CN109193697A - 基于状态观测器模型预测控制的高铁低频振荡抑制方法 - Google Patents

基于状态观测器模型预测控制的高铁低频振荡抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于状态观测器模型预测控制的高铁低频振荡抑制方法，考虑到预测模型中电路实际参数与额定参数的误差，在构建动车组网侧牵引整流器预测模型时计及整流器交流侧电路参数不确定因数的影响，在此基础上构建了一阶状态观测器；通过传递函数的推导和闭环极点分布图的稳定性分析，完成了状态观测器的设计和关键增益系数的选取；通过状态观测器可实时估算电路参数误差量，并通过反馈环节将估算的参数误差量补偿到控制电压方程中，得到下一时刻的控制电压并输出，最后通过正弦脉宽调制得到整流器开关信号。本发明能有效地提高动车组网侧牵引整流器的动态性能，改善电流谐波畸变，并能有效抑制牵引网‑动车组电气量低频振荡的发生。

Description

基于状态观测器模型预测控制的高铁低频振荡抑制方法
技术领域
本发明涉及动车组网侧牵引整流器控制策略技术领域，具体为一种基于状态观测器模型预测控制的高铁低频振荡抑制方法。
背景技术
单相两电平整流器广泛应用于动车组的牵引驱动单元中。当同区段多辆机车同时升弓整备时，牵引网可能会出现网侧电压电流低频振荡的现象。当牵引网的电压振荡峰值较大时，系统的保护逻辑元件将被触发，引发牵引封锁。该现象与动车组牵引整流器的控制策略及控制参数有很大关系。当牵引驱动单元中某些参数发生变化时，传统PI控制器的参数无法通过自动调整适应这种变化，因而闭环系统反应较为迟钝、容易产生振荡和控制量饱和等问题。考虑机车牵引变流器强耦合性及非线性，显然PI控制器存在固有的缺陷，因此，需要开展机车牵引变流器的非线性控制方法的研究。而且现有的研究表明，改进动车组牵引变流器的控制策略可以避免低频振荡的出现。预测控制、自抗扰控制、无源控制、多变量控制非线性控制方法相对于传统控制表现出较好的控制性能和抗干扰能力。其中预测控制是在复杂的生产实际过程伴随提出的控制算法，能够很好的处理系统多变量，系统约束和系统非线性等复杂情况。但是，在参数不匹配和模型不准确的情况下，却无法保证控制性能。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种能够消除参数不匹配对系统的影响，进一步提高模型预测控制的控制性能和抗干扰能力，具有较好的鲁棒性和动态性能的基于状态观测器模型预测控制的高铁低频振荡抑制方法。技术方案如下：
一种基于状态观测器模型预测控制的高铁低频振荡抑制方法，包括如下步骤：
步骤A：构建d-q旋转坐标系下计及参数误差量的动车组网侧牵引整流器预测控制方程；
步骤B：定义参数误差量为新扩展状态变量，并选取电流；将参数误差量作为系统状态变量，构建d-q旋转坐标系的状态观测器模型，得到参数误差量估计值；
步骤C：将参数误差量估计值值代入动车组网侧牵引整流器预测控制方程中，获得下一采样周期整流器输入控制电压；
步骤D：将整流器控制电压经过坐标变换得到αβ坐标系分量，再通过正弦脉宽调制输出控制脉冲。
进一步的，所述步骤A中动车组网侧牵引整流器预测控制方程的构建方法包括：
根据基尔霍夫电压定律，对整流器交流侧电气量列写方程，获得d-q旋转坐标系下动车组网侧牵引整流器动态特性方程：
