CN105119307B - 一种基于自抗扰控制的高铁牵引网低频振荡抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自抗扰控制的高铁牵引网低频振荡抑制方法，针对动车组变流器这种强耦合非线性系统，引入非线性自抗扰控制器，包括跟踪微分器(tracking differentiator,TD)、扩张状态观测器(extended State observer,ESO)和非线性反馈控制律(nonlinear states error feedback control laws,NLSEF)三部分，基于自抗扰控制器的瞬态直接电流控制策略的实现。该方法容易实现，根据整流器状态空间模型，通过编写自抗扰控制模块的功能函数；跟踪微分器：给定直流环节电压值u_dcr，当输入信号发生变化时，为使其输出能够在有限的时间内无超调的跟踪输入信号，安排过渡过程；扩张状态观测器：使中间直流电压输出u_dc和输入控制量u来实时跟踪估计变流器的状态和扰动；对扰动给予动态补偿，求取误差反馈控制量u₀。如此可以实现控制器较强的鲁棒性和良好的控制品质，提高控制系统稳定性，以较低的成本解决动车组‑牵引网电气量低频振荡的问题。

Description

一种基于自抗扰控制的高铁牵引网低频振荡抑制方法

技术领域

本发明涉及电子电力装置控制,尤其是动车组网侧整流器低频振荡抑制控制方法。

背景技术

随着高速铁路的迅速发展，新型“交-直-交”电力机车因其功率因数高、功率大、牵引力大等优势在电气化铁路系统中取得了广泛应用。传统的“交-直-交”机车的控制方法主要分为两类，间接电流控制和直接电流控制。间接电流控制以“相幅控制”为代表，直接电流控制包括滞环电流控制、预测电流控制和瞬态电流控制等。瞬态直接电流控制是目前电力机车和高速动车组中采用较多的控制策略，但现存的控制器都是以线性PI控制器为基础。现有技术的处理手段可由图5来概括。

由于高铁高密度的运行，在同时启动的动车组台数大于等于6台时，会发生高铁牵引网低频振荡现象，导致动车组会发生牵引封锁，无法正常启动，给给铁路的正常运营带来极大不便，传统的线性控制器已达不到理想的控制效果。

为了改善机车线侧脉冲整流器的控制性能，Erik等在文献[ErikBo Bernhardsson.Out of control because of harmonics an analysis ofthe harmonic response of an inverter locomotive[J].IEEE Control SystemsMagazine,2000:70-81.]利用级联谐波传递函数分析控制系统稳定性，得出车网系统稳定性由整流器控制决定，但并没有给出合理可行的解决方法。文献[H.C,O.M,S.V,etal.Improvement of low-frequency railway power system stability using anadvanced multivariable control concept[C].Industrial Electronics,2009.IECON'09.35th Annual Conference of IEEE.IEEE,2009:560-565.]通过调整PI控制参数，增强机车整流器稳定性，但四象限变流器是一个典型的非线性、多变量强耦合系统，对外界扰动和系统自身参数变化较为敏感，是个动态过程，PI控制器参数不能自身进行调整，且不容易整定。何立群等在文献[He Liqun,JianXiong,HuiOuyang,et al.High-performanceindirect current control scheme for railway traction four-quadrant converters[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2014, 61(12):6645-6654.]中提出了一个用于机车四象限变流器的高性能间接电流控制方法，但该方法比较适合于低频应用。宋可荐等在文献[Song Kejian,Wu Mingli,Wang Hui.Ahigh performance controlstrategy for three-level NPC EMU converters[C].7th International PowerElectronics Conference.Hiroshima,Japan:IEEE,2014,640-646.]提出了一个用于三电平中点钳位变流器，综合外环多陷波滤波器和内环调谐准PR控制器的机车变流器控制方法，可以抑制固定阶次的谐波，但抑制频段是离散的，作用局限。综合分析上述方法：

1)研究中电力机车和动车组均采用传统的PI控制方法，控制参数不容易整定，且PI控制对系统扰动比较敏感；

2)四象限变流器是一个典型的非线性、多变量强耦合系统，对外界扰动和系统自身参数变化较为敏感，采用传统的线性控制方法已达不到理想的控制效果。

因此，有必要将非线性控制方法引入到四象限变流器的控制中。自抗扰控制不依赖于对象数学模型的绝对精确，把系统的内、外扰动归算为总扰动，并给予动态补偿，

发明内容

本发明要解决的工程技术问题提出基于自抗扰控制的高铁牵引网低频振荡抑制方法具有对扰动进行估计动态补偿的能力，当被控对象自身参数发生变化或遇到不确定性扰动时仍能具有较好的控制品质，具有较强的鲁棒性和对控制参数的不敏感性，为解决动车组-牵引网电气量低频振荡的问题提供新思路。

