CN105552936A - 高速铁路牵引网的低频振荡抑制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速铁路牵引网的低频振荡抑制方法和系统，高速铁路牵引网的低频振荡抑制方法，包括：将高速铁路牵引网的电流内环等效为一阶惯性环路，从所述一阶惯性环路中获取电流内环等效时间常数；将电压采样小惯性时间常数与所述电流内环等效时间常数合并，生成控制时间常数；根据所述控制时间常数、高速铁路牵引网的直流侧支撑电容建立反馈控制器；获取高速铁路牵引网的直流侧输出电压给定值和直流侧电压输出值之差，得到电压差，将所述电压差输入所述反馈控制器；获取所述反馈控制器的输出参数，进而获得动车组网侧整流器调制信号的指令值，实现高速铁路牵引网的低频振荡抑制；其可以实现低频振荡的抑制。

Description

高速铁路牵引网的低频振荡抑制方法和系统

技术领域

本发明涉及告诉铁路控制技术领域，特别是涉及一种高速铁路牵引网的低频振荡抑制方法和系统。

背景技术

目前在国内，新型交直交电力机车与动车组以其功率因数高、牵引力大、可靠性高等优势被广泛应用。但动车组的大量使用也给我国电气化铁路带来了新的问题：牵引网低频振荡。单相脉冲整流器具有功率因数高、可控性好、能量可双向流动等优点，被广泛应用于动车组整流器(line-sideconverter，LSC)，其普遍采用脉宽调制技术，控制策略和控制参数对外部电源条件比较敏感。由于牵引网与动车组在电气上紧密耦合，一旦动车组LSC的控制参数和牵引网参数不匹配，就容易引发高铁牵引网低频振荡问题。

瞬态直接电流控制策略(TransientCurrentControlStrategy，TCCS)具有拓扑简单、动态响应好、能有效抑制网侧谐波、直流侧电压稳定快等优点，广泛应用于动车组LSC中。但目前普遍利用基于传统PI(比例积分)控制器的TCCS，由于动车组LSC是典型的非线性系统，对外部干扰和负载参数变化比较敏感，采用传统PI控制很难得到良好的跟踪性能和鲁棒特性。

