CN110707977B - 一种直流侧电压振荡的抑制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流侧电压振荡的抑制方法及系统，应用于包含直线电机牵引系统的城轨车辆，包括：确定逆变器直流侧电压的电压振荡量；将电压振荡量转换为滑差频率补偿量，并补偿在直线电机的给定滑差频率上；根据补偿的给定滑差频率及直线电机的转子频率求取其定子频率，并根据定子频率重新确定矢量控制系统的同步旋转坐标变换公式中的坐标转换角度值；利用重新确定的矢量控制系统调整逆变器的输出以抑制振荡量。本申请对给定滑差频率进行补偿，并重新调整逆变器的输出，使直线电机消耗掉逆变器直流侧振荡的电压，从而不易引发直线电机的转矩脉动，进而不易触发牵引系统过压及过流故障保护，提高了牵引系统的稳定性及行车安全。

Description

一种直流侧电压振荡的抑制方法及系统

技术领域

本发明涉及振荡抑制技术领域，特别是涉及一种直流侧电压振荡的抑制方法及系统。

背景技术

目前，由于直线电机牵引系统具有爬坡能力强、拐弯半径小及造价低等优点，直线电机牵引系统广泛应用于城轨车辆。请参照图1，图1为现有技术中的一种直线电机牵引系统的矢量控制示意图。现有技术中，直线电机牵引系统由经LC滤波电路滤波后的直流电源供电，再由逆变器逆变后输出三相交流电至直线电机中三相对称的绕组a、b、c，其中，三相交流电的稳定基于矢量控制系统的控制。

矢量控制系统的具体控制过程包括：1)采集直线电机输入的三相交流电流i_a、i_b、i_c，并将i_a、i_b、i_c按照磁动势相等原则等效为互相垂直的两相绕组α、β输入的两相交流电流i_α、i_β，即从三相坐标系变换为两相坐标系；2)将i_α、i_β按照同步旋转坐标变换公式i_d＝i_αcosθ+i_βsinθ及i_q＝i_βcosθ-i_αsinθ变换为两个直流电流i_d、i_q，即从两相静止坐标系变换为两相旋转坐标系，其中，θ为坐标转换角度值；3)将直线电机的给定电流值

(给定磁动势F_e通过矢量控制给定计算求得)与i_d、i_q对应作差，并将两个差值对应经两个PI(proportion-integral，比例积分)控制器调节输出调制量U_sd、U_sq；4)将U_sd、U_sq从两相旋转坐标系变换为两相静止坐标系得到U_sα、U_sβ，并将U_sα、U_sβ经SVPWM(Space Vector Pulse WidthModulation，空间矢量脉宽调制)调制后控制逆变器中开关的开通状态，以便于逆变器调整输出的三相交流电。

但是，LC滤波电路的存在容易引起逆变器的直流侧电压振荡，进而引发直线电机的转矩脉动，从而易触发牵引系统过压及过流故障保护，影响行车安全。而现有的矢量控制系统只是控制逆变器的输出稳定，并不能消耗掉直流侧振荡的电压，进而无法抑制直流侧电压的振荡。

因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域的技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种直流侧电压振荡的抑制方法及系统，使直线电机消耗掉逆变器直流侧振荡的电压，起到抑制直流侧电压振荡的作用，从而不易引发直线电机的转矩脉动，进而不易触发牵引系统过压及过流故障保护，提高了牵引系统的稳定性及行车安全。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种直流侧电压振荡的抑制方法，应用于包含直线电机牵引系统的城轨车辆，包括：

确定逆变器直流侧电压的电压振荡量；

将所述电压振荡量转换为滑差频率补偿量，并补偿在直线电机的给定滑差频率上；

根据补偿的给定滑差频率及所述直线电机的转子频率求取其定子频率，并根据所述定子频率重新确定矢量控制系统的同步旋转坐标变换公式中的坐标转换角度值；

利用重新确定的矢量控制系统调整所述逆变器的输出以抑制所述振荡量。

优选地，所述确定逆变器直流侧电压的电压振荡量的过程具体为：

对逆变器的直流侧电压进行滤波处理，得到直流滤波电压；

将所述直流侧电压与所述直流滤波电压作差，得到电压振荡量。

优选地，所述对逆变器的直流侧电压进行滤波处理的过程具体为：

采用低通滤波器对逆变器的直流侧电压进行滤波处理。

优选地，所述低通滤波器具体为巴特沃斯滤波器。

优选地，所述将所述电压振荡量转换为滑差频率补偿量的过程具体为：

按照预设转换公式Δω＝ΔU*K将所述电压振荡量转换为滑差频率补偿量，其中，Δω为所述滑差频率补偿量，ΔU为所述电压振荡量，K为预设振荡抑制系数，当所述直线电机牵引时，K＞0；当所述直线电机制动时，K＜0。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种直流侧电压振荡的抑制系统，包括：

