协调信号（精选5篇）
协调信号 篇1
交通拥堵问题必然引起整个交通系统的失调,给人们的出行带来延误,严重影响了人们正常的生活。因此有关部门正加大力度进行交通管制,以提高交通设施的服务水平。在对信号交叉口进行优化时,只考虑对信号配时优化,或只考虑对交叉口渠化进行改造等等,两者没有协调考虑,使得治理的效果不是非常理想。
本文针对北京市怀柔区的交通特点,以北京市怀柔某信号交叉口为研究对象, 采用比较简便的信号配时软件Synchro[1,2,3]对交叉口信号配时现状进行分析、优化,在优化配时方案的基础上,对渠化方案进行比选,结合渠化组织形式再对信号配时进行优化,实现了两者的有机结合,将渠化组织优化与信号配时优化协调考虑可以较好地降低交叉口整体延误,提高交叉口地区的交通服务水平,从而为改善交叉口的交通运行状况。
1 渠化与信号配时优化设计思路
通过基础数据调查,掌握交叉口现状,找出交叉口交通组织运行存在的问题,针对遇到的问题进行分析,并利用Synchro仿真软件[4]结合渠化形式进行信号配时和分析评价。如果目前的渠化与信号配时方案能够满足当前的交通需求,就不需要再进行优化,可以继续为交叉口运行服务;如果不能满足当前的交通需求,则需对现状进行优化配时。如果现状信号优化配时,可以满足交通需求,就不需要再进行渠化方案设计,直接将优化的信号配时方案作为推荐方案;如果当交通量已经达到超饱和的情况,只对现状进行信号配时优化,仍不能满足需要,就要考虑进行渠化设计,利用Synchro仿真软件对设计的渠化形式进行仿真评价,通过渠化方案比选,得出最佳渠化方案。
渠化和信号配时是不能独立进行设计的,在同样的渠化方式下,根据选定的评价指标,进行信号配时方案比选,那么在选定最优周期之后,再进行渠化优化设计比选,确定最优的交叉口渠化形式,结合新的渠化方案再进行信号配时优化,通过各指标对配时方案进行评价,得出符合渠化方案的最佳信号配时方案。如果现状的交通渠化与信号配时设计效果比较好,那么就直接得出最优的渠化与信号配时方案。方案设计路线图如图1所示。
2 现状调查及分析
2.1 路口几何现状
该交叉口地处怀柔区主干道青春路与次干道府前街相交路口,路口西南角是会议中心,西北角是百货大楼,东南角是京北大世界商场,东北角是红楼饭店,该交叉口位置比较特殊,是人群比较集中的地方,该路口以会议中心作为标志性建筑,我们将该路口命名为会议中心路口。怀柔区会议中心路口各进口道的车道数均为2车道,都是直左混行和直右混行车道;南北方向即青春路上的机动车道车道宽度为3.5 m,非机动车道除一侧为5 m外,其他为7 m,绿化带宽度为2 m;东西方向即府前街上的车道宽度为3 m,非机动车道宽度均为5 m,绿化带宽度为3 m。如图2所示。
2.2 调查数据
2.2.1 流量
表1是从北京市怀柔区青春路-府前街交叉口调查数据中,选取高峰时期有代表性的1 h流量数据作为研究的主要依据[5]。
从高峰的数据表可以看出,南北方向直行车辆占很大比重,东西方向的左转车辆也比较多,而且比东西方向直行车辆多。南进口道的左转车辆流量不大,北进口左转和右转车辆也比较大。对于非机动车和行人来说,北进口流量偏小。
2.2.2 现状信号配时
交叉口采用二相位控制方式进行控制,左转均为许可型。高峰时期现状信号配时方案见表2所列。
注:相位1为南北方向即青春路,相位2为东西方向即府前街,该表及下面所有表格涉及相位皆相同。
2.3 现状分析
利用Synchro仿真软件结合渠化形式进行信号配时现状进行效果分析评价,见表3所列。
高峰时段,东进口、西进口和北进口的仿真延误比较大,服务水平到达C级水平,北进口的停车次数达到901次,交叉口总延误达到22.8 s,交叉口服务水平达到C,依此看来,高峰时段的现状配时方案确实存在问题,亟待解决。
3 交叉口渠化与信号配时优化方案设计
根据现状的分析结果,对会议中心交叉口进行交通组织与信号控制协调优化,具体过程分为3个阶段,即阶段一,原交通渠化方式不改变,进行信号配时优化设计;阶段二,基于阶段一的信号配时,进行交通组织方案优化比选;阶段三,基于第二阶段优化得到的交通组织方案,进行信号配时优化。结合这3个阶段进行调整分析,直到得到最优方案。
阶段一。原交通渠化方式不改变,利用Synchro仿真软件进行信号配时优化设计,见表4、5所列。
高峰时段,东进口、南进口和北进口的仿真延误虽有所下降,但仍然比较大,西进口的仿真延误略有增加,服务水平仍处于C级水平,北进口的停车次数为845,仍处于较高状态,依此看来,高峰时段的现状配时方案在渠化不变的情况下进行优化后,改良的效果不是非常明显,因此,建议进行渠化改造[6],以改变现有的不良局面。
阶段二。基于阶段一优化信号配时,进行交通渠化方案优化比选。
由于东进口、南进口和北进口的延误比较大,各个进口的直行车流量较大,因此根据路口的几何现状[7]将每个进口渠化拓宽1个车道,每个进口由原来的直左混行、直右混行车道变为直左混行、直行、直右混行车道。
东西方向:将东西进口处右侧的绿化带去掉进口部分,拓宽1个车道,将3个车道渠化为直左混行车道、直行车道、直右混行车道;
南北方向:南进口的非机动车和行人的流量比较大,北进口的相对较少,所以考虑到南出口的行人和非机动车也不会太多,因此考虑对南出口进行改置,将南出口的机动车与非机动车的隔离栅往外移2 m,将原来的7 m的非机动车道缩减为5 m。南进口向左拓宽1个车道,将原来的直左混行、直右混行车道渠化为直左混行、直行、直右混行车道。具体渠化方案如图3所示。
各进口的仿真延误都有所降低,东进口与北进口服务水平由C级升到B级水平,南进口的服务水平由B级升到A级水平,西进口改善的程度稍小,仍处于C级水平。交叉口延误由21.6 s降为15.7 s,交叉口服务水平由C级水平升级为B级水平。
阶段三。基于第二阶段优化比选得到的交通渠化方案,利用Synchro进行信号配时优化
与阶段二的配时方案相比,东西方向延误有较大改善,南北方向延误有所增加,服务水平有所下降,南进口由A级降到B级水平,北进口由B级水平降为C级水平。交叉口延误有所增加,由15.7 s变为17.5 s,因此本信号配时方案不太理想。所以最终方案采用阶段二的信号配时方案。因此,最终渠化方案下信号优化配时推荐方案如表6所示。
4结束语
本文通过对实际数据的综合分析,结合Synchro软件的仿真效果,利用相应的评价指标,通过“信号配时方案对比-确定渠化形式-信号配时优化”的方法,得出了信号交叉口最佳的渠化与信号配时设计方案。在信号配时方案的设计过程中,结合信号配时存在的问题,得出了符合交通特性的信号配时方案。设计方案结合现场的调试,将会达到预期的最佳应用效果。
摘要：目前在信号交叉口方案优化时,渠化组织优化研究与信号配时优化研究相分离,从而影响了研究的整体效果。文中以北京市怀柔区的典型交叉口为例进行分析研究。在实际调查的基础上进行特性分析,利用Synchro仿真软件对信号交叉口的现状信号配时方案进行分析,并对配时方案进行优化。结合分析结果,判断渠化组织的合理性,再根据渠化组织确定相应信号配时方案。将信号配时优化与渠化组织协同考虑,最终确定推荐的渠化与信号配时设计方案。