当多台动车组同时启动时，动车组LSC采用基于传统PI控制器的TCCS容易引发牵引网低频振荡，影响高速铁路牵引网的安全性。

发明内容

基于此，有必要针对传统方案影响高速铁路牵引网安全性的技术问题，提供一种高速铁路牵引网的低频振荡抑制方法和系统。

一种高速铁路牵引网的低频振荡抑制方法，包括如下步骤：

将高速铁路牵引网的电流内环等效为一阶惯性环路，从所述一阶惯性环路中获取电流内环等效时间常数；

将电压采样小惯性时间常数与所述电流内环等效时间常数合并，生成控制时间常数；

根据所述控制时间常数、高速铁路牵引网的直流侧支撑电容建立反馈控制器；

获取高速铁路牵引网的直流侧输出电压给定值和直流侧电压输出值之差，得到电压差，将所述电压差输入所述反馈控制器；

获取所述反馈控制器的输出参数，进而获得动车组网侧整流器调制信号的指令值，实现高速铁路牵引网的低频振荡抑制。

一种高速铁路牵引网的低频振荡抑制系统，包括：

获取模块，用于将高速铁路牵引网的电流内环等效为一阶惯性环路，从所述一阶惯性环路中获取电流内环等效时间常数；

生成模块，用于将电压采样小惯性时间常数与所述电流内环等效时间常数合并，生成控制时间常数；

建立模块，用于根据所述控制时间常数、高速铁路牵引网的直流侧支撑电容建立反馈控制器；

输入模块，用于获取高速铁路牵引网的直流侧输出电压给定值和直流侧电压输出值之差，得到电压差，将所述电压差输入所述反馈控制器；

调制模块，用于获取所述反馈控制器的输出参数，进而获得动车组网侧整流器调制信号的指令值，实现高速铁路牵引网的低频振荡抑制。

上述高速铁路牵引网的低频振荡抑制方法和系统，将一阶惯性环路的电压采样小惯性时间常数与电流内环等效时间常数合并为控制时间常数后，建立反馈控制器，将高速铁路牵引网的直流侧输出电压给定值和直流侧电压输出值之间的电压差输入上述反馈控制器，利用上述反馈控制器的输出参数实现高速铁路牵引网低频振荡的抑制，可以保证高速铁路牵引网的安全性，具有良好动态跟踪性能和较好的鲁棒性。

附图说明

图1为一个实施例的高速铁路牵引网的低频振荡抑制方法流程图；

图2为一个实施例的内模控制器的结构示意图；

图3为一个实施例的高速铁路牵引网的等效反馈控制结构图；

图4为一个实施例的高速铁路牵引网的低频振荡抑制方法的控制框图；

图5为一个实施例的高速铁路牵引网结构示意图；

图6为一个实施例的系统侧电压、电流波形和动车组侧电压、电流波形及其局部放大波形示意图；

图7为一个实施例的系统侧电压、电流波形和动车组侧电压、电流波形及其局部放大波形示意图；

图8为一个实施例的高速铁路牵引网的低频振荡抑制系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的高速铁路牵引网的低频振荡抑制方法和系统的具体实施方式作详细描述。

参考图1，图1所示为一个实施例的高速铁路牵引网的低频振荡抑制方法流程图，包括如下步骤：

S10，将高速铁路牵引网的电流内环等效为一阶惯性环路，从所述一阶惯性环路中获取电流内环等效时间常数；

上述步骤中，可以对高速铁路牵引网中的各个电流环路进行相应的等效，以便从等效处理后的电路中获取所需参数。

S20，将电压采样小惯性时间常数与所述电流内环等效时间常数合并，生成控制时间常数；

在一个实施例中，上述步骤S20，将电压采样小惯性时间常数与所述电流内环等效时间常数合并，生成控制时间常数的步骤可以包括：

将所述电压采样小惯性时间常数与电流内环等效时间常数代入预设的合并公式，通过计算所述合并公式的结果得到控制时间常数；

所述合并公式为：T_ev＝T_v+k*T_i；T_ev表示控制时间常数，T_v表示电压采样小惯性时间常数，T_i表示电流内环等效时间常数，k表示控制参数，符号*表示相乘。

本实施例中，上述控制参数k可以根据相应电流内环的相关特征进行确定，一般情况下，可以设置为2、3或者4等值。根据电压采样小惯性时间常数与电流内环等效时间常数所合并的控制时间常数，可以简化后续反馈控制器的建立过程。

作为一个实施例，上述控制参数k的取值可以为3。

S30，根据所述控制时间常数、高速铁路牵引网的直流侧支撑电容建立反馈控制器；

上述步骤中，可以先根据控制时间常数、高速铁路牵引网的直流侧支撑电容等参数建立内部模型或者内膜控制器等中间结构，再利用上述中间结构进行反馈控制器的建立，以确保所建立的反馈控制器的准确性。

在一个实施例中，上述步骤S30，根据所述控制时间常数、高速铁路牵引网的直流侧支撑电容建立反馈控制器的步骤可以包括：

所述根据所述控制时间常数、高速铁路牵引网的直流侧支撑电容建立高速铁路牵引网中电压外环的内部模型；其中，所述内部模型为G_m(s)为电压外环的内部模型，C_d为高速铁路牵引网的直流侧支撑电容，T_ev为控制时间常数；

