所示。
[0037]
[00測注：在表1中，sign(x)代表对x取符号运算，t代表udei增加，i代表udei下降
[0039] 由上表可见，在已知总输出电压11郝输入电流i曲符号时，便可获得链节悬浮电 容电压的变化趋势。
[0040] 本发明提出的悬浮电容电压平衡控制策略是基于悬浮电容电压的充放电规律，通 过调节占空比来控制悬浮电容电压，其本质是一种逐周期平均控制方法。具体而言，当检测 的悬浮电容电压偏离给定值时，根据上表所给出的悬浮电容电压变化规律，改变占空比山 使悬浮电容电压向需要的方向变动。
[0041] 设占空比的增量为ad,则有
[004引上式中，aud。'为保持悬浮电容电压平衡加入的补偿量，其大小正比于山方向则 由当前链节的悬浮电容电压值偏离给定值的情况，对比上表后确定。
[0044] 在spwm技术中，考虑到占空比信号的大小正比于调制信号的幅值，所w可通过改 变调制信号幅值的大小来达到占空比信号的调节。
[0045] 在理想工作