CN107612449B - 基于前馈电压补偿的地铁牵引变流器直流侧振荡抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于前馈电压补偿的地铁牵引变流器直流侧振荡抑制方法，根据稳定性判据条件选择合适的阻尼参数，同时结合有效矢量占比最大和扰动最小的原则，计算dq轴前馈电压补偿参数；根据有效作用矢量相等以及功率守恒原理，计算得到限幅调整后的参考电压矢量，确保补偿过调制情况下的地铁牵引传动系统直流侧稳定性控制。本发明采用对前馈电压的动态补偿，实现了对牵引传动系统运行过程中直流侧电压与电流振荡的抑制，确保了直流网侧电压的稳定，同时考虑到电压补偿引起的过调制情况，确保了在过调制情况下振荡抑制方法的有效性，避免现了有参考电流补偿方案易受电流环带宽限制的影响，并具有更快的动态响应。

Description

基于前馈电压补偿的地铁牵引变流器直流侧振荡抑制方法

技术领域

本发明涉及地铁牵引传动技术领域，具体为一种基于前馈电压补偿的地铁牵引变流器直流侧振荡抑制方法。

背景技术

地铁牵引传动系统主要由直流侧滤波器、牵引变流器、异步电机以及牵引控制单元DCU组成。目前，城市轨道交通在国内各主要城市不断投入运营，地铁牵引传动系统的稳定性成为安全运营的关键，受到广泛的关注。近几年，我国自主研发的牵引变流器在地面试验以及装车现场试验时发现，牵引传动交/直流侧电压、电流及电机输出转矩在采用矢量控制方案的情况下，随着变流器输出功率的上升，在某些特定频段经常发生持续振荡，直接影响了车辆的运行稳定性，严重时频繁触发TCU故障保护、脉冲封锁，甚至引起变电所高速直流断路器大电流脱扣，这将严重影响地铁的运行安全以及运营秩序。

与传统的直交直列车相比，地铁列车为直交变流结构，稳定的直流供电是地铁牵引传动系统良好调速性能的关键。然而受车载变流装置本身空间、重量以及谐波抑制等诸多因素的限制，直流侧滤波电感以及支撑电容的选择往往难以满足系统稳定性的需要。此外，由恒功率控制在负载侧引起的负阻抗将极大地削弱系统阻尼，使得系统对外部干扰变得敏感。同时，牵引变电站以及牵引网分布参数的复杂性使得车网参数难以匹配，随着多车多工况以及短间隔发车等越趋复杂的运行环境，在特定运行频段和工况下，地铁牵引传动系统易发生直流侧LC谐振，并进一步引起直流供电网压振荡，大大降低了系统的可靠性。

为提升地铁牵引传动系统稳定性，避免列车与供电网振荡情况的发生，相应的电流环补偿控制方案已被提出，其中依据直流网侧稳定性控制的需要成比例地调节转矩环电流给定值的“乘法”补偿方案易出现过补偿情况，会影响系统的动态性能。同时，依据系统稳定性判据条件，在参考转矩电流的基础之上加入补偿量的“加法”控制方案存在一定的局限性，易受电流环带宽的限制，当直流侧电压振荡频率较高时，将存在振荡抑制失效的情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现地铁牵引传动系统在牵引、制动等不同运行工况下的直流侧电压、电流振荡的抑制，可避免受电流环带宽的影响，并降低对系统动态性能的影响的基于前馈电压补偿的地铁牵引变流器直流侧振荡抑制方法。技术方案如下：

