CN110601220A - 用于抑制周期性扰动对牵引系统中的参量的影响的方法和布置 - Google Patents

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Abstract

一种用于抑制第一周期性扰动(d)对在铁道车辆上的牵引系统中的参量(y)的影响的方法，包括以下步骤：测量所述参量，将自适应算法(K)应用于所述参量的测量结果从而计算第二周期性扰动(u)，该第二周期性扰动(u)在被应用于系统时将会使得所述第一和第二周期性扰动对所述参量的总影响最小，以及应用所述第二周期性扰动(u)以影响所述参量(y)。

Description

用于抑制周期性扰动对牵引系统中的参量的影响的方法和 布置
技术领域
本发明涉及用于抑制第一周期性扰动对铁道车辆上的牵引系统中的参量的影响的方法以及用于这种抑制的布置。
该系统可以是任意类型的，尽管电气系统作为示例被提出。
“周期性扰动”被解释为正弦扰动或者可以通过有限数量的正弦影响的和来近似的扰动。
在具有单相交流电源的牵引系统的情形中，将会产生形式为在与铁道车辆上的整流器的输出连接的直流中间链路上的电压的二次谐波分量的第一周期性扰动，这意味着周期性扰动的频率是周期性单相交流电源电压的频率的两倍。这样的二次谐波然后将直接影响铁道车辆上的逆变器的输出电压，该输出电压用于给铁道车辆上的牵引马达以及辅助负载(诸如风扇、泵、压缩机等)供应电力。这样的二次谐波必须要被抑制，以确保电力脉动不会导致马达扭矩脉动，马达扭矩脉动不仅会损坏机械系统，还会产生恼人的噪音并产生额外的马达功率损耗。这个问题通常通过在直流中间链路中安装物理二次谐波滤波器来解决。这些滤波器然后被调谐，以有效地对振荡功率分量进行分流，并因此使直流中间链路上的电压保持恒定。但是，二次谐波滤波器增加系统的重量、空间和功率损耗。为此，希望提供所述方法，该方法能够去除这些滤波器，并且作为代替通过对在给所述马达和/或辅助负载供应电能时充当逆变器并在沿相反方向供应电能时充当整流器的变换器的改进控制来抑制例如二次谐波扭矩振荡。
背景技术
对于对形式为二次谐波直流中间链路电压振荡的第一周期性扰动的影响的抑制，在文献中已经提出了几种类型的方法，例如依赖于高带宽闭环电流或扭矩控制的反馈方法，调节逆变器调制指数且仅可适用于所谓的电压控制范围的前馈方法，以及原则上在电压控制范围中和在场弱化范围中都工作的调节逆变器输出频率的前馈方法。
但是，这些方法都不能够优化所有操作点处的抑制。
发明内容
本发明的目的是提供根据相应的所附权利要求的前序部分所述的方法和布置，其通过解决以上所讨论的问题而相对于已知的此类方法和布置被改进。
该目的是关于通过提供具有在所附专利权利要求1的特征部分中列出的特征的此类方法而获得的根据本发明的方法。
因此，通过测量有问题的参量、对该测量的结果应用自适应算法以便计算在被应用于系统时将会使所述第一和第二周期性扰动对参量的总影响最小的第二周期性扰动以及应用第二周期性扰动来影响所述参量，提供一种类型的自适应前馈补偿技术，通过该技术在所有操作条件下的性能都被优化。而且，由于所提出的抑制算法自动调节参数以优化对扰动的抑制，所以它能够直接添加到现有控制之上。也就是，不需要修改已经针对同一任务的其他功能。因而，不以任何方式来去除所述第一周期性扰动，而是施加第二周期性扰动从而使得抑制第一周期性扰动对有问题参量的影响。
根据本发明的一个实施例，方法包括在步骤b)之前执行的测量所述第一周期性扰动的另一步骤d)，并且在步骤b)中，对第一周期性扰动的测量的结果在将所述自适应算法应用于所述参量的测量结果时被使用。通过测量第一周期性扰动，该抑制可以进一步改进，以对所述系统的操作条件的改变作出更快速的反应。
根据本发明的另一个实施例，频率与所述第一周期性扰动相同的所述第二周期性扰动在步骤b)中计算，并且在步骤c)中被应用以影响所述参量，这将会使得所述第一周期性扰动对所述参量的影响得以有效抑制。
根据本发明的另一个实施例，该方法包括在步骤d)之后执行的确定在第一周期性扰动与所述参量之间的相移的另一个步骤e)，并且在步骤b)中，所确定的该相移的值在将自适应算法应用于所述参量的测量结果时被使用。可以看出，应用于所述自适应算法的在第一周期性扰动与所述参量之间的相移使得能够有效地抑制所述第一周期性扰动对所述参量的影响。