关键词：信号交叉口,渠化,信号配时,仿真
参考文献
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试析智能交通信号的协调控制系统 篇2
1 智能交通信号协调控制系统的类型
近几年, 随着经济与科学技术都不断发展, 这样自动控制技术和计算机技术也有了很大的进步, 此外, 在交通流方面的理论研究也在不断发展与进步, 相应提高的还有交通运输组织和技术、优化理论, 这样对于交通管制来说其中心功能就进一步的得到增强, 控制的手段也不断加强, 技术也是更加的先进, 从而形成了一个更加完善更加高效的城市道路交通信号协调控制系统。
对于智能交通信号协调控制系统的分类, 如果从控制方式和系统结构上进行分类, 可以分成集中式计算机控制系统和分布式计算机控制系统, 前者的所有信息是由控制中心集中处理之后再向各个路口发出相应的控制指令, 后者是各自级别上的电脑来进行控制, 执行的是上一级的控制指令。如果从系统的控制战略上进行分类, 那可以分成动态系统和静态系统两类, 前者是由检测器实时监测和采集到的数据对信号配时进行优化, 后者是根据历史的交通流数据来对信号配时进行优化。如果从控制的区域上的路网结构进行区分, 可以分成闭环网络和开环网络两种, 如果从系统的功能上进行区分, 可以分成具有监视、控制以及诱导等功能。总之, 对于智能交通信号协调控制系统的分类, 是多种多样的, 条件不同, 分类的标准也就不一样, 适用的范围也就会有区别。
2 智能交通信号协调控制系统的现状
2.1 国内现状
就现有的情况进行分析, 我国在这一方面来说起步比较晚。在这个领域中较为突出的是南京城市交通控制系统。这个系统的优点也是结合多种系统产生的, 也是我国国产化自行设计的第一个交通信号协调控制系统。现在在国内, 已经有很多的院校或者是研究所都开发出了模块化和微机化的信号协调控制系统, 比如有西北工业大学研发出的XATM智能交通信号机, 还有上海东川公司研制出的UTC1001多时段和多方案的信号控制系统等等, 这些新研制出的信号控制系统都采用了比较先进的技术, 比如有多时段、多相位控制技术, 这样的新产品就在很多方面克服了从前的信号机中的缺点, 提升了交通信号灯的灵活性高效性等。当然在功能方面也有了更加全面的完善, 在控制优化算法、软件人机控制界面、应急方案、联网功能、控制模式和硬件事故检测和保护等功能都有很大的提升, 这些相比从前的老旧技术都有了空前的进步。
2.2 国外现状
现在在世界各国, 都比较普遍的采用的道路交通信号协调控制系统主要有以下三个, 它们都具有很强的实效性与代表性。首先就是英国的TRANSYT系统, 这个系统是由英国的道路研究所耗费巨大的资源研制出来的比较成功的交通信号协调控制系统, 现在经过不断的更新换代和研究已经发展了很多款优秀的型号。其次, 就是英国的SCOOT系统, 这个系统是在TRANSYT系统的基础上发展出来的, 它采用了自适应的控制方法, 是动态的交通信号控制系统, 在作用和功能上比静态的系统要优秀很多, 很多国家采用的都是这款系统。最后就是澳大利亚研制的SCATS系统, 该系统主要运用了世界上比较先进的计算机网络技术, 使得其在信息传递的时候采用分层传递的模式, 这样的模块形式从结构上讲有着更加实用的作用与效果。
3 动态优化算法的实现
优化算法有很多种, 其中遗传算法是比较新型的一种方法, 其对于函数的优化也是很重要的应用领域。因为遗传算法对于函数的数学性质没有什么要求, 所以其有着比较广泛的适用面。与此同时, 因为遗传算法采用的是群体搜索技术, 在很多方面有着更强的优势和更好的应用效果, 关键问题是要确定好编码方案、遗传操作算子和适应度函数。动态控制方法的实现, 需要有一个完善的流程程序。采用该系统, 可以减少周期之内路口车辆排队的数目。采用遗传算法可以提高系统的实时性, 对于其可靠性的提高也有重要的帮助, 还能更好的适应交通流的变化。
4 控制系统的硬件电路实现
系统的性能是由设计方案决定的, 随着计算机技术的不断发展, 交通信号控制系统中的计算机应用也是逐渐的增强。这些系统的应用对于交通安全的维护起着重要的作用, 但是这些系统普遍都是引用国外的技术, 这就增加使用的成本, 在安装、使用与维护的过程中也有问题, 此外, 因为国内外的交通情况有所不同, 这样也给该系统的应用造成了一定的推广困难。这样对于研发我国自主产权, 针对我国交通状况的交通信号控制系统有着非凡的意义。
智能交通信号协调控制系统的信号机, 主要是由基于ARM的主控模块、主控模块热备份、车流量检测和处理模块、人机接口及显示模块和绿冲突检测及输出驱动等组成。该系统的设计理念是:通过图像检测、感应线圈等方法对车流量信息进行检测然后发送给主控模块, 再由主控模块进行数据处理和加密并通过以太网传输到后台协调控制服务器, 服务器协调各路口的交通状况后计算出最合适的配时方案, 通过以太网将配时方案数据下发到路口信号机, 这样就可以实现实时协调控制交叉路口的信号。后台协调控制服务器一般设置在交通管理指挥中心, 由服务器计算机和控制软件组成。除了自适应的协调控制, 还可以人工干预, 进入警卫模式等。
路口协调信号机的主控模块采用LPC2290处理器作为核心, 通过数据总线与各模块进行数据传输, 配备了用于时钟基准的GPS模块, 以及USB接口和以太网接口, USB接口可以用于数据备份, 以太网接口则用于和后台协调服务器连接。车流量检测和处理模块采用STC12C5A60S2高性能单片机作为主控制, 收集车流量检测摄像头回传的数据, 或者处理地感线圈采集的数据, 将车流量信息传送到主控模块, 每一个车流量检测和处理模块对应交叉路口的一个方向, 可按照具体路口情况来配置该模块的数量。作为人机接口及显示模块采用彩色触摸LCD屏可以直观显示各种信号状态和修改信号机设置参数。绿冲突检测及输出驱动模块采用可控硅对信号灯进行开关控 (下转第37页) 制, 通过耦合整型电路对每路输出进行电流和电压的检测, 并将每路输出的实时状态反馈到主控模块。
对于硬件方面的结构设计是不容忽视的一个重要环节, 必须要加以重视。
5 结语
本文对智能交通信号协调控制系统做了一个简单的介绍, 在概念、分类、和现状方面做了简单的论述, 对于在人工方面依旧使用的技术做了一定的讲解, 在控制电路的硬件实现方面也进行了简单的介绍, 使大家可以对智能交通信号协调控制技术有一个简单的了解。总而言之, 对于车流量的检测和控制, 依旧需要投入更多的资源, 这也是未来研究和发展的一个重要方向之一, 怎样设计一个更加高效、更加简单的交通信号协调控制系统, 也是现代交通发展的一个研究方向。要想开发出更加优秀的智能交通信号协调控制系统, 我国还需要做出更大的努力。
摘要：城市交通的拥挤状况现在是世界上普遍关注的问题之一, 本文针对目前我国交通的状况, 对智能交通信号的协调控制系统进行了初步的探讨和研究。
关键词：智能,交通信号,协调控制,系统
参考文献
[1]陈思, 吴建平.一种基于GPS/GPRS的智能交通信号控制系统[J].中国科技信息, 2006.