向电压外环的内部模型加入低通滤波器，得到内模控制器；所述内模控制器为其中，C_imc(s)为内模控制器，G_m(s)为电压外环的内部模型，L(s)为低通滤波器；

利用所述内模控制器建立反馈控制器，所述反馈控制器为：其中，F(s)为反馈控制器，C_imc(s)为内模控制器。

作为一个实施例，上述内模控制器的结构示意图可以如图2所示，图2中，U_dc为直流侧电压输出值，为直流侧输出电压给定值，T_v表示电压采样小惯性时间常数，G_m(s)为电压外环的内部模型，C_d为高速铁路牵引网的直流侧支撑电容，G_i(s)为电流内环等效传递函数、G_p(s)为电压外环、S′_ab为一个开关周期内开关函数S_a和S_b之差的平均值。

作为一个实施例，所述低通滤波器可以为其中，所述ε为时间常数。

作为一个实施例，上述内部模型为G_m(s)为电压外环的内部模型，C_d为高速铁路牵引网的直流侧支撑电容，T_ev为控制时间常数；

所述内模控制器为其中，C_imc(s)为内模控制器，G_m(s)为电压外环的内部模型，L(s)为低通滤波器；

所述反馈控制器为：其中，F(s)为反馈控制器，C_imc(s)为内模控制器。

本实施例中，根据内模控制器、电压外环的内部模型、低通滤波器分别对应的公式。上述反馈控制器可以进一步写为将高速铁路牵引网的相关参数输入上述反馈控制器，便可以读取反馈控制器的输出量进行高速铁路牵引网相应参数的调制，以实现相应低频振荡抑制。

本实施例可以利用电压外环的内部模型控制结构简单的特点，不依赖于被控对象的准确数学模型，其具有跟踪性能好、响应速度快及抗干扰性强等优点，具有良好动态跟踪性能和较好的鲁棒性。与基于传统PI控制器的瞬态直接电流控制策略相比，上述高速铁路牵引网的低频振荡抑制方法在系统参数变化和负载干扰时能保持更好地控制效果。

S40，获取高速铁路牵引网的直流侧输出电压给定值和直流侧电压输出值之差，得到电压差，将所述电压差输入所述反馈控制器；

S50，获取所述反馈控制器的输出参数，进而获得动车组网侧整流器调制信号的指令值，实现高速铁路牵引网的低频振荡抑制。

上述步骤中，可以向反馈控制器输入高速铁路牵引网的直流侧输出电压给定值和直流侧电压输出值之差，以得到调制后的相关电压值，以实现高速铁路牵引网的低频振荡抑制。

在一个实施例中，上述步骤S50，获取所述反馈控制器的输出参数，根据所述输出参数调制高速铁路牵引网的供电电压的过程可以包括：

获取所述反馈控制器的输出参数，根据所述输出参数确定高速铁路牵引网的网侧电流第一分量值；

获取高速铁路牵引网的车载变压器二次侧电压幅值、直流侧电压输出值和负载电流；

根据所述车载变压器二次侧电压幅值、直流侧电压输出值和负载电流确定高速铁路牵引网的网侧电流第二分量值；

对所述网侧电流第一分量值和网侧电流第二分量值进行求和得到网侧电流给定值；

将所述网侧电流给定值代入调制公式调制高速铁路牵引网的供电电压。

作为一个实施例，上述调制公式为： $u_{ab}^{*}=u_s-{\mathrm{\ωL}}_t{I}_{ac}^{*}cos\mathrm{\ω}t-K_{ip}(I_{ac}^{*}sin\mathrm{\ω}t-I_{ac}),$ 其中，为调制后的供电电压，u_s车载变压器二次侧电压，ω为牵引网电压的角频率，L_t为动车组车载变压器电感，K_ip为电流内环P控制器的比例系数，为网侧电流给定值，I_ac为网侧电流输出值。其中，上述调制公式中的变量t与反馈控制器中的变量s可以通过拉布拉斯变换相互转换。