根据本发明的另一个实施例，当在步骤b)中将所述自适应算法应用于所述参量的测量结果时，还使用在步骤d)中测量的第一周期性扰动的幅度的值。这是优选的，因为对于线性系统，所需的抑制作用应当与扰动的幅度成比例。
根据本发明的另一个实施例，受到抑制的正是形式为电气系统中的交流分量的第一周期性扰动对所述系统中的参量的影响。根据本发明的另一个实施例，该方法然后可以被应用于具有导致所述第一周期性扰动的单相交流电源的系统，所述第一周期性扰动优选以电气系统的直流中间链路上的电压的二次谐波的形式，优选地具有为所述单相交流电源的频率的两倍的频率。这样的方法将会使得能够去除铁道车辆上的牵引系统中的二次谐波滤波器，并且因此节省成本、重量、空间和功率损耗。该方法还可以被用来改进例如使用调谐不良的物理滤波器的二次谐波扭矩抑制，或者以老化的滤波器构件也确保良好的扭矩扰动抑制。
根据本发明的另一个实施例，在步骤a)中测量的参量是机械参量，诸如，用于推进车辆的由与所述直流中间链路连接的逆变器供电的电动马达产生的扭矩。该方法然后将会去除施加于轮轴和马达构件的扭矩脉动。
根据本发明的另一个实施例，在步骤a)中测量的参量是电气参量，诸如，用于给用于车辆推进的电动马达或车辆中的辅助负载(如风扇、泵、压缩机等)供应电力的与所述直流中间链路连接的逆变器的输出电流。
本发明的目的是关于通过提供根据所附的独立的布置权利要求所述的布置而获得的布置的。这样的布置的以及在从属的布置权利要求中所限定的实施例的优点从以上对根据本发明的方法的讨论中可清楚地看出。
本发明还涉及根据针对其的所附权利要求所述的计算机程序、计算机程序产品、电子控制单元和铁道车辆。
本发明的其他优势以及有利特征从以下随后的描述中将可以看出。
附图说明
以下随后是参考附图对作为示例引用的本发明的实施例的具体描述。
在附图中：
图1非常示意性地示出了用于从单相交流电源给有轨车辆上的电机和辅助负载供应电力的系统，该图被用来解释根据本发明的一个实施例的方法，
图2示出了本发明所基于的原理，
图3示意性地示出了根据本发明的一个实施例的方法的一部分，
图4和5是示出对直流中间链路电压以及由铁道车辆的电动马达产生的扭矩的根据本发明的方法的应用的仿真结果的曲线图，以及
图6是示出用于实现根据本发明的方法的电子控制单元的示意图。
具体实施方式
如引言中所述，本发明的一个有趣的实施例是使用一种方法及其布置来抑制在具有单相交流电源的牵引系统中的周期性扰动的影响，并且现在将首先参考图1来公开本实施例。图1示意性地示出了铁道车辆1如何与单相交流电力电源线2连接，该单相交流电力电源线2可以例如输送15kV和16 2/3Hz(瑞典)的以及25kV和50Hz(丹麦)的交变电压。这样的单相交变交流电源的其他水平的电压和频率当然也是可想得到的。车辆具有用于将来自电源线2的电压转换到合适的水平的变压器3。变压器的次级绕组与变换器4连接，从而对电压进行整流并且使得能够实现对在车辆上的电源线和电力消耗者之间的功率流的控制。这样从变换器的交流侧转换到变换器的直流侧的电功率P(t)将如下式进行计算。
根据该式可看出，所转换的功率含有具有高达变换器4的交流侧的频率的两倍的频率(2ω)并因此具有二次谐波的交流分量。如果不采取措施来抑制这样的二次谐波对这些功率的影响，该二次谐波可能会在用于车辆推进的电机以及车辆上的辅助负载中导致严重的功率脉动。这显示了直流中间链路5是如何与变换器6连接的，变换器6在从交流电源线2给车辆供应电力时充当逆变器，并且在沿相反方向供应电力时(诸如在车辆制动时)充当整流器。变换器6的输出与电机(马达)7、8连接，用于车辆的推进。另一个变换器6’与变换器6并联连接，并且被配置用于给辅助负载9(诸如风扇、泵、压缩机等)提供来自交流电源线2的电功率。
图示出了可以如何将形式为所谓的第二谐波链路的LC滤波器10应用于电气系统以抑制二次谐波，但是这样的滤波器使系统增加成本、重量、空间及功耗，而本发明的目的是要使这样的滤波器变为多余的。
