一种柔性中压直流铁路供电系统的分层控制方法与流程

本发明涉及电气化铁路供电系统技术领域，特别是一种柔性中压直流铁路供电系统的分层控制方法。

背景技术：

我国电气化铁路采用的工频单相交流供电制式存在以下缺陷：1)电分相的存在导致的列车速度损失、车网电气暂态问题；2)负序、谐波等电能质量问题；3)分相分段供电导致再生制动能量不能供给其他区间，造成能量损失；4)牵引变电所容量利用率低，且不利于新能源的接入。以上问题都制约着铁路的高速化和重载化发展。针对传统工频单相交流供电制式存在的问题，相关研究单位提出了同相供电方案，该方案可以取消位于牵引变电所出口处的电分相，但是不能取消相邻牵引变电所之间的电分相；在同相供电方案基础上提出的贯通式牵引供电系统可以完全消除电分相，实现牵引网全线贯通。

随着电力电子和直流技术的迅速发展，柔性中压直流铁路供电系统受到了广泛关注。与现行的交流牵引供电系统相比，该系统可实现牵引网全线贯通，并且更易于光伏、风能等新能源的接入，更加符合当今社会提倡的节能环保发展理念。由于电分相的取消，多个牵引变电所以并联的方式通过牵引网向运行的机车供电，因此对多个牵引变电所的协调控制是重点研究内容。系统的负荷为电力机车，机车移动会导致牵引变电所与机车间的线路阻抗不断变化。当系统采用传统下垂控制策略时，会导致牵引变电所输出电压存在偏差并且不能实现各个牵引变电所根据其额定容量按比例分担负载功率。在下垂控制的基础上增加电压补偿、电流前馈环节可以消除电压偏差，但是仍不能实现各个牵引变电所根据其额定容量按比例分担负载功率。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种柔性中压直流铁路供电系统的分层控制方法，使各个牵引变电所的输出电压稳定在其参考值进而控制系统中所有牵引变电所输出电压的平均值稳定在系统额定电压值，并实现各个牵引变电所根据其额定容量按比例分担负载功率。

实现本发明目的的技术方案为：

一种柔性中压直流铁路供电系统的分层控制方法，包括二层控制，所述二层控制包括

步骤一：通过离散时间动态一致性算法计算获得系统中所有牵引变电所输出电压的平均值和输出功率标幺值的平均值，包括

1.1采集系统中每一个牵引变电所的输出电压和输出功率，进行迭代，如下：

其中，ε为调整系数，ni为与牵引变电所i通信连接的牵引变电所的集合；aij表示牵引变电所i与牵引变电所j的通信连接状态，若通信连接则为1，否则为0；udci(k)、udci(k+1)分别为牵引变电所i输出电压的第k次、第k+1次迭代值；udci为牵引变电所i输出电压的当前值；δij_u(k)、δij_u(k+1)分别为牵引变电所i与牵引变电所j之间输出电压累积偏差的第k次、第k+1次迭代值，且δij_u(0)＝0；udcj(k)为牵引变电所j输出电压的第k次迭代值；牵引变电所的输出功率标幺值为其输出功率除以额定容量；pi^*(k)、pi^*(k+1)分别为牵引变电所i输出功率标幺值的第k次、第k+1次迭代值；pi^*为牵引变电所i输出功率标幺值的当前值；δij_p(k)、δij_p(k+1)分别为牵引变电所i与牵引变电所j之间输出功率标幺值累积偏差的第k次、第k+1次迭代值，且δij_p(0)＝0；为牵引变电所j输出功率标幺值的第k次迭代值；

1.2令牵引变电所i输出电压的第k次迭代值udci(k)为所有牵引变电所输出电压的平均值牵引变电所i输出功率标幺值的第k次迭代值pi^*(k)为所有牵引变电所输出功率标幺值的平均值步骤二：计算输出电压的功率分配补偿项δv1和电压偏差补偿项δv2，

其中，kpsp和kisp分别为功率调节器的比例系数和积分系数；kpsv和kisv分别为电压调节器的比例系数和积分系数；v^*为系统电压的额定值；sni为牵引变电所i的额定容量；pi为牵引变电所i的输出功率；s为积分因子；

还包括一层控制，所述一层控制包括下垂控制和双闭环控制；

将功率分配补偿项δv1和电压偏差补偿项δv2输入一层控制，利用功率分配补偿项δv1、电压偏差补偿项δv2以及下垂控制得到牵引变电所i的输出电压参考值

其中，rdi为牵引变电所i的下垂系数；的取值范围为

将输出电压参考值输入双闭环控制，通过双闭环控制使牵引变电所i的输出电压稳定在其参考值进而控制系统中所有牵引变电所输出电压的平均值稳定在系统额定电压值v^*，并且实现各个牵引变电所根据其额定容量按比例分担负载功率。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于，

1、可以使柔性中压直流铁路供电系统中各牵引变电所实现输出电压稳定在其参考值进而控制系统中所有牵引变电所输出电压的平均值稳定在系统额定电压值，并且实现各个牵引变电所根据其额定容量按比例分担负载功率，牵引变电所的容量可以得到充分利用。

2、本发明中任意两个牵引变电所间通信故障时，系统仍可利用通信网络传递的信息获得正确的所有牵引变电所输出电压的平均值和输出功率标幺值的平均值，系统仍可稳定运行，可靠性高。