本发明的技术解决方案是：

一种基于自抗扰控制的高铁牵引网低频振荡抑制方法，在CRH3型车变流器多车同时启动时抑制多车空载整备下牵引网网压低频振荡，由跟踪微分器TD、扩张状态观测器ESO和非线性误差反馈控制律NLSEF构成的非线性自抗扰控制器获得最终控制量u，将u其输入到 PWM整流器得到控制输出，包括以下主要步骤

a)给定直流环节电压u_dc的参考值u_dcr；测得被控输出量的直流环节电压u_dc；

b)输入被控制量直流环节电压的给定参考值u_dcr到TD，输出直流环节给定电压参考值的跟踪值u_dc1；

c)将u_dc和最终控制量u的初始设定值u’乘以动态补偿因子b分别输入到扩张状态观测器 ESO，输出u_dc的跟踪信号z₁和扰动的估计值z₂；

d)用u_dc1和u_dc的跟踪信号z₁作差，得到e₀，并将其输入到NLSFE，该环节将输入量进行非线性组合，为误差反馈环节，输出u₀；

e)扰动的估计值z₂除以动态补偿因子b，再作为减数与u₀作差，得到最终控制量u，将u 其输入到PWM整流器得到控制输出u_dc。

这样，本发明针对CRH3型车变流器实际情况采用一阶非线性自抗扰控制器，包括跟踪微分器(tracking differentiator,TD)、扩张状态观测器(extended Stateobserver,ESO)和非线性反馈控制律(nonlinear states error feedback control laws,NLSEF)三部分，设计的步骤如下：

a)给定直流环节电压u_dc的参考值u_dcr；

b)TD安排过渡过程，当输入信号发生变化时，使其输出能够在有限的时间内无超调的跟踪输入信号。输入被控制量直流环节电压的给定参考值u_dcr到TD，输出直流环节给定电压参考值的跟踪值u_dc1；

c)ESO可以对系统的总扰动进行观测并予以补偿。测得被控输出量u_dc，将u_dc和最终控制量u的初始设定值u’乘以动态补偿因子b分别输入到扩张状态观测器ESO，输出u_dc的跟踪信号z₁和扰动的估计值z₂；

d)用u_dc1和u_dc的跟踪信号z₁作差，得到e₀，并将其输入到NLSFE，该环节将输入量进行非线性组合，为误差反馈环节，输出u₀；

e)和扰动估计值z₂除以动态补偿因子b，再作为减数与u₀作差，得到最终控制量u，将u 其输入到PWM整流器得到控制输出u_dc。

上式中，U_d和I_d为直流侧电压和直流侧电流，测量可较为方便，为实现简单、快速控制，本发明直流电压外环控制器中，采用最优控制函数fal实现对被控对象的跟踪控制。可得：

结合图1具体控制算法如下：

式中：k为电压外环ADRC控制器的比例系数；G′为电流内环比例控制器的比例系数。ADRC 控制器因对扰动具有动态估计并补偿的能力，故对扰动和参数的变化不敏感。

利用上述分析设计一阶ADRC控制器，结合机车整流器本身和控制工程实践整定一阶 ADRC控制器参数为TD：r＝0.5,h₀＝0.1；ESO:a＝0.5，d＝0.1，β₁＝18，β₂＝45，b＝1，h＝0.1； NLSEF:a＝0.25，d＝0.1，k＝0.6，b＝1。

本发明针对机车整流具有非线性、强耦合的特点，在多车同时启动时，常规的线性PI控制器，已不能满足控制要求，ADRC控制器能够克服PI控制器的快速性和超调之间的矛盾，能够实现扰动的及时估计和非线性动态补偿，保证其具有更好的控制品质；基于ADRC控制器的瞬态直接电流控制策略能够较好的抑制多车空载整备下牵引网网压低频振荡问题。控制采用一阶自抗扰控制器控制结构简单，实施方便，无需增加额外的电压电流检测装置，通过算法中控制的函数模块，把整流器的内扰和外扰归结为总的扰动进行估计并给予动态补偿，增强了控制器的鲁棒性和对控制参数扰动的不敏感性。

与现有技术相比，本发明的有益效果可概括为：

1、本发明在控制过程中针对了整流器这种强耦合、非线性系统，引入了非线性自抗扰控制器，提高了整流器的控制稳定性，能够有效抑制牵引网-动车组电气量低频振荡问题。

2、本发明实施方便，无需增加额外的电压电流检测装置，通过算法中控制的函数模块，把整流器的内扰和外扰归结为总的扰动进行估计并给予动态补偿，增强了控制器的鲁棒性和对控制参数扰动的不敏感性。