图2示出了如何通过应用根据本发明的方法来达到该目的。图示出了形式为所述二次谐波的第一周期性扰动d如何影响牵引系统G。受第一周期性扰动影响的参量y(例如，由电机7、8产生的扭矩或者在变换器6的输出上的电流)通过部件11来测量，并且自适应算法K由控制单元12应用于参量y的测量结果上，从而计算出第二周期性扰动u，该第二周期性扰动u在被应用于系统时会使得第一周期性扰动d和第二周期性扰动u对参量y的总影响最小，并且这样计算出的这个第二周期性扰动然后被应用以影响参量y。据此将会有效地抑制第一周期性扰动d(在此为二次谐波)对参量y的影响。此外，通过以部件20来测量第一周期性扰动d并且在将所述自适应算法应用于参量y的测量结果时使用这个测量的结果，对d的快速变化的反应将会得到改善，但是在不测量第一周期性扰动的情况下，该方法在某些应用中的表现也很好。
扰动d将会在参量y上导致周期性(正弦)分量yd(t)，其表示如下
其中下标d被添加以表示它是由扰动d(t)生成的。因而，将被应用于系统以消除由扰动d引起的振荡yd(t)的u(t)必须通过将自适应算法应用于y(t)的测量结果来计算出。用于实现这些的第二周期性扰动可以写成
其中幅度au和相位因此是要随操作点而更新的设计变量。如果测量扰动d，可以使用
au＝kuad (4)
其中ad和是扰动的幅度和相位，并且ku和是新的设计变量。自适应算法的任务是调节式(3)中的添加的输入分量u(t)的幅度au和相位以消除由应用于系统上的u(t)和d(t)引起的y上的总输出分量。算法的输入是输出y上的(正弦)扰动和(正弦)扰动d的相角和之差，并且添加了三个设计参数α、Ki和Ki2。后两个设计参数控制着收敛速度，然而参数α已经被添加，以使吸引域最大化。
图3示出了如何实现对补偿参数ku和的调节。注意，只有扰动和总输出的幅角(arguments)而非幅度被用作图3中的自适应算法的输入。
对没有二次谐波滤波器的牵引系统的仿真已经在没有使用本发明的布置以将根据本发明的方法应用于其上的情况下以及在具有这样的布置和应用于其上的方法的情况下完成。这些仿真的结果示于图4和图5中。图4示出了中间直流链路电压U的二次谐波分量(100Hz)的振荡幅度与铁道车辆的电机的定子频率，而图5示出了由电机产生的扭矩M的二次谐波分量(100Hz)的振荡幅度与所述频率。wo是不使用本发明，而wi是使用本发明的自适应算法。可看出，根据本发明的方法对于消除马达扭矩的所述二次谐波非常有效。从图4可看出，根据本发明的方法确实同样对直流电压的振荡幅度有影响，这意味着扭矩的振荡在没有根据本发明的方法的情况下对进一步增大电压的振荡有贡献。
用于实现根据本发明的方法的计算机程序代码有利地包含于计算机程序中，该计算机程序能够被读入计算机的内存，例如有轨车辆的电子控制单元的内存。这样的计算机程序被有利地设置为计算机程序产品，该计算机程序产品包含能够由计算机读取并且具有存储于其上的计算机程序的数据存储介质。图6非常示意性地示出了电子控制单元12，其包含执行装置13，例如，用于执行计算机软件的中央处理单元(CPU)。执行装置13经由数据总线15与例如RAM类型的存储器14通信。控制单元12还包括非易失性数据存储介质16，例如，形式为闪存或者ROM、PROM、EPROM或EEPROM类型的存储器。执行装置13经由数据总线15与数据存储介质16通信。计算机程序包含用于实现根据本发明的方法的计算机程序代码。
当然，本发明决不限定于以上所述的实施例，因为对本领域技术人员而言，在不必脱离所附权利要求所限定的本发明的范围的情况下对所述实施例进行修改的许多可能性是显而易见的。
受第一周期性扰动影响的参量可以是，但并非必须是电气参量。例如，它可以是如上所述的扭矩。并且它还可以与系统的电力供给没有真正的联系。例如，参量可以是铁道车辆的速度。速度值可以通过以具有某些缺陷的机械构件来测量车辆的轮轴的旋转数量而获得。通过添加第二周期性扰动，可以获得正确的速度值。

Claims (15)

1.一种用于抑制第一周期性扰动(d)对铁道车辆(1)上的牵引系统中的参量(y)的影响的方法，
其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a)测量所述参量(y)，
b)将自适应算法(K)应用于所述参量(y)的测量的结果从而计算第二周期性扰动(u)，所述第二周期性扰动(u)在应用于所述系统时会使所述第一周期性扰动和第二周期性扰动对所述参量的总影响最小，以及