其中，uNd、uNq分别为整流器交流侧输入电压uN在两相旋转坐标系上的d-q直流分量； iNd、iNq分别为整流器交流侧输入电流iN在两相旋转坐标系上的d-q直流分量；uabd、uabq分别为整流器输入电压uab在两相旋转坐标系上的d-q直流分量；ω为旋转角速度，t为时间变量；R、L分别为车载变压器副边等效的漏电阻、漏电感实际参数；
考虑实际电路中交流侧电路参数会存在误差，定义R0和L0分别为电阻和电感额定参数，△R和△L分别为实际参数与额定参数误差量，得到：
得倒d-q旋转坐标系下计及参数误差量的动车组网侧牵引整流器动态特性方程：
在计及参数误差量的动车组网侧牵引整流器动态特性方程中，除了整流器输入电压uab的 d-q直流分量项外，其他分量项定义为参数误差量，得到
其中，fd和fq分别为参数误差量在两相旋转坐标系上的d-q直流分量；
则计及参数误差量的动车组网侧牵引整流器动态特性方程变化为：
对上式进行离散化，则得到d-q旋转坐标系下计及参数误差量的动车组网侧牵引整流器预测控制方程：
其中，k表示t对应的离散量，为当前采样时刻，k+1表示下一采样时刻；Ts为采样周期； iNd(k)、iNq(k)分别为整流器交流侧输入电流iN当前时刻离散化d-q直流分量；uabd(k)、uabq(k) 分别为整流器输入电压uab当前时刻离散化d-q直流分量；fd(k)、fq(k)分别为参数误差量当前时刻离散化d-q直流分量；
则下一采样时刻整流器输入控制电压离散化d-q直流分量uabd(k)、uabq(k)满足：
更进一步的，所述步骤B中构建d-q旋转坐标系的一阶状态观测器模型的方法包括：
将参数误差量扩展为新的系统状态变量，选取电流，参数误差量作为状态变量，则d-q旋转坐标系下计及参数误差量的动车组网侧牵引整流器动态特性方程变化为：
其中，x1d、x1q分别对应整流器交流侧输入电流iN当前时刻离散化d-q直流分量 iNd(k)、iNq(k)；x2d，x2q分别对应参数误差量当前时刻离散化d-q直流分量fd(k)、 fq(k)；hd，hq分别对应fd(k)、fq(k)的导数；
构建d-q旋转坐标系的一阶状态观测器模型
其中，z1d、z1q分别对应整流器交流侧输入电流iN当前时刻离散化d-q直流分量iNd(k)、 iNq(k)的估计值；z2d，z2q分别对应参数误差量当前时刻离散化d-q直流分量fd(k)、fq(k)的估计值；β1d，β1q，β2d，β2q为一阶状态观测器增益系数，该系数影响状态观测器控制效果，通过极点分布图确定取值。
更进一步的，所述步骤C中下一采样周期整流器输入控制电压的离散化d-q直流分量 uabd(k)、uabq(k)为：
所述步骤D中控制脉冲为：
本发明的有益效果是：本发明在控制中除了交流侧电流电压iN，uN和直流侧电压ud外，还考虑到预测模型中参数与电路实际参数的误差，考虑到预测模型中电路额定参数与实际参数的误差，在构建动车组网侧牵引整流器预测模型时计及了整流器交流侧电路参数不确定因数的影响，在此基础上构建了一阶状态观测器，通过状态观测器实时估算电路参数误差量，并通过反馈环节补偿到控制电压方程式中，消除了参数不匹配对系统的影响，进一步提高模型预测控制的控制性能和抗干扰能力，并能够阻尼牵引网-动车组电气量振荡的问题；本发明所需要设置的参数较少，控制系统且对参数变化不敏感，在有效地范围内该控制具有较好的鲁棒性和动态性能。
附图说明
图1为本发明的控制结构图。
图2为本发明的两重化整流器等效电路图。
图3为本发明在两重化整流器中直流侧电压ud波形图。
图4为本发明在两重化整流器中交流侧电流iN、交流侧电压uN波形图。
图5为本发明在电感参数存在误差时，d轴电流iNd的波形图。