附图说明

图1为基于自抗扰控制器的四象限变流器控制框图

图2在Matlab/Simulink中搭建CRH3型动车组基于自抗扰控制器的瞬态直接电流控制仿真模型

图3a单台机车启动时动车组侧电压

图3b单台机车启动时动车组侧电流

图3c单台机车启动时动车组直流环节电压

图4a 6台机车启动时牵引网侧电压

图4b 6台机车启动时牵引网侧电流

图4c 6台机车启动时动车组侧电压

图4d 6台机车启动时动车组侧电流

图4e 6台机车启动时动车组直流环节电压

图5为现有技术高铁牵引网低频振荡变流器抑制控制框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例以CRH3型动车组为例。

图1为基于自抗扰控制器的瞬态直接电流控制框图。

本发明的一种具体实施方式具体步骤如下：

A非线性自抗扰控制器设计

本发明针对CRH3型车变流器实际情况采用一阶非线性自抗扰控制器，包括跟踪微分器(tracking differentiator,TD)、扩张状态观测器(extended State observer,ESO)和非线性反馈控制律 (nonlinear states error feedback control laws,NLSEF)三部分，设计的步骤如下：

a)给定直流环节电压u_dc的参考值u_dcr；

b)TD安排过渡过程，当输入信号发生变化时，使其输出能够在有限的时间内无超调的跟踪输入信号。输入被控制量直流环节电压的给定参考值u_dcr到TD，输出直流环节给定电压参考值的跟踪值u_dc1；

c)ESO可以对系统的总扰动进行观测并予以补偿。测得被控输出量u_dc，将u_dc和最终控制量u乘以动态补偿因子b分别输入到扩张状态观测器ESO，输出u_dc的跟踪信号z₁和扰动估计值z₂；

d)用u_dc1和u_dc的跟踪信号z₁作差，得到e₀，并将其输入到NLSFE，该环节将输入量进行非线性组合，为误差反馈环节，输出u₀；

e)扰动估计值z₂除以动态补偿因子b，再作为减数与u₀作差，得到最终控制量u，将u其输入到PWM整流器得到控制输出u_dc。

在所述步骤a)中，TD通过matlabS函数来实现，具体算法如下：

式中u_dc1为安排的过渡过程，跟踪直流环节电压给定值u_dcr；u_dc2为u_dc1的广义导数；过渡过程快慢由可调参数r决定，增益参数r的取值与跟踪速成正比；h₀为采样步长，fhan为最优控制综合函数，h为积分步长。

在所述步骤c)中，ESO亦通过在matlab编写S函数来实现，具体算法如下：

式中e为系统误差，z₁为中间直流电压u_dc的状态估计值，z₂为总扰动f(t)的估计值，β₁、β₂为输出误差调整系数的可调参数，b为动态补偿因子，a为滤波因子；d为非线性因子，sgn(e) 为符号函数，fal为最优控制函数。

在所述步骤d)中，NLSEF也是通过在matlab编写S函数来实现，具体算法如下：

式中k为比例系数，可影响系统电压踪参考值的逼近程度，z₂/b扰动补偿，u为最终控制量，b为动态补偿因子。

B、基于自抗扰控制器的瞬态直接电流控制策略的实现

结合图1，本发明提出的基于自抗扰控制器的瞬态直接电流控制策略为电压电流双环控制结构，其中电压外环ADRC控制器(一阶非线性自抗扰控制器)可使中间直流电压u_dc快速跟踪给定值u_dcr，对负载变化起抗扰作用；电流内环采用P控制器，使实际的网侧电流i_s较好跟踪给定的网侧电流其输出为调制信号的指令值结合脉冲整流器已有的分析，利用前边设计的自抗扰控制器，假设脉冲整流器工作在理想状态下，不计其损耗及储能，结合功率平衡原理，考虑直流侧支撑电容Cd，则有：

上式中，U_d和I_d测量可较为方便，为实现简单、快速控制，本发明直流电压外环控制器中，采用最优控制函数fal实现对被控对象的跟踪控制。可得：

结合图1具体控制算法如下：

式中：k为电压外环ADRC控制器的比例系数；G′为电流内环比例控制器的比例系数。ADRC 控制器因对扰动具有动态估计并补偿的能力，故对扰动和参数的变化不敏感。

利用上述分析设计一阶ADRC控制器，结合机车整流器本身和控制工程实践整定一阶 ADRC控制器参数为TD：r＝0.5,h₀＝0.1；ESO:a＝0.5，d＝0.1，β₁＝18，β₂＝45，b＝1，h＝0.1； NLSEF:a＝0.25，d＝0.1，k＝0.6，b＝1。