一种基于前馈电压补偿的地铁牵引变流器直流侧振荡抑制方法，包括以下步骤：

步骤1：提取振荡电压，根据前馈电压补偿表达式以及地铁牵引传动系统直流侧等效电路，构建基于前馈电压补偿的系统状态方程；

步骤2：根据步骤1所得系统特征方程，结合扰动最小原则，计算满足稳定性判据条件下的dq轴补偿参数；

步骤3：将步骤2计算所得的补偿参数输入到补偿环节，对补偿后的参考电压矢量进行限幅处理，调整电压矢量使其处于逆变器电压输出区域范围内。

进一步的，所述步骤1的具体过程如下：

依据直流侧滤波电感值L以及支撑电容值C计算谐振频率，并基于该谐振频率设计带通滤波器，再提取直流侧振荡电压

依据该振荡电压以及设定的dq轴补偿系数α_sd与α_sq，分别对dq轴前馈电压分量E_sd与E_sq进行补偿，前馈电压补偿表达式为：

在恒功率控制条件下，将负载等效为恒流源i_inv，结合前馈电压补偿表达式，则基于前馈电压补偿的系统状态方程为：

式中，i_g为为直流侧电流，E_g为为网侧供电电压，R为为线路阻抗与直流侧滤波电感内阻之和，V_dc0为直流侧额定电压，k为坐标变换常数；

为加入前馈电压补偿的d轴调制电压，i_sd为旋转坐标系下d轴给定电流，

为加入前馈电压补偿的q轴调制电压，i_sq为旋转坐标下系q轴给定电流；

在系统稳态工作点附近考虑

对系统状态方程进行线性化，获得如下补偿后的系统特征方程：

式中，s为为拉普拉斯变换算子，g₀为补偿参数；

其中Rkg₀/V_dc0项较小，故忽略，同时有

式中，v_sd为d轴调制电压，v_sq为q轴调制电压。

更进一步的，所述步骤2的具体过程如下：

根据步骤1所得系统补偿后的特征方程，结合补偿前系统应满足的稳定性判据条件如下：

式中，P_L为系统负载功率；

为使得前馈电压补偿后的系统满足稳定判据要求，补偿参数需满足如下条件：

式中，λ为理想电容选值与主电路实际电容选值的比值；

将系统负载功率P_L、坐标变换常数k、直流侧额定电压V_dc0、以及由理想电容选值与主电路实际电容选值的比值λ作为输入变量计算得到补偿参数g₀的边界条件值；

依据所述补偿参数g₀的边界条件值，结合实际系统稳定性的需要选定补偿参数g₀的值，并将其代入式(4)中；且由于dq轴补偿电压合成矢量同给定参考电流同相位时，所需的补偿矢量幅值最小，能够实现相对最优的稳定控制效果，据此由式(4)计算得到dq轴电压补偿系数α_sd与α_sq。

更进一步的，所述步骤3的具体过程如下：

依据稳定性控制功率补偿的需要，限幅前后变流器输出功率需保持不变，依据有效作用矢量相等的原则，列出如下需满足的关系式：

式中，

为加入补偿后的参考电压矢量幅值，v_dqsat为限幅调整后的电压矢量幅值，i_dq为给定dq轴参考电流；角度φ为电压矢量

与电流矢量i_dq之间的夹角，角度θ为电压矢量v_dqsat与电流矢量i_dq之间的夹角；

结合补偿前后各矢量之间的关系，并将上述描述的相关变量代入关系式(7)，计算得到限幅调整后的调制电压矢量v_dqsat以控制逆变器的输出。

本发明的有益效果是：本发明可实现对地铁牵引传动系统直流侧振荡性失稳的抑制，并具有较快的动态响应，能避免电流环带宽受限所带来的影响，弥补了现有稳定性控制方案延时滞后以及带宽受限的技术问题；该方法适用于采用矢量控制调速方案的地铁牵引传动系统。

附图说明

图1是地铁牵引传动系统的基本电路结构拓扑图。

图2是地铁牵引传动系统的简化等效电路图。

图3是基于本发明地铁牵引变流器直流侧振荡抑制前馈电压补偿系数计算框图。

图4是本发明所提出的地铁牵引变流器直流侧振荡抑制控制框图。

图5是基于本发明地铁牵引变流器直流侧振荡抑制方法在MATLAB/Simulink环境下做出的一个抑制效果对比实施例，其中电机转速稳定在2100r/min，负载转矩恒为800N·m，补偿参数选择g₀＝-51。