[2]马浩轩.基于交通流检测的智能交通系统的研究[J].科技视界, 2012.
[3]南楠.智能交通信号控制系统初探[J].现代计算机:下半月版, 2012.
协调信号 篇3
城市干道信号协调控制是指干道中若干相邻交叉口间的信号配时协调控制,使得主要方向的交通流获取最大的连续通过时间,又称为“绿波带”控制[1]。在干道信号协调控制领域,Synchro等信号配时优化模型被广泛应用[2,3,4]。
目前,国内外对Synchro的运用主要集中在对交叉口或者干道的信号进行协调优化。Maze和Kamyab[5]运用Synchro对US61干道的交通信号配时方案进行协调优化,然后利用Corsim仿真所得配时方案,通过对比前后结果发现延误、排放等都有明显下降。郭谨一等[6]利用Synchro对北京市某一典型十字信号控制交叉口的现有配时方案进行现状评价及仿真优化,使得交叉口各进口的控制延误和每车停车延误都有所降低,服务水平得到了提高。邹志云、陈绍宽[7]使用Synchro对北京市某一信号控制交叉口进行优化研究,通过改善道路几何条件和优化配时方案相结合的研究方案使得交叉口的延误等得到改善。鲁相林等[8]对山东省威海市某一交叉口通过交叉口渠化和利用Synchro对其当前的配时方案进行优化,然后通过Vissim模型仿真,选用行程延误、停车次数、最大排队长度等作为评价指标,对比了交叉口优化前后的交通状况,结果表明优化后方案其延误等指标有所降低。北京工业大学尚德申、石建军等[9]探讨了Synchro在Actra系统中的应用,其中提到Synchro在干道协调优化中效果明显。
Synchro对干道进行信号协调优化时可以得到基于不同目标的优化方案,如基于最小PI(the performance index)值方案、最小延误时间方案、基于最少停车次数方案等。选择合适的优化方案对于交通管理与控制有着重要作用,在以往的研究中,研究者常常直接采用Synchro默认的优化方案,即基于最小PI[4]值的优化方案。
因PI同时考虑了延误及停车次数2项指标,人们主观上认为该优化方案的结果优于其他优化目标的配时方案。为了讨论Synchro对干道进行信号协调优化的效果,基于最小PI值的优化方案是否优于其他优化方案,进而探讨基于何种目标得到的优化方案使得干道上行驶车辆的行程时间、延误、停车次数等参数较小。本文以实际调研数据为基础,结合Vissim仿真平台,对比分析了Synchro中基于不同目标所得优化方案的仿真结果,提出相对较优的优化方案。
1 研究方法
Vissim[10]是目前使用最为广泛的微观仿真模型之一,通过输入行驶速度、交通量、车辆比例等参数,它可以仿真各种交通条件下的城市道路运行状况,得到描述道路运行的多个参数,如行程时间、延误、排队长度等,因此常常被用来评估拟定的交通方案。
Synchro作为一款专门用于信号配时优化的交通模型,输入道路通行能力、交通量、车道数、车道划分等数据后,可以对交叉口/干道进行信号优化。尽管Synchro的SimTraffic模块[11]也能进行交通仿真,但是无论是驾驶行为参数的设置还是道路模型的刻画,以及仿真平台中交通流行为原理,Vissim仿真更能准确的模拟交通运行状况。Synchro优化后的配时方案可以直接输入到Vissim中,为Synchro及Vissim两者相结合提供了基础。
本文基于调查所得数据搭建Synchro干道信号优化平台和Vissim交通仿真平台,使用Synchro优化干道现有配时方案,得到基于不同目标的优化方案,利用Vissim仿真未优化配时方案及各优化后的配时方案[12],得到各方案的仿真结果,以行程时间、延误、平均排队长度以及停车次数为指标[13]分析各方案的适用条件,为选取Synchro干道信号协调控制的最优方案提供依据。
一般来说,进行交通信号协调控制的交通干道应少受外界的干扰[14]:干道内最好没有公交专用道,无过多的出租车停靠点、公交站台等,无较大影响的平曲线及纵坡,具有多个相距较近的交叉口。综合考虑以上要求和实际调研结果,本文选择北京市首都机场东区东西走向的四纬路作为研究对象,并于2011年4月6日和4月20日对四纬路进行了数据调查,采集到的数据包括干道几何特征参数、交通流特性参数及现有信号配时方案等数据。
1.1Synchro优化平台搭建
利用调查得到的几何特征参数,搭建了四纬路干道信号协调优化平台,见图1。
搭建Synchro优化平台时路段、流量及配时设置中的各项参数[8]是基于调查所得数据,包括:路段参数设置中的车道通行能力、车道划分、车道宽、区域类型、转弯车速、总损失时间、红灯是否右转;流量参数设置中的车道交通量、高峰小时系数、增长系数;配时参数设置中的交叉口控制方式、转弯相位配时、各相位时长、黄灯时间、全红时间。因本文所有交叉口都为固定配时交叉口,故相位设置中不需要设置绿灯延长步长、绿灯极限延长时间等参数,黄灯时间、全红时间等参数与配时方案一致。
1.2优化方案提出
因一经路与四纬路相交的交叉口固定周期最长,故以它为主控交叉口进行干道的信号协调优化[1]。按照Synchro优化信号步骤先后对四纬路现行配时方案的周期时长、绿信比及相位差进行优化,最后选取关注较多的基于最小延误、基于最少停车次数以及基于最小PI值的3种优化方案,见图2。
其中值得说明的是,Synchro中延误的计算结合了更适合于信号调整的百分比延误方法(percentile delay method, PDM)[4]和HCM2000的Webster延误计算公式。基于2种方法计算延误最终得到延误最小的优化配时方案,见图2(a)。而停车次数的计算类似于延误的计算,即停车延误的车辆数就是排队车辆数。但也有细微不同,Synchro将延误小于10 s的车辆不算完全停车,对于这部分车辆,Synchro通过计算车辆每次延误的时间进行调节得到停车次数,最终两部分相加得到最后的停车次数,从而得到停车次数最小的优化配时方案,见图2(b)。所以,信号周期的长短直接影响到交叉口的通行能力及车辆的延误时间。对比3种不同优化目标配时方案的周期长发现,基于最小延误的优化方案信号周期最短,T=40 s;基于最少停车次数的优化方案信号周期最长,T=100 s;基于最小PI值的优化方案信号周期居中,T=45 s。因此,利用Synchro进行信号配时优化时,选择基于何种目标的优化配时方案值得展开研究。
利用调查得到的几何特征参数,搭建路网、设置检测器及交叉口处优先规则等最终得到Vissim仿真平台,见图3。
在Vissim仿真平台中输入调查所得的行驶速度、交通量、车辆比例等参数,见表1。另基于国内对Vissim的研究,调整了跟车模型中的最小前视距离、最小后视距离等参数。
2 Vissim仿真结果的对比分析
把3种优化方案输入Vissim仿真平台,运行仿真平台7 200 s,统计时间间隔为600 s。因Vissim仿真刚开始时车辆未全进入仿真平台,此时生成的仿真结果不能反映实际的交通状况,为了保证仿真结果更符合实际路网运行状况,故选取1 800～5 600 s的仿真结果,分别以行程时间、延误、排队长度及停车次数为评价指标,对比分析3种优化方案,并与未优化的原配时方案仿真结果进行比较。