最后在Matlab/Simulink中搭建仿真模型如图2所示，所得电压、电流,直流电压波形如图 3a，3b，3c所示，直流侧电压几乎没有超调，调节时间为0.07s，电压波动为±44V，相比常用的瞬态直接电流控制而言性能指标得到较好改善，且交流电流从启动到稳定仅需要一个周波,且THD明显减小。

将该控制算法应用于牵引网-动车组级联仿真模型中，依次增加接入牵引网的动车组数量，在传统瞬态直接电流控制下，接入动车组达到6台时动车组和牵引网电压、电流发生明显的波动，及产生车网低频振荡现象。在基于多变量控制的高铁低频振荡过电压阻尼方法控制下，接入动车组达到甚至超过6台时，电气量基本稳定，牵引网侧电压、电流如图4a，4b，动车组侧网压、网流、直流电压如图4c，4d，4e所示，未发生低频振荡问题。

Claims (4)

1.一种基于自抗扰控制的高铁牵引网低频振荡抑制方法，在CRH3型车变流器多车同时启动时抑制多车空载整备下牵引网网压低频振荡，由跟踪微分器TD、扩张状态观测器ESO和非线性误差反馈控制律NLSEF构成的非线性自抗扰控制器获得最终控制量u，将u输入到PWM整流器得到控制输出，包括以下步骤：

a)给定直流环节电压u_dc的参考值u_dcr；测得被控输出量的直流环节电压u_dc；

b)输入被控制量的直流环节电压的给定参考值u_dcr到TD，输出直流环节给定电压参考值的跟踪值u_dc1；

c)将u_dc和最终控制量u的初始设定值u’乘以动态补偿因子b分别输入到扩张状态观测器ESO，输出u_dc的跟踪信号z₁和扰动的估计值z₂；

d)用u_dc1和u_dc的跟踪信号z₁作差，得到e₀，并将其输入到NLSFE，该环节将输入量进行非线性组合，为误差反馈环节，输出u₀；

e)扰动的估计值z₂除以动态补偿因子b，再作为减数与u₀作差，得到最终控制量u，将u输入到PWM整流器得到控制输出u_dc；

其实现过程如下：电压外环采用一阶自抗扰控制器，让直流环节电压u_dc快速、稳定的跟踪参考值u_dcr；电流内环为了保证动态特性选取P控制器，使实际网侧电流i_s较好跟踪给定网侧电流i^* _s，其最终输出是调制信号的指令值u*_ab；

结合脉冲整流器状态空间模型，考虑脉冲整流器的理想状态，忽略损耗及储能，根据能量守恒，考虑支撑电容C_d，则有：

式中，U_d和I_d为直流侧电压和直流侧电流，直流电压外环控制器中采用最优控制函数f_al实现对被控对象的跟踪控制；

得：

具体控制算法如下：

式中：k为比例系数；a为滤波因子；d为非线性因子。

2.根据权利要求1所述的基于自抗扰控制的高铁牵引网低频振荡抑制方法，其特征在于，在所述步骤a)中，TD通过matlabS函数来实现，具体算法如下：

式中u_dc1为安排的过渡过程，跟踪直流环节电压参考值u_dcr；u_dc2为u_dc1的广义导数；过渡过程快慢由可调参数r决定，r的取值与跟踪速成正比；h₀为采样步长，fhan为最优控制综合函数，h为积分步长。

3.根据权利要求1所述的基于自抗扰控制的高铁牵引网低频振荡抑制方法，其特征在于，ESO亦通过在matlab编写S函数来实现，具体算法如下：

式中e为系统误差，z₁为直流环节电压u_dc的跟踪信号，z₂为总扰动f(t)的估计值，β₁、β₂为输出误差调整系数的可调参数，b为动态补偿因子，a为滤波因子；d为非线性因子，sgn(e)为符号函数，fal为最优控制函数，h为积分步长。

4.根据权利要求1所述的基于自抗扰控制的高铁牵引网低频振荡抑制方法，其特征在于，

NLSEF也是通过在matlab编写S函数来实现，具体算法如下：

式中e₀为系统误差，z₁为直流环节电压u_dc的跟踪信号，k为比例系数，为可调参数，a为滤波因子；d为非线性因子，z₂/b扰动补偿，z₂为总扰动f(t)的估计值，b为动态补偿因子。