图6是基于本发明地铁牵引变流器直流侧振荡抑制方法在MATLAB/Simulink环境下做出的一个抑制效果对比实施例，其中电机转速稳定在2100r/min，负载转矩恒为800N·m，补偿参数选择g₀＝0。

图7是基于本发明地铁牵引变流器直流侧振荡抑制方法在MATLAB/Simulink环境下做出的一个抑制效果对比实施例，其中电机转速稳定在2100r/min，负载转矩存在突变由800N·m突变至600N·m，补偿参数选择g₀＝0。

图8是基于TMS320F28335控制器以及RT-Lab半实物仿真平台环境下做出的实施例，在牵引工况下的实验结果，为包含电机电流、直流侧电压、直流侧电流以及电机转速的波形图。

图9是基于TMS320F28335控制器以及RT-Lab半实物仿真平台环境下做出的实施例，在牵引工况下加入前馈电压补偿振荡抑制措施的实验结果，为包含电机电流、直流侧电压、直流侧电流以及电机转速的波形图。

图10是基于TMS320F28335控制器以及RT-Lab半实物仿真平台环境下做出的实施例，在牵引工况下加入前馈电压补偿的振荡抑制措施并考虑补偿过调制的实验结果，为包含电机电流、直流侧电压、直流侧电流以及电机转速的波形图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

地铁牵引传动系统的基本电路结构如图1所示，地铁牵引传动系统的简化等效电路如图2所示。本实施例所构建的地铁牵引传动系统直流侧振荡抑制环节所需的输入量为：直流网侧谐振电压

补偿参数值g₀、给定dq轴参考电流i_dq以及同步旋转角θ_e；地铁牵引传动系统直流侧振荡抑制环节的输出量为dq轴前馈电压补偿系数α_sd与α_sq；地铁牵引传动系统直流侧振荡抑制环节参数计算时需要设定的参变量有直流侧稳态电压V_dc0以及变流器输入的额定负载功率P。地铁牵引传动系统直流侧振荡抑制控制框图如图4所示。

本实施例的方法描述如下：

第1步：将负载等效为恒流源，建立考虑直流侧的系统简化等效电路如图2所示，同时构建系统状态方程以及其对应的特征方程，并依据特征根稳定性条件建立系统稳定性判据。

第2步：结合前馈电压补偿式，建立系统补偿后的状态方程。在系统稳态工作点附近考虑振荡电压

并对该状态方程进行线性化获得补偿后的系统特征方程以及补偿参数g₀的表达式。

第3步：依据系统特征方程，这里选定补偿参数g₀＝0(该参数值可依据系统振荡抑制情况进行调整设定)，使得加入前馈补偿的系统对外呈现自然阻尼状态。同时，考虑dq轴补偿电压合成矢量同给定参考电流同相位时，所需的补偿矢量幅值最小，能够实现相对最优的稳定控制效果。依据上述给定的两限定条件，计算得到dq轴电压补偿系数α_sd与α_sq，具体的计算框图如图3所示。

第4步：基于直流侧LC滤波电路的谐振频率，编写一阶低通滤波器以及一阶高通滤波器函数，使其组成以谐振频率为中心的具有一定通带范围的带通滤波器用于提取网侧振荡电压。同时，结合第3步计算获得的补偿系数，依据补偿式，分别将dq轴补偿电压叠加至前馈电压。