2.1以行程时间为评价指标
行程时间是出行者用来评价道路拥堵状况最直接的指标,也是出行者出行最关注的指标。Vissim中通过设置行程时间检测区段,可以得到车辆通过检测区段的起点直至离开终点的时间间隔(包括停车时间)。
因四纬路为东西走向干道,故本文对比分析了东西走向、西东走向车辆的行程时间。未优化的原配时方案和基于不同目标的优化配时方案的对比结果见图4。
对比原配时方案与3种优化配时方案的行程时间,东西走向,基于最小延误、基于最小PI值和基于最少停车次数的优化方案的行程时间分别比原配时方案的行程时间降低了23.26%、18.63%、1.04%。西东走向,3种优化方案依次比原配时方案降低了21.05%、10.55%、6.89%。故使用Synchro对干道进行信号协调控制能够缩短车辆的行程时间。
对比分析3种优化配时方案的行程时间,东西走向,基于最小延误的优化方案比基于最小PI值的优化方案、基于最少停车次数的优化方案多降低4.63%和10.50%,西东走向,基于最小延误的优化方案比基于最小PI值的优化方案、基于最少停车次数的优化方案分别多降低22.21%和14.16%。故基于最小延误的优化方案是3种优化方案中最优的方案,基于最小PI值的优化方案次之,基于最少停车次数的优化方案最差。
2.2以延误为评价指标
延误反映了路段的交通性能及交通管理效率,常用来评价路段畅通情况及排队状况。Vissim仿真结果中延误为平均延误时间,即通过交叉口的所有车辆平均每辆车的延误时间。未优化的原配时方案及3种优化配时方案的延误对比图,见图5。
从东西、西东2个走向,对比分析未优化的配时方案与3种优化后的配时方案的延误,同样得到Synchro对干道进行信号协调控制是有效的。
对比3种优化配时方案的延误,东西方向和西东方向,基于最小延误的优化方案比基于最小PI值的优化方案分别多降低13.74%和23.08%,比基于最少停车次数的优化方案分别多降低49.71%和32.63%。故基于最小延误的优化方案是3种优化方案中延误最小的方案,基于最小PI值的优化方案次之,基于最少停车次数最差。
2.3以平均排队长度为评价指标
交叉口平均排队长度是指通过交叉口前,车辆在各个进口道排队等候长度的平均值。见式(2)。它反映了交叉口各进口道拥堵阻塞状况,跟交叉口的通行能力、信号配时等有关。
式中:n为交叉口的进口道数。
Vissim中在交叉口各进口道处设置排队计算器,记录每个仿真步长当前的排队长度,对检测时间间隔内测得的所有排队长度进行算术平均,最终得到仿真时间内各进口道的平均排队长度。未优化配时方案及3种优化配时方案仿真结果,见表2。
基于表2数据,利用式(2)计算出各交叉口的平均排队长,对比结果见图6。
由表2可见,26个进口道中,有23个进口道显示基于最小停车次数优化方案的平均排队长度最长,3个进口道显示基于最小PI值优化方案的平均排队长度最长,但该3个进口道数据显示,基于最小延误优化方案的平均排队长度是最短的。故从进口道角度分析何种优化方案使得排队长度最短时只需对比基于最小PI值和基于最小延误的两种优化方案。基于最小PI值优化配时方案较好的进口道共9个分别为:一经路与四纬路交叉口的北进口与南进口、二经路与四纬路交叉口的东进口、三经路与四纬路交叉口的北进口、五经路与四纬路交叉口的东进口、六经路与四纬路交叉口的东/北/西进口、高架口匝道与四纬路交叉口的西进口。六经路与四纬路交叉口的南进口、四经路与四纬路交叉口的南进口共2个进口道显示2种优化方案使得其平均排队长度相等;其他15个进口道显示基于最小延误优化配时方案优于基于最小PI值优化配时方案。
由图6可知,7个交叉口都显示基于最少停车次数的优化方案平均排队长度最长。二经路、六经路与四纬路相交的2个交叉口的排队长度基于最小延误的优化方案较长,另外5个交叉口基于最小PI值的优化方案排队长度较长。但是,对比四纬路各交叉口排队长度总和,基于最小PI值的优化方案排队长度大于基于最小延误的优化方案的排队长度,基于最少停车次数的优化方案排队长度最大,但都比未优化配时方案的排度长度小。
综上分析,以平均排队长度为评价指标时,所有进口道中56.52%的进口道仿真结果表明基于最小延误的优化方案最优,39.13%的进口道仿真结果表明基于最小PI值的优化方案最优,8.70%的进口道仿真结果显示基于最小延误和最小PI值得优化方案效果相同。结合各交叉口排队长度的对比结果,可以判定基于最小延误的优化方案最优,基于最小PI值的优化方案次之,基于最小停车次数的优化方案最差。
2.4以停车次数为评价指标
停车次数为车辆进入排队状态之后停车次数的总和,可表征车辆二次停车等特征,其同样受到交叉口信号配时的影响。因四纬路为东西走向的干道,所以在分析停车次数时主要以各交叉口东西进口道为分析对象,仿真结果见表3。
由表3可见,基于最小延误的优化方案在各交叉口东进口道停车次数总和为1 521次,比基于最少停车次数的优化方案少78次,比基于最小PI值的优化方案少170次;其西进口道停车次数总和为1 268次,比基于最少停车次数优化方案少31次,比基于最小PI值优化方案少332次。故以停车次数为评价指标时,基于最小延误的优化方案都比其它2种方案的停车次数少。对比其他2种方案,在东、西进口道处基于最少停车次数比基于最小PI值的优化方案的停车次数都少。因此可以得到,基于最小延误的优化方案最优,基于最少停车次数的优化方案次之,基于最小PI值的优化方案最差。
3 结论与建议
城市干道协调优化可以降低车辆的行程时间,减少其延误,增加其连续通过时间,有效提高道路利用效率,降低对环境的污染。本文以北京市首都机场东区四纬路为例,基于Vissim仿真结果,以延误、行程时间、平均排队长度、停车次数为评价指标,对比分析Synchro中基于最小延误、最小PI值及最少停车次数3种优化方案,并与未优化的原配时方案进行比较,对比结果如下:
1) Synchro对干道进行协调优化效果显著。以行程时间、延误及排队长度为评价指标对比表明,各优化方案比未优化的原配时方案的行程时间短,延误小,总排队长度小。
2) 利用Synchro进行信号配时优化时,无论以行程时间、延误、排队长度还是停车次数为评价指标,以基于最小延误的优化方案都为最优,故建议以基于最小延误(而非Synchro默认的最小PI值)的进行优化。
3) 在以常关注的行程时间和延误为评价指标时,基于最小延误的优化方案优于基于最小PI值的方案,基于最小PI值的优化方案优于基于最少停车次数的方案。由式(2)知,PI值为延误与停车次数的线性表达式,故可以推测延误对选取Synchro最优优化配时方案的作用高于停车次数,建议设置PI值时降低停车次数的权重。