作为一个实施例，上述根据所述车载变压器二次侧电压幅值U_sm、直流侧电压输出值和负载电流确定高速铁路牵引网的网侧电流第二分量值的过程可以包括：

将所述U_sm、直流侧电压输出值和负载电流代入第二分量公式，计算所述第二分量公式确定高速铁路牵引网的网侧电流第二分量值；所述第二分量公式为：I_ac2为网侧电流第二分量值，U_dc为直流侧电压输出值，U_sm为车载变压器二次侧电压幅值，I_d为负载电流。

在一个实施例中，上述高速铁路牵引网的等效反馈控制结构图可以如图3所示，图3中，U_dc为直流侧电压输出值，为直流侧输出电压给定值，T_ev表示控制时间常数，C_d为高速铁路牵引网的直流侧支撑电容，i_L表示牵引逆变器及牵引电机直流侧等效电流值。

本发明提供的高速铁路牵引网的低频振荡抑制方法，将一阶惯性环路的电压采样小惯性时间常数与电流内环等效时间常数合并为控制时间常数后，建立反馈控制器，将高速铁路牵引网的直流侧输出电压给定值和直流侧电压输出值之间的电压差输入上述反馈控制器，利用上述反馈控制器的输出参数调制高速铁路牵引网的供电电压，以实现低频振荡的抑制，可以保证高速铁路牵引网的安全性，具有良好动态跟踪性能和较好的鲁棒性。

在一个实施例中，上述高速铁路牵引网的低频振荡抑制方法的控制框图可以如图4所示，图4中，PLL为锁相环，L为动车组车载变压器电感，电压外环利用内模控制器调节直流侧输出电压的给定值U_dc ^*与实际值U_dc的误差信号，以保证直流电压的稳定，并将电压外环的输出作为网侧电流给定值I_ac1。为减轻电压外环内模控制器的负担，使该控制系统能快速响应负载电流变化，用直流侧输出电压、电流及网侧电压的幅值来计算给定电流的有效分量I_ac2，并将I_ac2和I_ac1相加，共同作为网侧电流的给定值I*_ac。为了使实际的网侧电流I_ac跟踪给定的网侧电流I*_ac，电流内环采用P控制器，其输出作为调制信号的指令值u*_ab。

在一个实施例中，上述高速铁路牵引网的低频振荡抑制方法可以应用图5所示的高速铁路牵引网中，其中每个动车组可以分别应用上述高速铁路牵引网的低频振荡抑制方法进行相应低频振荡抑制。本实施例中，可以根据图3所述高速铁路牵引网在Matlab/Simulink中搭建各动车组LSC的仿真模型。仿真参数为：整流器输入电压U_s＝1550V；网侧电感L_t＝2.3mH；二次滤波电容C₂＝4.6mF；二次滤波电感L₂＝0.6mH；直流支撑电容C_d＝3.0mF；直流电压U_dc＝3000V；负载电阻R_L＝10Ω；电流环参数T_i＝5e^-2ms；电压环参数T_v＝1ms；IGBT(绝缘栅双极型晶体管)开关频率f＝350Hz；内模控制器参数取为ε＝0.01。下面将对各个动车组LSC采用基于内模控制器的TCCS时的车网耦合系统进行仿真分析。图6为采用基于传统PI控制器的TCCS时的系统侧电压、电流波形和动车组侧电压、电流波形及其局部放大波形。图7为采用本发明提供的高速铁路牵引网的低频振荡抑制方法的系统侧电压、电流波形和动车组侧电压、电流波形及其局部放大波形。在图6、图7中的各个坐标系中，横坐标均表示时间，单位为s(秒)，图6(a)、图7(a)中纵坐标表示高速铁路牵引网的系统侧电压，电位为V(伏特)，图6(b)、图7(b)中纵坐标表示高速铁路牵引网的动车组侧电压，电位为V(伏特)。根据图6、图7可以确定本发明提供的高速铁路牵引网的低频振荡抑制方法能够较好的抑制高速铁路牵引网低频振荡问题。