第5步：对补偿过后得到的dq轴调制电压矢量进行限幅处理，调整电压矢量使其处于逆变器电压输出区域范围内，所提出的地铁牵引传动系统直流侧振荡抑制控制框图如图4所示。

具体计算过程如下：

(1)提取振荡电压，根据前馈电压补偿表达式以及地铁牵引传动系统直流侧等效电路，构建基于前馈电压补偿的系统状态方程。

依据直流侧滤波电感值L以及支撑电容值C计算谐振频率，并基于该谐振频率，设计低通滤波器串联高通滤波器组成的一定通带范围的带通滤波器用于提取直流侧振荡电压

同时，依据该振荡电压以及设定的dq轴补偿系数α_sd与α_sq，分别对dq轴前馈电压分量E_sd与E_sq进行补偿，其补偿表达式为

在恒功率控制条件下，将负载等效为恒流源(i_inv)，结合前馈电压补偿表达式，依据电路原理列出基于前馈电压补偿的系统状态方程：

在系统稳态工作点附近考虑

对系统状态方程进行线性化，获得如下补偿后的系统特征方程：

其中Rkg₀/V_dc0项较小通常可忽略，同时有

(2)根据所得系统特征方程，结合扰动最小原则，计算满足稳定性判据条件下的dq轴补偿参数。

根据所得系统补偿后的特征方程，结合补偿前系统应满足的稳定性判据条件，为满足系统稳定判据要求，列出补偿参数应满足如下条件

将系统负载功率P_L、坐标变换常数k＝3/2、直流侧额定电压V_dc0、以及由理想电容选值与主电路实际电容选值比值λ作为输入变量计算补偿参数边界条件值。

依据上述计算所得的补偿参数边界条件值，结合实际系统稳定性的需要选定合适的补偿参数g₀值，并g₀表达式。同时，考虑dq轴补偿电压合成矢量同给定参考电流同相位时，所需的补偿矢量幅值最小，能够实现相对最优的稳定控制效果。依据上述给定的两限定条件，经计算可得dq轴电压补偿系数α_sd与α_sq。

(3)将计算所得的补偿参数输入到补偿环节，考虑到高速弱磁区域由于变流器输出能力的限制而引起的限幅输出情况，对补偿后的参考电压矢量进行限幅处理，调整电压矢量使其处于逆变器电压输出区域范围内。同时，依据稳定性控制功率补偿的需要，限幅前后变流器输出功率需保持不变，依据有效作用矢量相等的原则，列出如下应满足的关系式：

其中，

与v_dqsat分别为加入补偿与限幅调整后的参考电压矢量幅值，角度φ为电压矢量

与电流矢量i_dq之间的夹角，角度θ为电压矢量v_dqsat与电流矢量i_dq之间的夹角。结合补偿前后各矢量之间的关系，并将上述描述的相关变量代入关系式，计算获得限幅调整后的调制电压矢量v_dqsat用于逆变器的控制。

本实施例提供的地铁牵引传动系统直流侧振荡抑制方法应用对象为采用基于矢量控制方案的地铁牵引传动系统，考虑了补偿引起的过调制情况。同时，将开关器件以及控制时序做理想化处理，忽略开关导通压降以及时序延时等因素。

基于上述控制方案进行仿真以及硬件在环实验，本实施例设定仿真环境为MATLAB/Simulink，实验环境为基于TMS320F28335控制器以及RT-Lab半实物仿真平台，编程语言为C语言。

系统参数为：直流侧输入电压为1500V，直流侧滤波电感6mH，直流侧支撑电容8.2mF，线路等效阻抗40mΩ，异步电机额定功率190kW，PWM开关频率为1000Hz。针对地铁牵引传动系统直流侧振荡抑制的仿真结果如图5～图7所示，图中波形由上至下分别为直流侧电压V_dc、直流侧电流i_g以及电机输出转矩T_L。其中，图5为电机转速稳定在2100r/min，负载转矩恒为800N·m，补偿参数g0＝-55时，施加补偿前后主要波形的仿真结果对比；图6为电机转速稳定在2100r/min，负载转矩恒为800N·m，补偿参数g₀＝0时，施加补偿前后主要波形的仿真结果对比；图7为电机转速稳定在2100r/min，负载转矩由800N·m突变至600N·m，补偿参数g0＝0时，施加补偿前后主要波形的仿真结果对比。与仿真条件相对应的基于TMS320F28335控制器以及RT-Lab实时仿真器的实验结果如图8～10所示，其中，图8为未施加稳定性控制策略的牵引传动系统加速牵引实验波形图，图中电机转速由0上升并稳定至3500r/min，负载转矩恒为400N·m，波形由上至下分别为电机定子相电流、直流侧电压、直流侧电流以及异步电机转子转速；图9为在图8的实验条件基础之上施加前馈电压补偿的实验结果波形图；图10为考虑了前馈电压补偿引起的过调制情况，施加过调制功率平衡控制的实验结果波形图。