本文选取的研究对象为非饱和交通流,且各交叉口都为固定配时,故本文研究结论仅在上述条件下具有一定的适用性。针对饱和交通流以及感应控制交叉口时,利用Synchro进行干道信号协调优化时方案的选取可以做进一步研究。也可以针对Vissim和Synchro 2种模型关于停车次数的算法进一步探讨,研究和验证两者停车次数算法对信号优化影响及其差异性。此外,停车次数是影响道路交通油耗和排放的敏感参数,后续研究可从机动车油耗排放角度对比和验证不同停车次数算法的准确性。
协调信号 篇4
1 季诺混杂系统
1.1 混杂系统
混杂即在系统和组成方面的非单一性。而混杂系统是指组成系统的状态和过程随着时间不断变化, 其包括离散时间动态系统和连续变量动态系统两种混杂情况, 且系统中的离散时间和连续变量之间是相互作用和约束的, 在控制系统中, 这种不同特性行为表现为具有连续动态行为和离散时间驱动的动态行为以及这两种行为相互作用构成的复杂系统就是混杂系统[7]。
1.2 季诺混杂系统概述
季诺混杂系统是混杂系统的一个特征系统, 也可以理解为是混杂系统在有q0, 限x0的=时间内进行无限次离散变迁。在实际的实物系统中不存在季诺问题, 但由于在基于季诺混杂系统建模时, 模型过度抽象, 导致实际的实物系统的混杂系统模型可能是季诺问题。例如连续和混杂系统中普遍存在的颤动和松弛控制都可以认为是在不同控制作用中进行无限次快速切换。
季诺混杂系统能够接受在有限时间内进行无限次离散变迁的执行, 这类混杂系统在一般情况下很难进行分析和设计。显然, 确定一个问题是否属于季诺的非常重要。
对于多交叉口的信号联动控制, 从宏观上看是一个连续变量的动态系统, 但在微观方面实则是一个离散的动态变化过程。各个交叉口随着信号灯的控制车辆有序运行, 但将多个交叉口看成一个整体时, 交叉口车辆的运行成为无序运行的状态。因此, 可以将多交叉口的信号联动控制问题看成是一个季诺混杂系统的优化控制问题。
1.3 季诺混杂系统的算法
我们可以说混杂系统接收一个执行c。
对于一个运行来表示c的初始状态。运行时间为混杂时间轨迹间隔数, 通过上述分析, 给出季诺执行的定义如下。
定义1:如果t是无限序列, 则为无限执行;如果执行是无限的, 且t¥ (x) <¥时, 则混杂系统执行是季诺的。季诺执行的运行时间则称为季诺时间[8]。
为了研究混杂系统的季诺特性, 先介绍ω极限状态集合季诺状态集的概念。
定义3:季诺时间的ω极限点称为一个季诺点。所有季诺点的集合则是季诺执行的季诺集。
2 季诺混杂系统在区域交叉口协调控制中的应用
2.1 问题描述
城市交叉口信号灯的控制问题是解决城市交通拥堵的关键措施之一, 而交叉口车辆的进出是一种非线性的、时变的、滞后的大系统, 其既存在交叉口车辆数实时变化的连续部分, 又包含各个交叉口相位切换的离散部分, 对于多交叉口问题, 其连续部分和离散变化表现得尤为突出, 因此, 也就是说交叉口车辆的变化过程, 实际上是一个由相位切换来控制的复杂的动态过程。而季诺混杂系统理论, 为研究由连续的动态行为和离散的事件驱动相结合的动态过程提供了一个理论平台。
本次采用季诺混杂系统主要解决多交叉口信号灯协调控制两个层面的问题:第一个是两个交叉口信号灯的优化组合问题, 寻找最佳的相位切换时间;二是优化组合相位次序问题。
考虑一种四相位交叉口, 两交叉口之间的距离相距500 m, 两个交叉口车道的表示分别为第一个交叉口为L11, L12, L13, L14, 和第二个交叉口为L21, L22, L23, L24, 如图1所示, 两个交叉口的相位设置如图2所示。
为了方便研究, 作如下简化: (1) 由于黄灯时间比较短, 放进来不便研究, 因此, 这里信号灯只设红和绿两种状态; (2) 交叉口在一定时间内的平均到达率和平均驶离率是一个常数; (3) 车辆的排队长度是连续变量; (4) 两个需要协调控制的交叉口均为“十”字路口; (5) 为了简化模型的表述, 假设两交叉口的左转车流较小, 交叉口均采用两相位控制, 即东西直行和左转, 南北直行和左转, 右转不设信号灯控制。
2.2 模型的建立
基于以上假设, 可知, 两交叉口的相位有四种可能的搭配组合, 分别为 (1) (3) 、 (1) (4) 、 (2) (4) 、 (2) (3) , 显然可以将两交叉口看作一个整体, 为四相位交叉口形式, 但此时, 存在四种优化组合相位次序, 分别为 (1) (3) 、 (1) (4) 、 (2) (3) 、 (2) (4) ; (1) (3) 、 (2) (3) 、 (2) (4) 、 (1) (4) ; (1) (4) 、 (1) (3) 、 (2) (3) 、 (2) (4) ; (1) (4) 、 (2) (4) 、 (2) (3) 、 (1) (3) 。这四种优化组合用Xr表示, 其中r=1, 2, 3, 4。
设j为交叉口的编号, 则这里j=1, 2;且设交叉口的平均到达率和驶离率分别为lji和mji。当交通灯为红色时, 车道上车辆的变化只受到达率的影响, 当交通灯为绿灯时, 车道上车辆的变化受到达率和驶离率的影响。设Sji表示车辆在交叉口Lji车道的排队长度。
根据前面假设, 车辆排队长度是一个连续变量, 因此, 在进行双交叉口优化过程中, 应该从排队长度的角度出发, 计算出每个交叉口一个最佳切换时刻, 这一时刻将是各个相位之间实际最佳切换时刻的近似值。
下面写出表示切换时刻和排队长度关系的方程。
在X1的情况下, 对于相位1, 即时间段从0t到1t, 则两交叉口相位组合 (1) (3) 为绿灯, 其他相位均为红灯, 则根据上述假设可得出各个车道上车辆排队长度的变化率为:
根据上述分析, 可得出如下假设:
用A1~A16, 分别表示四种不同相位切换情况下的各个车道的延误情况, 现列出A1~A4。
依次, 可以得出A5~A16的车道延误情况。
显然系统的动态方程可以表示为:
对于两交叉口的四相位交通流的动态模型, 可以分为四种离散状态, 基于这样的模型, 在给定平均到达率和驶离率的情况下, 选取一种性能指标:平均排队长度最短、相位切换时间、相位优化组合。显然, 交叉口的信号灯控制问题转化成求取切换型混杂系统的最佳切换时刻和最佳相位组合问题。
3 季诺混杂系统的优化控制问题
通过分析, 上述两个交叉口信号灯的协调控制问题即为混杂系统的季诺问题, 对于任何一个离散的分系统, 如X1。季诺混杂系统优化的目的是寻求一个最有控制输入到系统中, 使得两个交叉口车辆的平均排队长度最短。因此, 于整个优化过程, 可以分为以下三个步骤进行:
(1) 固定某一个输入系列θ, 使得每个子系统由传统的离散问题转化为容易求解的连续系统最优问题。
(2) 寻找两交叉口的最优相位组合, 使得车辆在通过交叉口时所用时间最短。
(3) 寻找最优的切换序列θ, 使得目标函到达最小, 交叉口车道排队的平均长度最短。
其具体的算法如下:
(1) 固定总的切换次数k和离散子系统的切换序列θ, 并确定目标函数, 对于多种不同的相位组合模式和时间变量t0, t1, Ltn, 采用动态优化和静态优化相结合的方法, 求得最佳相位组合。
(2) 保持总切换次数不变, 改变连续子系统的切换次序, 进而寻得最优解。
(3) 改变切换次数, 求得最优切换时间。