振荡确定模块，用于确定逆变器直流侧电压的电压振荡量；

滑差补偿模块，用于将所述电压振荡量转换为滑差频率补偿量，并补偿在直线电机的给定滑差频率上；

角度确定模块，用于根据补偿的给定滑差频率及所述直线电机的转子频率求取其定子频率，并根据所述定子频率重新确定矢量控制系统的同步旋转坐标变换公式中的坐标转换角度值；

抑制振荡模块，用于利用重新确定的矢量控制系统调整所述逆变器的输出以抑制所述振荡量。

优选地，所述振荡确定模块包括：

滤波处理单元，用于对逆变器的直流侧电压进行滤波处理，得到直流滤波电压；

振荡获取单元，用于将所述直流侧电压与所述直流滤波电压作差，得到电压振荡量。

优选地，所述滤波处理单元具体为低通滤波器。

优选地，所述滑差补偿模块具体用于按照预设转换公式Δω＝ΔU*K将所述电压振荡量转换为滑差频率补偿量，其中，Δω为所述滑差频率补偿量，ΔU为所述电压振荡量，K为预设振荡抑制系数，当所述直线电机牵引时，K＞0；当所述直线电机制动时，K＜0。

本发明提供了一种直流侧电压振荡的抑制方法，应用于包含直线电机牵引系统的城轨车辆，包括：确定逆变器直流侧电压的电压振荡量；将电压振荡量转换为滑差频率补偿量，并补偿在直线电机的给定滑差频率上；根据补偿的给定滑差频率及直线电机的转子频率求取其定子频率，并根据定子频率重新确定矢量控制系统的同步旋转坐标变换公式中的坐标转换角度值；利用重新确定的矢量控制系统调整逆变器的输出以抑制振荡量。

本申请结合直线电机的滑差频率对其转矩的快速响应特性，对给定滑差频率进行补偿，并根据补偿的给定滑差频率重新确定矢量控制系统，然后利用重新确定的矢量控制系统调整逆变器的输出，进而调节直线电机的转矩，使直线电机消耗掉逆变器直流侧振荡的电压，起到抑制直流侧电压振荡的作用，从而不易引发直线电机的转矩脉动，进而不易触发牵引系统过压及过流故障保护，提高了牵引系统的稳定性及行车安全。

本发明还提供了一种直流侧电压振荡的抑制系统，与上述抑制方法具有相同的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的一种直线电机牵引系统的矢量控制示意图；

图2为本发明提供的一种直流侧电压振荡的抑制方法的流程图；

图3为本发明提供的一种直线电机牵引系统直流侧电压振荡的抑制示意图；

图4为本发明提供的一种直流侧电压振荡的抑制系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种直流侧电压振荡的抑制方法及系统，使直线电机消耗掉逆变器直流侧振荡的电压，起到抑制直流侧电压振荡的作用，从而不易引发直线电机的转矩脉动，进而不易触发牵引系统过压及过流故障保护，提高了牵引系统的稳定性及行车安全。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图2，图2为本发明提供的一种直流侧电压振荡的抑制方法的流程图。

该抑制方法应用于包含直线电机牵引系统的城轨车辆，包括：

步骤S1：确定逆变器直流侧电压的电压振荡量；

需要说明的是，本申请中的预设是提前设置好的，只需要设置一次，除非根据实际情况需要修改，否则不需要重新设置。

具体地，首先，参照图1，对直线电机牵引系统的矢量控制系统的控制过程进行详细介绍：

1)已知直线电机中三相对称的静止绕组a、b、c，通以三相平衡的交流电流i_a、i_b、i_c时，会产生合成的磁动势F。多相电机模型等效的原则是：在不同的坐标系下所产生的磁动势完全一致。考虑到两相电机模型最简单，所以对互相垂直的两相静止绕组α、β通以两相平衡的交流电流i_α、i_β，也产生合成的电动势F，即三相电机模型等效成两相电机模型，也即三相坐标系到两相坐标系的变换。