图6为本发明在电感参数存在误差时，扰动量估计值fd(k)，fq(k)和测量值fd(k)*，fq(k)*波形图。
图7为本发明在车网级联仿真依次接入8台动车时的网侧电压us、网侧电流is和直流侧电压 ud波形图；(a)dq解耦控制；(b)基于状态观测器的模型预测控制。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。一种基于状态观测器的模型预测控制的高铁低频振荡抑制方法，包括模型预测控制部分和状态观测器部分，具体步骤如下：
步骤A：构建d-q旋转坐标系下计及参数误差量的动车组网侧牵引整流器预测控制方程。
本发明针对单相两电平拓扑结构的动车组网侧牵引整流器进行控制器设计。动车组通过受电弓从接触网取单相工频电，经车载变压器降压后作为整流器交流侧输入电压，整流器则将输入的单相交流电压变换成稳定的直流电压。
根据基尔霍夫电压定律，对整流器交流侧电气量列写方程，可获得d-q旋转坐标系下动车组网侧牵引整流器动态特性方程
其中，uNd、uNq分别为整流器交流侧输入电压uN在两相旋转坐标系上的d-q直流分量； iNd、iNq分别为整流器交流侧输入电流iN在两相旋转坐标系上的d-q直流分量；uabd、uabq分别为整流器输入电压uab在两相旋转坐标系上的d-q直流分量；ω为旋转角速度，t为时间变量。R、L分别为车载变压器副边等效的漏电阻、漏电感实际参数。
考虑实际电路中交流侧电路参数会存在误差，定义R0和L0分别为电阻和电感额定参数，△R和△L分别为实际参数与额定参数误差量，可得到
因此可获得d-q旋转坐标系下计及参数误差量的动车组网侧牵引整流器动态特性方程
在计及参数误差量的动车组网侧牵引整流器动态特性方程中，除了整流器输入电压uab的 d-q直流分量项外，其他分量项定义为参数误差量，可以得到
则计及参数误差量的动车组网侧牵引整流器动态特性方程可变化为
对上式进行离散化，则可得到d-q旋转坐标系下计及参数误差量的动车组网侧牵引整流器预测控制方程
其中，k表示t对应的离散量，为当前采样时刻，k+1表示下一采样时刻；Ts为采样周期； iNd(k)、iNq(k)分别为整流器交流侧输入电流iN当前时刻离散化d-q直流分量；uabd(k)、uabq(k) 分别为整流器输入电压uab当前时刻离散化d-q直流分量；fd(k)、fq(k)分别为参数误差量当前时刻离散化d-q直流分量。
则下一采样时刻整流器输入控制电压离散化d-q直流分量uabd(k)、uabq(k)应满足
步骤B：定义参数误差量为新扩展状态变量，并选取电流，参数误差量量作为系统状态变量，构建d-q旋转坐标系的状态观测器模型；
将参数误差量扩展为新的系统状态变量，选取电流，参数误差量作为状态变量，则d-q旋转坐标系下计及参数误差量的动车组网侧牵引整流器动态特性方程可变化为
其中，x1d、x1q分别对应整流器交流侧输入电流iN当前时刻离散化d-q直流分量iNd(k)、 iNq(k)；x2d，x2q分别对应参数误差量当前时刻离散化d-q直流分量fd(k)、fq(k)；hd，hq分别对应fd(k)、fq(k)的导数。
构建d-q旋转坐标系的一阶状态观测器模型
其中，z1d、z1q分别对应整流器交流侧输入电流iN当前时刻离散化d-q直流分量iNd(k)、 iNq(k)的估计值；z2d，z2q分别对应参数误差量当前时刻离散化d-q直流分量fd(k)、fq(k)的估计值；β1d，β1q，β2d，β2q为一阶状态观测器增益系数，该系数影响状态观测器控制效果，可通过极点分布图确定取值。
步骤C：将步骤B得到的扰动量估计值代入步骤A中的电流预测模型，可获得下一采样周期整流器控制电压。