3、本发明中当某一牵引变电所故障时，其他牵引变电所都为该故障牵引变电所相邻的供电区间内的负荷供电，系统供电的可靠性得到进一步提高。

附图说明

图1为柔性中压直流铁路供电系统结构及控制系统示意图。

图2为柔性中压直流铁路供电系统控制策略的结构框图。

图3为离散时间的动态一致性算法。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

一种柔性中压直流铁路供电系统的分层控制方法，利用离散时间动态一致性算法获得的系统中所有牵引变电所的输出电压平均值、输出功率标幺值的平均值求得电压补偿值，利用电压补偿值和下垂控制得到本地牵引变电所的输出电压参考值，再通过双闭环控制使牵引变电所输出电压稳定在其参考值进而控制系统中所有牵引变电所输出电压的平均值稳定在系统额定电压值，并实现各个牵引变电所根据其额定容量按比例分担负载功率。

如图1所示，柔性中压直流铁路供电系统包括：依次相连的三相公共电网、三相降压变压器、三相电抗器、模块化多电平换流器(mmc)、牵引网、机车和钢轨。系统中牵引变电所沿铁路线路安设，除首尾两个牵引变电所外，其余牵引变电所均与其相邻的两个牵引变电所相互通信；首尾两个牵引变电所除与其相邻的牵引变电所通信外，还相互通信，由此构成环形通信网络。环形通信网络通信成本低，并且当系统中任意两个牵引变电所间通信故障时，系统仍可利用通信网络传递的信息获得正确的所有牵引变电所输出电压的平均值和输出功率标幺值的平均值，系统仍可稳定运行。因为牵引网全线贯通，所以当某一牵引变电所故障时，该故障牵引变电所退出系统，其他牵引变电所都为该故障牵引变电所相邻的供电区间内的负荷供电，系统仍可稳定运行。如图2所示，mmc的驱动信号由控制系统产生，控制系统的二层控制：与本地牵引变电所相互通信的牵引变电所的输出电压和输出功率标幺值的第k次迭代值由低带宽通信网络传输至本地牵引变电所控制系统，利用离散时间的动态一致性算法(如图3所示)获得系统中所有牵引变电所的输出电压平均值、输出功率标幺值的平均值。分别将系统电压额定值与输出电压平均值的差值、输出功率标幺值的平均值和本地牵引变电所额定容量的乘积与本地输出功率的差值传给电压调节器、功率调节器，得到输出电压的电压偏差补偿项、功率分配补偿项。一层控制：利用电压偏差补偿项、功率分配补偿项和下垂控制得到本地牵引变电所的输出电压参考值，再通过双闭环控制调节牵引变电所的输出电压稳定在其参考值，并实现各个牵引变电所根据其额定容量按比例分担负载功率。

控制系统的二层控制，仅需传输与本地牵引变电所相互通信的牵引变电所的输出电压、输出功率标幺值的第k次迭代值信息至本地牵引变电所。具体包含以下步骤：

1)获取本地牵引变电所i的输出电压udci和输出功率pi，计算得到输出功率标幺值pi^*，计算公式如公式(1)所示：

pi^*＝pi÷sni(1)

其中，sni为牵引变电所i的额定容量。

2)通过通信网络将与本地牵引变电所i相互通信的所有牵引变电所的输出电压和输出功率的标幺值的第k次迭代值传递到本地牵引变电所。

3)利用式(2)、(3)所示的离散时间动态一致性算法计算获得系统中所有牵引变电所输出电压的平均值和输出功率标幺值的平均值，如下：

其中，ε为调整系数；ni为与本地牵引变电所i相互通信的牵引变电所的集合；aij表示牵引变电所i与牵引变电所j的通信连接状态，若通信连接则该值为1，否则为0；udci、pi^*分别为本地牵引变电所i输出电压、输出功率标幺值的当前值；udci(k+1)、pi^*(k+1)分别为牵引变电所i输出电压、输出功率标幺值的第k+1次迭代值；udcj(k)、分别为牵引变电所j的输出电压、输出功率标幺值的第k次迭代值；δij_u(k)、δij_u(k+1)分别为牵引变电所i与牵引变电所j之间输出电压累积偏差的第k次迭代值、第k+1次迭代值，且δij_u(0)＝0；δij_p(k)、δij_p(k+1)分别为牵引变电所i与牵引变电所j之间输出功率标幺值累积偏差的第k次迭代值、第k+1次迭代值，且δij_p(0)＝0；udci(k)为牵引变电所i的输出电压第k次迭代值，该值最终会收敛到系统中所有牵引变电所输出电压的平均值pi^*(k)为输出功率标幺值的第k次迭代值，该值最终会收敛到系统中所有牵引变电所输出功率标幺值的平均值

4)功率调节器和电压调节器通过式(4)、(5)计算输出电压的功率分配补偿项δv1、电压偏差补偿项δv2：

其中，kpsp和kisp分别为功率调节器的比例系数和积分系数；kpsv和kisv分别为电压调节器的比例系数和积分系数；v^*为系统电压的额定值；sni为牵引变电所i的额定容量，s为积分因子。

控制系统的一层控制，利用功率分配补偿项δv1、电压偏差补偿项δv2以及下垂控制得到本地牵引变电所i的输出电压参考值，进而利用双闭环控制调节牵引变电所输出电压稳定在其参考值，并且使各个牵引变电所根据其额定容量按比例分担负载功率。具体包含以下步骤：

1)通过式(6)计算得到牵引变电所输出电压参考值

其中rdi为牵引变电所i的下垂系数；的取值范围为

2)将输出电压参考值输入双闭环控制，通过双闭环控制使本地牵引变电所i的输出电压稳定在其参考值进而控制系统中所有牵引变电所输出电压的平均值稳定在系统额定电压值v^*，并且实现各个牵引变电所根据其额定容量按比例分担负载功率。