所以，首先采集直线电机通入的三相交流电流i_a、i_b、i_c，并将i_a、i_b、i_c从三相坐标系变换为两相坐标系中的两相交流电流i_α、i_β。

2)已知通入两相交流电流i_α、i_β的两相电机和通入两个直流电流i_d、i_q的两相电机若以同步转速旋转，产生相等的合成磁动势F，则实现两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换。其中，同步旋转坐标变换公式为：i_d＝i_αcosθ+i_βsinθ及i_q＝i_βcosθ-i_αsinθ，θ为坐标转换角度值。具体地，i_d通入两相电机的励磁线圈，用来产生电磁场，称为励磁电流；i_q通入两相电机的转子，使转子能够在电磁场的作用下旋转，并拖动负载，称为转矩电流。

所以，将两相交流电流i_α、i_β按照同步旋转坐标变换公式变换为励磁电流i_d及转矩电流i_q。

3)将直线电机的给定励磁电流

及给定转矩电流

与i_d、i_q对应作差，并将两个差值对应经两个PI控制器调节输出调制量U_sd、U_sq。

4)将调制量U_sd、U_sq从两相旋转坐标系变换为两相静止坐标系得到U_sα、U_sβ，并将U_sα、U_sβ经SVPWM调制后控制逆变器中开关的开通状态，以便于逆变器调整输出的三相交流电，完成直线电机牵引系统的矢量控制系统。

考虑到逆变器的直流侧电压容易振荡，而现有的矢量控制系统并未对振荡的直流侧电压作出调整，所以本申请首先从振荡的直流侧电压分析，确定直流侧电压的电压振荡量，为后续抑制直流侧电压的振荡打下基础。

步骤S2：将电压振荡量转换为滑差频率补偿量，并补偿在直线电机的给定滑差频率上；

具体地，本申请考虑到改变直线电机的转矩可以调节功率，若增大直线电机的转矩，便可以消耗掉直流侧振荡的电压，而直线电机的转矩由转矩电流控制；本申请还考虑到直线电机的电气特性：直线电机的滑差频率对转矩特性的影响比较敏感；所以，本申请将电压振荡量转换为滑差频率补偿量，并补偿在直线电机的给定滑差频率上，即当前滑差频率＝给定滑差频率+滑差频率补偿量。

步骤S3：根据补偿的给定滑差频率及直线电机的转子频率求取其定子频率，并根据定子频率重新确定矢量控制系统的同步旋转坐标变换公式中的坐标转换角度值；

具体地，已知滑差频率＝直线电机的定子频率-转子频率，所以直线电机当前的定子频率＝当前滑差频率+转子频率，直线电机的转子频率由其转速计算求得。然后，对直线电机当前的定子频率进行积分得到角度值，将得到的角度值作为矢量控制系统的同步旋转坐标变换公式中的坐标转换角度值，从而更新矢量控制系统。

步骤S4：利用重新确定的矢量控制系统调整逆变器的输出以抑制振荡量。

具体地，在矢量控制系统更新后，逆变器的输出相应变化，从而快速调节直线电机的转矩，使直线电机消耗掉逆变器直流侧振荡的电压，起到抑制直流侧电压振荡的作用。实质上，通过对直线电机的滑差频率的补偿，反映的是转矩特性的改变，而矢量控制系统是滑差频率影响转矩的具体实现环节，从而不易引发直线电机的转矩脉动，进而不易触发牵引系统过压及过流故障保护，提高了牵引系统的稳定性及行车安全。

本发明提供了一种直流侧电压振荡的抑制方法，应用于包含直线电机牵引系统的城轨车辆，包括：确定逆变器直流侧电压的电压振荡量；将电压振荡量转换为滑差频率补偿量，并补偿在直线电机的给定滑差频率上；根据补偿的给定滑差频率及直线电机的转子频率求取其定子频率，并根据定子频率重新确定矢量控制系统的同步旋转坐标变换公式中的坐标转换角度值；利用重新确定的矢量控制系统调整逆变器的输出以抑制振荡量。

本申请结合直线电机的滑差频率对其转矩的快速响应特性，对给定滑差频率进行补偿，并根据补偿的给定滑差频率重新确定矢量控制系统，然后利用重新确定的矢量控制系统调整逆变器的输出，进而调节直线电机的转矩，使直线电机消耗掉逆变器直流侧振荡的电压，起到抑制直流侧电压振荡的作用，从而不易引发直线电机的转矩脉动，进而不易触发牵引系统过压及过流故障保护，提高了牵引系统的稳定性及行车安全。

在上述实施例的基础上：

作为一种优选地实施例，确定逆变器直流侧电压的电压振荡量的过程具体为：

对逆变器的直流侧电压进行滤波处理，得到直流滤波电压；

将直流侧电压与直流滤波电压作差，得到电压振荡量。

进一步地，本申请中电压振荡量的求取过程具体包括：1)对逆变器的直流侧电压进行滤波处理，滤除直流侧电压的电压振荡量，得到直流滤波电压；2)将逆变器的直流侧电压与直流滤波电压作差，即带有电压振荡量的直流侧电压与滤除电压振荡量的直流侧电压作差，从而得到电压振荡量。