根据上述提供的优化过程和算法的执行过程, 采用1.3所提供的季诺混杂系统的算法, 采用仿真系统, 代入相关数据, 可以得出, 不同车道的到达率和驶离率, 交叉口1和交叉口2到达率的取值集中在0~0.4辆/s之间, 不同车道的驶离率为0.4~1辆/s之间, 所确定的最佳相位组合方式为; (1) (4) 、 (1) (3) 、 (2) (3) 、 (2) (4) , 交叉口的周期为130 s, 在上述最佳相位组合方式下求得最佳切换时间:交叉口1为[30 s, 50 s, 80 s, 100 s]。在一个周期内, 交叉口道路平均的最短排队长度为15辆。
4 结论
本文将城市道路两个单点信号控制交叉口作为一个整体, 且以此为研究对象, 根据多个交叉口信号控制的现状问题, 建立了交叉口平均排队长度最短的目标函数, 用以解决交叉口信号灯的时间切换最优问题、相位组合优化问题以及平均排队长度最短的问题, 运用季诺混杂系统自动化分别对所建立的目标函数进行优化, 对实际交叉口进行多次验算, 均取得了较好的结果, 从而证明本文所建立的函数模型及采用的优化算法具有可操作性和使用价值。同时, 本论文需进一步研究的问题有:第一:所优化的目标函数是两个交叉口道路的平均排队长度, 而并没有分别针对每一条道路的平均排队长度进行分析;第二:文章针对各个交叉口两相位的情况进行了研究, 但对于多相位的情况却没有进行深入研究。
摘要：随着城市路网的不断密集化, 城市交通拥堵的不断加剧, 而城市交叉口的信号控制成为解决城市交通拥堵的有效策略之一。在此背景下, 文章首先分析了交叉口信号灯控制的特点, 得出其具有季诺混杂系统的特点, 然后针对两个交叉口相位优化组合问题和时间切换问题建立了基于交叉口排队长度最短的目标函数, 最后, 文章采用季诺混杂系统的优化策略对所建立的目标函数进行了求解, 结果表明, 采用季诺混杂系统可以对多个交叉口信号进行协调控制。
关键词：多交叉口,季诺混杂系统,相位优化组合,切换时间,排队长度
参考文献
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协调信号 篇5
关键词：统一电能质量调节器,稳定性,交互影响,特征根,灵敏度,协调控制
0 引言
目前, 解决单一电能质量问题的电力电子装置已经在众多文献中得到了广泛的研究, 包括补偿电网侧电压跌落的串联型补偿装置———动态电压恢复器 (DVR) [1,2,3], 补偿负荷侧无功功率的配电网静止无功补偿器 (DSTATCOM) [4,5,6,7]、补偿负荷侧谐波电流的有源电力滤波器 (APF) [8,9,10]等并联型补偿装置等。统一电能质量调节器 (UPQC) 综合了串、并联变流器的优点, 可以同时补偿电压、电流等多种电能质量问题, 但由两变流器之间的耦合作用所引起的交互影响不容忽视[11]。现有文献中主要针对UPQC串、并联变流器同时运行后的工况进行了各种特性的分析[12,13,14,15,16], 并未细致研究UPQC切换运行模式时所带来的小信号干扰问题。
由于UPQC串、并联变流器采用的控制策略与其补偿功能、应用场合密切相关, 为了简化分析, 本文以串联变流器补偿电压暂降、并联变流器补偿无功电流的UPQC为例, 在其采用间接控制策略的基础上, 建立了包括串、并联变流器自身结构及相关控制的小信号模型, 以特征根灵敏度的方法对比分析了两类变流器在独立运行与联合运行等3种运行模式下的稳定性及动态性能, 研究了控制参数、负荷等因素对装置切换运行模式时的小干扰稳定性的影响作用。同时, 本文提出了新型功率流协调控制策略, 以有效地减少UPQC串、并联变流器与电网之间的能量交换, 从而可以在电网电压深度跌落时降低串、并联变流器之间的耦合作用, 提高补偿装置的利用率。
1 UPQC基本结构及数学建模分析
1.1 串并联变流器结构模型
本文研究的UPQC结构为三相三线式, 采用了间接控制策略, 其串、并联变流器的单相基本结构如图1所示。其中, is和iL分别表示电网侧、负荷侧电流;Vs和VL分别表示电网侧、负荷侧电压;Lf1, Rf1, Cf1分别表示串联变流器的滤波电感、等效电感电阻及滤波电容;Lf2和Rf2分别表示并联变流器的连接电抗器及等效电阻;i1和ic分别表示串、并联变流器的电感电流;Cdc表示两变流器共用的直流母线电容。
当Vs正常时, 串联变流器旁路, 并联变流器以注入无功功率的方式提高电网侧的功率因数。当Vs跌落时, 串联变流器输出相应的补偿电压Vc, 从而使敏感负荷端电压VL维持在正常的范围内, 保证了敏感负荷的正常运行, 此时并联变流器负责从电网中吸收有功功率, 维持直流母线电压Vdc恒定。
设直流母线端损耗的等效并联电阻为Rdc, 并以串联型阻感Rz, Lz等效敏感负荷, 则有:
串联变流器的数学模型可表示为:
并联变流器的数学模型可表示为:
式 (2) 和式 (3) 中m1d和m1q, m2d和m2q分别是与串、并联变流器脉宽调制信号有关的变量。Vdc表示UPQC的直流母线电压, 同时也是并联变流器有功回路的控制目标, 而并联变流器无功回路的控制目标可以用功率因数表征值Kf表示。
根据式 (1) 至式 (4) 可得串并联变流器在某一静态工作点的小信号状态方程 (~表示相应量的信号) :
其中, 状态量, 输入量, 输出量分别为:
各系数矩阵的表达式见附录A。
1.2 串并联变流器控制
1.2.1 串联变流器控制
串联变流器双闭环控制示意图如附录B图B1所示。图中:V*Ld和V*Lq, i*1d和i*1q分别表示串联变流器外环、内环参考信号;k1为内环比例控制因子;kp11和ki11, kp12和ki12分别表示串联变流器d, q轴外环比例—积分 (PI) 控制因子。若设其中间变量为Vd和Vq (见图2) , 则有:
则附录B图B1中内、外环控制可表示为:
1.2.2 并联变流器控制
并联变流器双闭环控制示意图如附录B图B2所示。图中:V*dc和Kf*, i*cd和i*cq分别表示并联变流器外环、内环参考信号;k2为内环比例控制因子;kp21和ki21, kp22和ki22分别表示关联变流器d, q轴外环PI控制因子。若设定其中间变量为Id和Iq, 则有:
则图中的内、外环控制可表示为:
1.3 UPQC小信号模型
将中间变量Vd, Vq, Id, Iq作为新增的状态变量, 并根据式 (1) 至式 (12) , 可得同时包含UPQC自身模型、控制模型的小信号状态方程, 即有:
其中, 状态量, 输入量分别为:
各系数矩阵表达式见附录A。
由式 (13) 和式 (14) 可得该四输入四输出系统的传递函数为:
2 UPQC小信号分析
2.1 串并联变流器交互影响分析
UPQC实际上是两种不同运行特性的补偿装置的综合体, 每台装置的参数设计、控制算法均具有其独特性, 但将两台装置组合成UPQC后, 两台装置通过直流母线进行能量交换, 存在着固有的耦合关系, 因此需要对控制参数重新进行整定。为进一步研究两变流器之间交互影响的强弱, 针对以下3种运行模式进行系统特征根的对比分析, 本文所涉及的系统及控制参数见附录C中表C1。当电网侧电压跌落50%时, 系统在两变流器单独运行、联合运行 (UPQC) 等3种运行模式下的特征根结果如附录C中表C2所示。