参考图8，图8所示为一个实施例的高速铁路牵引网的低频振荡抑制系统结构示意图，包括：

获取模块10，用于将高速铁路牵引网的电流内环等效为一阶惯性环路，从所述一阶惯性环路中获取电流内环等效时间常数；

生成模块20，用于将电压采样小惯性时间常数与所述电流内环等效时间常数合并，生成控制时间常数；

在一个实施例中，上述生成模块20可以进一步用于：

将所述电压采样小惯性时间常数与电流内环等效时间常数代入预设的合并公式，通过计算所述合并公式的结果得到控制时间常数；

所述合并公式为：T_ev＝T_v+k*T_i；T_ev表示控制时间常数，T_v表示电压采样小惯性时间常数，T_i表示电流内环等效时间常数，k表示控制参数，符号*表示相乘。

建立模块30，用于根据所述控制时间常数、高速铁路牵引网的直流侧支撑电容建立反馈控制器；

在一个实施例中，上述建立模块30进一步用于：

所述根据所述控制时间常数、高速铁路牵引网的直流侧支撑电容建立高速铁路牵引网中电压外环的内部模型；其中，所述内部模型为G_m(s)为电压外环的内部模型，C_d为高速铁路牵引网的直流侧支撑电容，T_ev为控制时间常数；

向电压外环的内部模型加入低通滤波器，得到内模控制器；所述内模控制器为其中，C_imc(s)为内模控制器，G_m(s)为电压外环的内部模型，L(s)为低通滤波器；

利用所述内模控制器建立反馈控制器，所述反馈控制器为：其中，F(s)为反馈控制器，C_imc(s)为内模控制器。

输入模块40，用于获取高速铁路牵引网的直流侧输出电压给定值和直流侧电压输出值之差，得到电压差，将所述电压差输入所述反馈控制器；

调制模块50，用于获取所述反馈控制器的输出参数，进而获得动车组网侧整流器调制信号的指令值，实现高速铁路牵引网的低频振荡抑制。

本发明提供的高速铁路牵引网的低频振荡抑制系统与本发明提供的高速铁路牵引网的低频振荡抑制方法一一对应，在所述高速铁路牵引网的低频振荡抑制方法的实施例阐述的技术特征及其有益效果均适用于高速铁路牵引网的低频振荡抑制系统的实施例中，特此声明。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种高速铁路牵引网的低频振荡抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：

将高速铁路牵引网的电流内环等效为一阶惯性环路，从所述一阶惯性环路中获取电流内环等效时间常数；

将电压采样小惯性时间常数与所述电流内环等效时间常数合并，生成控制时间常数；

根据所述控制时间常数、高速铁路牵引网的直流侧支撑电容建立反馈控制器；

获取高速铁路牵引网的直流侧输出电压给定值和直流侧电压输出值之差，得到电压差，将所述电压差输入所述反馈控制器；

获取所述反馈控制器的输出参数，进而获得动车组网侧整流器调制信号的指令值，实现高速铁路牵引网的低频振荡抑制。

2.根据权利要求1所述的高速铁路牵引网的低频振荡抑制方法，其特征在于，将电压采样小惯性时间常数与所述电流内环等效时间常数合并，生成控制时间常数的步骤包括：

将所述电压采样小惯性时间常数与电流内环等效时间常数代入预设的合并公式，通过计算所述合并公式的结果得到控制时间常数；

所述合并公式为：T_ev＝T_v+k*T_i；T_ev表示控制时间常数，T_v表示电压采样小惯性时间常数，T_i表示电流内环等效时间常数，k表示控制参数，符号*表示相乘。