将步骤B得到的参数误差量估计值z2d，z2q代入步骤A中的整流器输入控制电压方程式中，可获得下一采样时刻整流器输入控制电压离散化d-q直流分量uabd(k)、uabq(k)：
步骤D：将步骤C中得到的控制电压经过坐标变换得到α-β坐标系分量，再通过正弦脉宽调制输出控制脉冲。
本实施例以CRH3型动车组为例，进一步说明本发明的低频振荡抑制方法。
A、d-q旋转坐标系下计及参数误差量的动车组网侧牵引整流器预测控制方程。
如图1所示，根据基尔霍夫电压定律，对整流器交流侧电气量列写方程，可获得d-q旋转坐标系下计及参数误差量和未建模项的动车组网侧整流器动态特性方程。
动车组网侧整流器中，相应量的取值分别为R0＝0.145Ω，L0＝5.4mH，Cd＝9mF，负载 Rd＝25Ω，uN＝2192sin(ωt)V。
除了整流器输入电压uab的d-q直流分量项外，其他分量项定义为参数误差量
则d-q旋转坐标系下计及参数误差量的动车组网侧牵引整流器预测控制方程
其中，采样周期Ts＝5e-5s。
则下一采样时刻整流器输入控制电压离散化d-q直流分量uabd(k)、uabq(k)应满足
B、一阶状态观测器的设计。
将参数误差量扩展为新的系统状态变量，选取电流，参数误差量作为状态变量，则d-q旋转坐标系下计及参数误差量的动车组网侧牵引整流器动态特性方程可变化为
构建一阶状态观测器模型为
推导实际电流与参考电流的传递函数，通过画极点分布图分析状态观测器增益系数对系统稳定性的影响，并从中选取一组满足要求的状态观测器增益系数，β1d＝β1q＝1.5，β2d＝β2q＝1000。
C、将步骤B得到的参数误差量估计值z2d，z2q代入步骤A中的动车组牵引整流器输入控制电压方程式中，可获得下一采样时刻整流器输入控制电压离散化d-q直流分量uabd(k)、 uabq(k)。
D、将步骤C中得到的d-q坐标系下控制电压经过坐标变换得到α-β坐标系分量，再通过正弦脉宽调制输出控制脉冲。
基于状态观测器的模型预测控制的控制框图如图1所示。在Matlab/Simulink中搭建两重化动车组网侧牵引整流器仿真模型如图2所示，所得交流侧电压、电流波形如图3、4所示。图3、4波形显示，直流侧电压在额定负载下超调量为0.1％，峰值时间为0.03s，调节时间为 0.1s，电压波动为±25V，电流畸变率为4.39％。相比dq解耦电流控制和基本的模型预测控制，性能指标得到较好改善，具有更快的响应速度和更好的控制性能。电感参数误差对电流的影响如图5所示，波形显示，基于状态观测器的模型预测控制能保证电流基本不受电感参数误差的影响。图6波形显示，状态观测器对参数误差量的估计值能很好的跟踪上参数误差量的实际计算值。
将基于状态观测器的模型预测控制算法应用于牵引网-动车组级联仿真模型中，逐次增加接入牵引网的动车组数量，网侧电压、电流波形如图7所示。接入的动车组数目达到8台时，基于dq解耦电流控制下的网侧电压、电流及直流侧电压发生明显的低频周期波动，即产生了车网低频振荡现象。基于观测器的模型预测控制下的网侧电压、电流波形及直流侧电压基本稳定，未发生低频振荡问题。

Claims (4)

1.一种基于状态观测器模型预测控制的高铁低频振荡抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A：构建d-q旋转坐标系下计及参数误差量的动车组网侧牵引整流器预测控制方程；
步骤B：定义参数误差量为新扩展状态变量，并选取电流；将参数误差量作为系统状态变量，构建d-q旋转坐标系的状态观测器模型，得到参数误差量估计值；