1) 稳定性分析
由附录C表C2中数据可知, 3种运行模式下的系统特征根实部均为负值, 系统稳定性的变化主要由并联变流器对应的特征根 (λ7, λ8) 变化所引起, 事实上电网侧电压跌落程度越大, 特征根 (λ7, λ8) 的实部向虚轴靠近的趋势也将越明显, 从而导致了系统稳定性的下降。而串联变流器的特征根并无明显变化, 证明其控制部分对整个UPQC切换运行模式时的小扰动稳定性无明显影响。UPQC串、并联变流器之间的交互影响主要取决于两者之间的能量流动关系, 在电压跌落的工况下, 并联变流器不仅要补偿负荷端所需要的无功功率, 还需额外从电网吸收有功功率用以补偿直流母线端由于串联变流器消耗有功功率而导致的电压下降。两变流器之间的能量耦合作用降低了直流母线电压控制的稳定性。
2) 动态响应分析
由附录C表C2可知, 串并联变流器联合运行时的振荡模态主要由串联变流器、并联变流器与电网之间的振荡模态构成。其中特征根 (λ1, λ2) 、 (λ3, λ4) 、 (λ5, λ6) 、 (λ12, λ13) 表征了串联变流器的振荡模态, (λ7, λ8) 表征了并联变流器的振荡模态。而鉴于特征根 (λ9, λ10) 离虚轴过远, 对系统的稳定性及动态性能几乎不会产生影响, 因此后文将不再讨论 (λ9, λ10) 的特征根变化情况。
系统响应主要由相关传递函数的零极点共同决定, 分别作出串联变流器独立运行时的d轴电压控制、并联变流器独立运行时的d轴电流控制 (即直流母线电压控制) 的传递函数所对应的零极点位置对比示意图, 分别见附录B图B3和图B4。
可见, 当串并联变流器独立运行时, 系统传递函数的一部分极点附近存在着零点, 系统可近似为一个低阶系统, 其中串联变流器在d轴引起的高频振荡频率fd1主要由特征根 (λ1, λ2) 、 (λ3, λ4) 决定, 约为:
并联变流器引起的低频振荡频率fd2主要由特征根 (λ5, λ6) 决定, 约为:
串、并联变流器独立运行的仿真结果见图3, 其中图3 (a) 表示系统电压在0.1s跌落, 串联变流器投入运行的d轴响应结果;图3 (b) 表示并联变流器在其输入的0.1s处被施加1.25%小扰动的d轴响应结果。
与串、并联变流器独立运行的模式不同, 当两变流器同时投入运行时, 两者之间通过直流母线进行能量交换。当系统遭受到小扰动时, 每个输出量的动态分量均是与其对各输入的响应分量的叠加, 而响应中各个分量所占的比例也同时表征了响应初始阶段的特性, 并且主要取决于系统特征根的留数, 为研究串、并联变流器之间动态交互影响, 以串联变流器电压补偿的d轴控制回路和并联变流器电流补偿的d轴控制回路 (即直流母线电压控制回路) 为例, 作出两控制回路相关传递函数所对应的留数表和阶跃响应示意图, 分别见附录C中表C3、附录B图B5。
从各特征根对应的留数模值|ci|可知, 由于并联变流器振荡模态的影响, 串联变流器在受到小扰动时会出现额外的低频阻尼振荡。同理, 由于串联变流器对应的振荡模态的影响, 并联变流器在受到小扰动时会出现额外的高频振荡分量。其中, 由特征根 (λ1, λ2) 、 (λ3, λ4) 所表征的高频振荡分量在响应的初始阶段所占比例较大, 起主要作用, 随着时间的推移, 逐渐过渡到特征根 (λ7, λ8) 所对应的低频振荡分量为主。
当电网侧电压Vsd在0.1~0.2s出现50%的电压跌落时, UPQC补偿的仿真结果如图4所示。其中图4 (a) 和 (b) 分别为串、并联变流器在电压跌落过程中的动态响应示意图。
由图4可知, 串并联变流器同时运行时确实都存在高频、低频振荡分量, 与图3中两变流器独立运行的结果相比可知, 正是由于两变流器之间的交互影响, 导致了串、并联变流器联合运行时系统振荡分量的增加, 验证了上文中特征根分析两变流器动态交互影响的正确性。
2.2 参数变化对动态性能和稳定性的影响
2.2.1 电网侧电压跌落百分比Ksag对特征根的影响
其余参数不变, 将Ksag从10%调节至50%的根轨迹如图5所示, 从图中可知, 特征根 (λ5, λ6) 和 (λ12, λ13) 变化较为缓慢, 而特征根 (λ7, λ8) 逐渐靠近虚轴, 因此可认为系统稳定性随着电压跌落的增加而降低。
其余参数不变, 单独调节Ksag的仿真结果如图6所示。
图6中电网电压Vs在0.1s出现电压跌落, 此时UPQC将切换至两变流器同时运行的模式。从图中可知, Ksag越大, 系统响应越慢, 稳定性也越差。设计UPQC参数时必须考虑电压跌落性能指标对电压、电流补偿效果的影响。
2.2.2 控制参数对UPQC特征根的影响
由于直流母线在串、并联变流器之间的能量交换中起到重要的作用, 因此, 本文拟以直流母线电压控制回路为例, 探讨控制参数对系统稳定性的影响。
1) 直流母线电压Vdc比例控制因子kp21对特征根的影响
参数kp21变化时的根轨迹如图7所示。
可以看到, 当kp21从0.5逐渐调节至7时, 特征根 (λ7, λ8) 与特征根 (λ3, λ4) 的根轨迹均与虚轴相交。其中:特征根 (λ7, λ8) 的根轨迹是从虚轴右侧逐渐过渡到左侧, 与实轴相交后又有一分支向虚轴靠近;而特征根 (λ3, λ4) 则一直向虚轴靠近。其余特征根均在虚轴左侧。综合上述分析, 可认为系统是随着参数kp21的增加先从低频振荡的不稳定状态过渡到稳定状态, 然后又逐渐过渡到高频振荡的不稳定状态。
其余参数不变, 单独调节比例因子kp21的时域仿真结果如图8所示。从图中可知, 系统稳定性随着kp21的增加先强后弱, kp21的取值存在稳定极限, 取值过大或者过小将会显著地影响系统的稳定性, 与上文分析结果一致。
2) 直流母线电压Vdc积分控制因子ki21对特征根的影响
参数ki21变化时的根轨迹如图9所示。可知, 随着ki21从600调节至9 000, 特征根 (λ7, λ8) 的根轨迹从向虚轴逐渐靠近过渡到与虚轴相交, 并且逐渐远离实轴, 其所表征的特性是系统低频振荡频率逐渐增加, 而系统稳定性也随之降低, 直至失稳。
其余参数不变, 单独调节ki21的仿真结果如图10所示。从图中可知, 积分参数增大, 系统阻尼减少, 振荡频率增加, 系统稳定性变差。积分参数过大时, 系统将出现不稳定, 与特征根分析结果相一致。
2.2.3 负载对直流母线控制参数整定范围的影响
由上文可知, 在同一负荷工况下, 直流母线控制参数kp21, ki21均有一定的整定范围。同理, 可得不同负荷工况下kp21, ki21的整定范围, 如表1所示。
从表1可知, 其余参数不变, 参数kp21, ki21的整定范围随着负荷的增加而变小, 负荷对kp21, ki21的整定范围有较大的影响。
3 UPQC控制参数灵敏度分析