c)应用所述第二周期性扰动(u)以影响所述参量(y)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括另一个步骤d)，所述步骤d)在步骤b)之前执行，用于测量所述第一周期性扰动(d)，并且在步骤b)中，所述第一周期性扰动的测量的结果在将所述自适应算法(K)应用于所述参量(y)的测量的结果时使用。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，频率与所述第一周期性扰动(d)相同的所述第二周期性扰动(u)在步骤b)中被计算并且在步骤c)中被应用以影响所述参量(y)。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法包括另一个步骤e)，所述步骤e)在步骤d)之后执行，用于确定在所述第一周期性扰动(d)与所述参量(y)之间的相移，并且在步骤b)中，所确定的所述相移的值在将所述自适应算法(K)应用于所述参量的测量的结果时使用。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤b)中在将所述自适应算法(K)应用于所述参量(y)的测量的结果时，还使用在步骤d)中测量的所述第一周期性扰动(d)的幅度(ad)的值。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，形式为电气系统中的交流分量的第一周期性扰动(d)对所述系统中的参量的影响受到抑制。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法被应用于具有导致所述第一周期性扰动(d)的单相交流电源(2)的系统，所述第一周期性扰动(d)优选地以所述电气系统的直流中间链路(5)上的电压的二次谐波的形式，优选地具有所述单相交流电源的频率的两倍的频率。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤a)中测量的所述参量(y)是机械参量，诸如由通过与所述直流中间链路(5)连接的逆变器(6)供电的用于所述车辆的推进的电动马达(7，8)所产生的扭矩。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤a)中测量的所述参量(y)是电气参量，诸如与所述直流中间链路(5)连接的逆变器(6)的输出电流，所述输出电流用于给用于所述车辆的推进的电动马达(7，8)或者所述车辆中的诸如风扇、泵、压缩机等的辅助负载(9)供应电力。
10.一种用于抑制第一周期性扰动(d)对铁道车辆(1)上的牵引系统中的参量(y)的影响的布置，
其特征在于，所述布置包括
·配置用于测量所述参量的部件(11)，以及
·配置用于接收来自所述部件的关于所述参量的信息的控制单元(12)，
·所述控制单元被配置用于将自适应算法(K)应用于其上以便计算第二周期性扰动(u)，并且应用所述第二周期性扰动(u)以影响所述参量(y)，所述第二周期性扰动(u)在应用于所述系统时会使所述第一周期性扰动和第二周期性扰动对所述参量的总影响最小。
11.根据权利要求10所述的布置，其特征在于，所述布置还包括配置用于测量所述第一周期性扰动(d)的部件(20)，并且所述控制单元(12)被配置用于在将所述自适应算法(K)应用于所述参量(y)的测量的结果时使用所述第一周期性扰动(d)的测量的结果。
12.一种计算机程序，包含计算机程序代码，用于在所述计算机程序由计算机执行时促使计算机实现根据权利要求1-9中的任一项所述的方法。
13.一种计算机程序产品，包含能够由计算机读取的且根据权利要求12所述的计算机程序的程序代码存储于其上的非易失性数据存储介质。
14.一种电子控制单元，包含执行装置(13)、与所述执行装置连接的存储器(4)以及与所述执行装置(13)连接且根据权利要求12所述的计算机程序的计算机程序代码存储于其上的非易失性数据存储介质(16)。
15.一种铁道车辆，其特征在于，所述铁道车辆设置有根据权利要求10或11中的任一项所述的布置或者根据权利要求14所述的电子控制单元(12)。
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