步骤C：将参数误差量估计值值代入动车组网侧牵引整流器预测控制方程中，获得下一采样周期整流器输入控制电压；
步骤D：将整流器控制电压经过坐标变换得到αβ坐标系分量，再通过正弦脉宽调制输出控制脉冲。
2.根据权利要求1所述的基于状态观测器模型预测控制的高铁低频振荡抑制方法，其特征在于，所述步骤A中动车组网侧牵引整流器预测控制方程的构建方法包括：
根据基尔霍夫电压定律，对整流器交流侧电气量列写方程，获得d-q旋转坐标系下动车组网侧牵引整流器动态特性方程：
其中，uNd、uNq分别为整流器交流侧输入电压uN在两相旋转坐标系上的d-q直流分量；iNd、iNq分别为整流器交流侧输入电流iN在两相旋转坐标系上的d-q直流分量；uabd、uabq分别为整流器输入电压uab在两相旋转坐标系上的d-q直流分量；ω为旋转角速度，t为时间变量；R、L分别为车载变压器副边等效的漏电阻、漏电感实际参数；
考虑实际电路中交流侧电路参数会存在误差，定义R0和L0分别为电阻和电感额定参数，△R和△L分别为实际参数与额定参数误差量，得到：
得倒d-q旋转坐标系下计及参数误差量的动车组网侧牵引整流器动态特性方程：
在计及参数误差量的动车组网侧牵引整流器动态特性方程中，除了整流器输入电压uab的d-q直流分量项外，其他分量项定义为参数误差量，得到
其中，fd和fq分别为参数误差量在两相旋转坐标系上的d-q直流分量；
则计及参数误差量的动车组网侧牵引整流器动态特性方程变化为：
对上式进行离散化，则得到d-q旋转坐标系下计及参数误差量的动车组网侧牵引整流器预测控制方程：
其中，k表示t对应的离散量，为当前采样时刻，k+1表示下一采样时刻；Ts为采样周期；iNd(k)、iNq(k)分别为整流器交流侧输入电流iN当前时刻离散化d-q直流分量；uabd(k)、uabq(k)分别为整流器输入电压uab当前时刻离散化d-q直流分量；fd(k)、fq(k)分别为参数误差量当前时刻离散化d-q直流分量；
则下一采样时刻整流器输入控制电压离散化d-q直流分量uabd(k)、uabq(k)满足：
3.根据权利要求2所述的基于状态观测器模型预测控制的高铁低频振荡抑制方法，其特征在于，所述步骤B中构建d-q旋转坐标系的一阶状态观测器模型的方法包括：将参数误差量扩展为新的系统状态变量，选取电流，参数误差量作为状态变量，则d-q旋转坐标系下计及参数误差量的动车组网侧牵引整流器动态特性方程变化为：
其中，x1d、x1q分别对应整流器交流侧输入电流iN当前时刻离散化d-q直流分量iNd(k)、iNq(k)；x2d，x2q分别对应参数误差量当前时刻离散化d-q直流分量fd(k)、fq(k)；hd，hq分别对应fd(k)、fq(k)的导数；
构建d-q旋转坐标系的一阶状态观测器模型
其中，z1d、z1q分别对应整流器交流侧输入电流iN当前时刻离散化d-q直流分量iNd(k)、iNq(k)的估计值；z2d，z2q分别对应参数误差量当前时刻离散化d-q直流分量fd(k)、fq(k)的估计值；β1d，β1q，β2d，β2q为一阶状态观测器增益系数，该系数影响状态观测器控制效果，通过极点分布图确定取值。
4.根据权利要求3所述的基于状态观测器模型预测控制的高铁低频振荡抑制方法，其特征在于，所述步骤C中下一采样周期整流器输入控制电压的离散化d-q直流分量uabd(k)、uabq(k)为：
所述步骤D中控制脉冲为：
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