在设计补偿装置的结构及控制参数时往往需要考虑系统的某些参数变化对特征根的影响。而参数的灵敏度[17,18,19]表征了参数对特征根影响的强弱及变化趋势, 设系统矩阵为A, λi为系统的特征根, 与之对应的左右特征向量元素分别为vi和ui, 则该特征根λi对参数k的灵敏度可表示为:
鉴于本文系统矩阵A较为简单, 通过选择适当的微增量Δk, 可采用近似计算公式:
仍以附录C中表C1各参数所确定的工况为例, 由式 (18) 和式 (19) 可计算得到该工况下串并联变流器的外环PI控制参数对系统特征根的灵敏度, 见附录C中表C4。可知, 在该特定工况下, 并联变流器直流母线电压控制参数kp21对特征根 (λ7, λ8) 的灵敏度影响较大, 因为该参数控制了串并联变流器与电网之间的有功功率交换, 与本文2.2节中采用特征根方法分析的结果相一致。在设计UPQC结构及控制参数时, 需重点分析kp21对系统稳定性及动态性能的影响。
4 UPQC协调控制策略分析
4.1 新型功率流协调控制策略分析
UPQC的串、并联变流器需要与电网侧进行能量交换, 当电网侧电压跌落幅值较大时, 串、并联变流器之间的有功环流较大, 很可能会对补偿效果造成影响[20,21,22]。同时由于传统UPQC的串联变流器长期处于旁路状态, 并联变流器长期处于重载状态, 导致了两者的容量未得到充分合理地利用, 也可能会造成投资成本的增加。为减少串、并联变流器在电压跌落时的有功功率交换, 提高串联变流器的利用效率, 本文提出了新型功率流协调控制策略。该控制策略的核心在于UPQC串联变流器始终以注入极限补偿电压Vcmax的方式减少电网侧的功率因数角, 降低了并联变流器的容量需求, 同时将电网侧电压处于正常时的状态作为其跌落0%的特殊情况进行处理, 从而可以在满足电压与无功功率等补偿需求的前提下, 尽量减少串并联变流器与电网之间的能量交换。
图11为UPQC协调控制的相量示意图, 其中分别表示电网电压、电流相量;分别表示串联变流器输出的极限补偿电压相量、并联变流器输出的电流相量;分别表示负荷侧的电压、电流相量;φ和δ分别表示负荷侧、电网侧的功率因数角;θ表示的相角差;β和γ分别表示的相角差。
图中以O点为起点, 圆弧ABC表示从未跌落过渡到最大跌落的相量终点集合。其中A和C点分别表示未跌落、出现最大跌落时的终点位置, B点表示正好与串联变流器输出的电压正交时的终点位置, 若以Vcmax表示串联变流器的电压补偿极限, 则此时幅值可表示为:
为便于分析, 本文将针对以下两种工况研究UPQC的协调控制策略, 其相量图分别与图11 (a) 和 (b) 对应。
1) 工况1, 若幅值满足:
此时定义轻度跌落, 其相量的终点位于圆弧AB段;该工况下UPQC串联变流器从电网吸收能量, 并联变流器向电网回馈能量, 两变流器同时向负荷侧注入无功功率。
从图11 (a) 可知, 工况1下串联变流器注入幅值、相角分别为:
的相角差θ为:
而对于并联变流器而言, 只需将补偿至与同相, 即可在满足电网侧功率因数补偿需求的前提下, 达到串并联变流器之间有功环流最小的控制目标。由于此时负荷所需有功功率全部来源于电网, 根据能量守恒, 可计算电网电流幅值为:
此时, 并联变流器输出电流幅值、相位分别为:
2) 工况2, 若幅值满足:
此时定义深度跌落, 其相量的终点位于圆弧BC段;该工况下UPQC并联变流器从电网吸收能量, 串联变流器向电网回馈能量, 两变流器同时向负荷侧注入无功功率。
从图11 (b) 可知, 工况2下串联变流器注入电压幅值Vc、相角β表达式同式 (22) ;的相角差θ的表达式同式 (23) 。同时, 对于并联变流器而言, 经过其补偿后的电网侧功率因数角δ需满足:
考虑到裕量, 则δ范围可设为:
然而, 该工况下串并联变流器与电网之间的有功环流将随着δ的减少而增加, 综合考虑功率因数及有功环流两种因素, 并联变流器可根据θ决定其补偿后的电网功率因数角δ。若θ满足:
则补偿后的电网电流只需与OB同相即可, 此时δ表达式为:
若θ满足:
则并联变流器需控制电网侧功率因数角δ恒定为:
根据能量守恒, 可得补偿后的电网电流幅值为:
进而可得并联变流器输出电流的幅值、相位分别为:
综上所述, 本文提出的协调控制策略中, 当电网电压在由式 (21) 所决定的工况1下, 串并联变流器补偿矢量需分别满足式 (22) 和式 (25) ;当电网电压在由式 (26) 所决定的工况2下, 串并联变流器补偿矢量需分别满足式 (22) 和式 (34) , 则补偿后的负荷电压幅值将满足额定电压幅值, 补偿后电网侧功率因数值将高于0.9, 满足补偿的约束条件。
4.2 仿真验证
为验证本文提出的新型功率流协调控制策略的有效性, 仍以附录C中的参数为例, 并设串联变流器的最大输出电压为0.6VL, 电网侧电压最大跌落百分比为50%, 由式 (21) 和式 (26) 可知两种工况所对应的电压跌落区间, 如表2所示。
以Vs跌落0% (未跌落) 为例, 对UPQC在工况1下采用的协调控制策略进行仿真验证, a相仿真结果如图12所示, 从图中可知, 电网端a相电压Vsa未跌落时, 并联变流器通过输出相应的补偿电流ica, 使得电网侧功率因数为1;而串联变流器通过输出一个相位超前于Vsa的极限补偿电压Vca, 使得串并联变流器与电网之间的有功交换最小。仿真结果验证了该协调控制策略在工况1下的有效性。
同理, 以Vs跌落50% (最大跌落) 为例, 对UPQC在工况2下采用的协调控制策略进行仿真验证, a相仿真结果如图13所示。
从图中可知, Vsa重度跌落时, 串联变流器通过输出一个相位超前于Vsa的极限补偿电压Vca, 减少了电网侧的功率因数角, 而并联变流器通过注入相应的补偿电流ica调节电网侧的功率因数, 并将相应的功率因数角维持在20°恒定。该协调控制策略使得两变流器在电网侧功率因数满足需求的前提下, 与电网之间的有功交换达到最小。仿真结果验证了该协调控制策略在工况2下的有效性。
5 结论
1) 与串、并联变流器独立运行相比, 由于两单元自身振荡模态不同, 导致UPQC在切换运行模式时, 其串联变流器的补偿结果中出现了额外的低频振荡分量, 并联变流器的补偿结果中出现了额外的高频振荡分量。
2) 由于UPQC串并联变流器通过直流母线交换能量, 无超级电容等快速储能的支撑, 导致了串、并联变流器联合运行时的稳定性比串、并联变流器独立运行模式下的稳定性低。
3) UPQC直流母线电压的控制参数对UPQC切换运行模式时的小干扰稳定性有较大的影响, 而控制参数的稳定极限及整定范围受到负荷等因素的影响。
4) UPQC新型功率流协调控制策略可在电网侧电压轻度跌落、深度跌落两种工况下有效地减少串并联变流器与电网之间的有功功率交换, 提高了串联补偿装置的利用率。
需要强调的是, 本文重点论述了小信号分析在UPQC领域的应用, 当UPQC的补偿功能与控制策略发生变化时, 仍可采用文中UPQC切换运行模式时的小信号建模及分析思路, 只是结论可能与本文略有不同。