3.根据权利要求2所述的高速铁路牵引网的低频振荡抑制方法，其特征在于，所述控制参数k的取值为3。

4.根据权利要求1所述的高速铁路牵引网的低频振荡抑制方法，其特征在于，所述根据所述控制时间常数、高速铁路牵引网的直流侧支撑电容建立反馈控制器的步骤包括：

所述根据所述控制时间常数、高速铁路牵引网的直流侧支撑电容建立高速铁路牵引网中电压外环的内部模型；

向电压外环的内部模型加入低通滤波器，得到内模控制器；

利用所述内模控制器建立反馈控制器。

5.根据权利要求4所述的高速铁路牵引网的低频振荡抑制方法，其特征在于，所述低通滤波器为其中，所述ε为时间常数。

6.根据权利要求4所述的高速铁路牵引网的低频振荡抑制方法，其特征在于，所述内部模型为G_m(s)为电压外环的内部模型，C_d为高速铁路牵引网的直流侧支撑电容，T_ev为控制时间常数；

所述内模控制器为其中，C_imc(s)为内模控制器，G_m(s)为电压外环的内部模型，L(s)为低通滤波器；

所述反馈控制器为：其中，F(s)为反馈控制器，C_imc(s)为内模控制器。

7.根据权利要求1所述的高速铁路牵引网的低频振荡抑制方法，其特征在于，获取所述反馈控制器的输出参数，进而获得动车组网侧整流器调制信号的指令值，实现高速铁路牵引网的低频振荡抑制的过程包括：

获取所述反馈控制器的输出参数，根据所述输出参数确定高速铁路牵引网的网侧电流第一分量值；

获取高速铁路牵引网的车载变压器二次侧电压幅值、直流侧电压输出值和负载电流；

根据所述车载变压器二次侧电压幅值、直流侧电压输出值和负载电流确定高速铁路牵引网的网侧电流第二分量值；

对所述网侧电流第一分量值和网侧电流第二分量值进行求和得到网侧电流给定值；

将所述网侧电流给定值代入调制公式获得动车组网侧整流器调制信号的指令值，实现高速铁路牵引网的低频振荡抑制。

8.根据权利要求7所述的高速铁路牵引网的低频振荡抑制方法，其特征在于，所述根据所述车载变压器二次侧电压幅值、直流侧电压输出值和负载电流确定高速铁路牵引网的网侧电流第二分量值的过程包括：

将所述U_sm、直流侧电压输出值和负载电流代入第二分量公式，计算所述第二分量公式确定高速铁路牵引网的网侧电流第二分量值；所述第二分量公式为：I_ac2为网侧电流第二分量值，Ud_c为直流侧电压输出值，U_sm为车载变压器二次侧电压幅值，I_d为负载电流。

9.根据权利要求7所述的高速铁路牵引网的低频振荡抑制方法，其特征在于，所述调制公式为： $u_{ab}^{*}=u_s-{\mathrm{\ωL}}_t{I}_{ac}^{*}cos\mathrm{\ω}t-K_{ip}(I_{ac}^{*}sin\mathrm{\ω}t-I_{ac}),$ 其中，为调制后的供电电压，u_s车载变压器二次侧电压，ω为牵引网电压的角频率，L_t为动车组车载变压器电感，K_ip为电流内环P控制器的比例系数，为网侧电流给定值，I_ac为网侧电流输出值。

10.一种高速铁路牵引网的低频振荡抑制系统，其特征在于，包括：

获取模块，用于将高速铁路牵引网的电流内环等效为一阶惯性环路，从所述一阶惯性环路中获取电流内环等效时间常数；

生成模块，用于将电压采样小惯性时间常数与所述电流内环等效时间常数合并，生成控制时间常数；

建立模块，用于根据所述控制时间常数、高速铁路牵引网的直流侧支撑电容建立反馈控制器；

输入模块，用于获取高速铁路牵引网的直流侧输出电压给定值和直流侧电压输出值之差，得到电压差，将所述电压差输入所述反馈控制器；

调制模块，用于获取所述反馈控制器的输出参数，根据所述输出参数获得动车组网侧整流器调制信号的指令值，实现高速铁路牵引网的低频振荡抑制。