基于这上述实施例可实现对地铁牵引变流器直流侧振荡性失稳的抑制，并具有较快的动态响应，能避免电流环带宽受限所带来的影响，弥补了现有稳定性控制方案延时滞后以及带宽受限的技术问题。

Claims (1)

1.一种基于前馈电压补偿的地铁牵引变流器直流侧振荡抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：提取振荡电压，根据前馈电压补偿表达式以及地铁牵引传动系统直流侧等效电路，构建基于前馈电压补偿的系统状态方程；

步骤2：根据步骤1所得系统特征方程，结合扰动最小原则，计算满足稳定性判据条件下的dq轴补偿参数；

步骤3：将步骤2计算所得的补偿参数输入到补偿环节，对补偿后的参考电压矢量进行限幅处理，调整电压矢量使其处于逆变器电压输出区域范围内；

所述步骤1的具体过程如下：

依据直流侧滤波电感值L以及支撑电容值C计算谐振频率，并基于该谐振频率设计带通滤波器，再提取直流侧振荡电压

依据该振荡电压以及设定的dq轴补偿系数α_sd与α_sq，分别对dq轴前馈电压分量E_sd与E_sq进行补偿，前馈电压补偿表达式为：

在恒功率控制条件下，将负载等效为恒流源i_inv，结合前馈电压补偿表达式，则基于前馈电压补偿的系统状态方程为：

式中，i_g为直流侧电流，E_g为网侧供电电压，R为线路阻抗与直流侧滤波电感内阻之和，V_dc0为直流侧额定电压，k为坐标变换常数；

为加入前馈电压补偿的d轴调制电压，i_sd为旋转坐标系下d轴给定电流，

为加入前馈电压补偿的q轴调制电压，i_sq为旋转坐标下系q轴给定电流；

在系统稳态工作点附近考虑

对系统状态方程进行线性化，获得如下补偿后的系统特征方程：

式中，s为拉普拉斯变换算子，g₀为补偿参数；

其中Rkg₀/V_dc0项较小，故忽略，同时有

式中，v_sd为d轴调制电压，v_sq为q轴调制电压；

所述步骤2的具体过程如下：

根据步骤1所得系统补偿后的特征方程，结合补偿前系统应满足的稳定性判据条件如下：

式中，P_L为系统负载功率；

为使得前馈电压补偿后的系统满足稳定判据要求，补偿参数需满足如下条件：

式中，λ为理想电容选值与主电路实际电容选值的比值；

将系统负载功率P_L、坐标变换常数k、直流侧额定电压V_dc0、以及由理想电容选值与主电路实际电容选值的比值λ作为输入变量计算得到补偿参数g₀的边界条件值；

依据所述补偿参数g₀的边界条件值，结合实际系统稳定性的需要选定补偿参数g₀的值，并将其代入式(4)中；且由于dq轴补偿电压合成矢量同给定参考电流同相位时，所需的补偿矢量幅值最小，能够实现相对最优的稳定控制效果，据此由式(4)计算得到dq轴电压补偿系数α_sd与α_sq；

所述步骤3的具体过程如下：

依据稳定性控制功率补偿的需要，限幅前后变流器输出功率需保持不变，依据有效作用矢量相等的原则，列出如下需满足的关系式：

式中，

为加入补偿后的参考电压矢量幅值，v_dqsat为限幅调整后的电压矢量幅值，i_dq为给定dq轴参考电流；角度φ为电压矢量

与电流矢量i_dq之间的夹角，角度θ为电压矢量v_dqsat与电流矢量i_dq之间的夹角；

结合补偿前后各矢量之间的关系，并将补偿后的参考电压矢量幅值

给定dq轴参考电流i_dq，以及矢量之间的夹角角度φ与角度θ代入关系式(7)，计算得到限幅调整后的调制电压矢量v_dqsat以控制逆变器的输出。

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