作为一种优选地实施例，对逆变器的直流侧电压进行滤波处理的过程具体为：

采用低通滤波器对逆变器的直流侧电压进行滤波处理。

更进一步地，本申请可以采用低通滤波器对逆变器的直流侧电压进行滤波处理，低通滤波器是容许低于截止频率的信号通过、不容许高于截止频率的信号通过的电子滤波装置。本申请还可以采用其他滤波装置或滤波电路对逆变器的直流侧电压进行滤波处理，本申请在此不作特别的限定。

作为一种优选地实施例，低通滤波器具体为巴特沃斯滤波器。

具体地，本申请中的低通滤波器可以选用巴特沃斯滤波器，巴特沃斯滤波器在通频带内外都有平稳的幅频特性。至于低通滤波器的具体选用，本申请在此不作特别的限定。

作为一种优选地实施例，将电压振荡量转换为滑差频率补偿量的过程具体为：

按照预设转换公式Δω＝ΔU*K将电压振荡量转换为滑差频率补偿量，其中，Δω为滑差频率补偿量，ΔU为电压振荡量，K为预设振荡抑制系数，当直线电机牵引时，K＞0；当直线电机制动时，K＜0。

进一步地，本申请中电压振荡量到滑差频率补偿量的转换过程具体包括：按照所设置的转换公式Δω＝ΔU*K，实现电压振荡量到滑差频率补偿量的转换，即电压振荡量ΔU乘以所设置的振荡抑制系数K，得到滑差频率补偿量Δω。其中，当直线电机牵引时，K＞0；当直线电机制动时，K＜0。至于K的具体数值，根据实际情况设置。

此外，请参照图3，图3为本发明提供的一种直线电机牵引系统直流侧电压振荡的抑制示意图，图3所体现的是上述所提出的直流侧电压振荡的抑制策略，其中，U_d为直流侧电压，

为直流滤波电压，

为给定滑差频率，ω₁为定子频率，ω_n为转子频率，v为转速。

请参照图4，图4为本发明提供的一种直流侧电压振荡的抑制系统的结构示意图。

该抑制系统包括：

振荡确定模块1，用于确定逆变器直流侧电压的电压振荡量；

滑差补偿模块2，用于将电压振荡量转换为滑差频率补偿量，并补偿在直线电机的给定滑差频率上；

角度确定模块3，用于根据补偿的给定滑差频率及直线电机的转子频率求取其定子频率，并根据定子频率重新确定矢量控制系统的同步旋转坐标变换公式中的坐标转换角度值；

抑制振荡模块4，用于利用重新确定的矢量控制系统调整逆变器的输出以抑制振荡量。

作为一种优选地实施例，振荡确定模块1包括：

滤波处理单元，用于对逆变器的直流侧电压进行滤波处理，得到直流滤波电压；

振荡获取单元，用于将直流侧电压与直流滤波电压作差，得到电压振荡量。

作为一种优选地实施例，滤波处理单元具体为低通滤波器。

作为一种优选地实施例，滑差补偿模块2具体用于按照预设转换公式Δω＝ΔU*K将电压振荡量转换为滑差频率补偿量，其中，Δω为滑差频率补偿量，ΔU为电压振荡量，K为预设振荡抑制系数，当直线电机牵引时，K＞0；当直线电机制动时，K＜0。

本申请提供的抑制系统的介绍请参考上述抑制方法实施例，本申请在此不再赘述。

还需要说明的是，在本说明书中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种直流侧电压振荡的抑制方法，其特征在于，应用于包含直线电机牵引系统的城轨车辆，包括：

确定逆变器直流侧电压的电压振荡量；

将所述电压振荡量转换为滑差频率补偿量，并补偿在直线电机的给定滑差频率上；

根据补偿的给定滑差频率及所述直线电机的转子频率求取其定子频率，并根据所述定子频率重新确定矢量控制系统的同步旋转坐标变换公式中的坐标转换角度值；

利用重新确定的矢量控制系统调整所述逆变器的输出以抑制所述振荡量；

所述将所述电压振荡量转换为滑差频率补偿量的过程具体为：

按照预设转换公式△ω＝△U*K将所述电压振荡量转换为滑差频率补偿量，其中，△ω为所述滑差频率补偿量，△U为所述电压振荡量，K为预设振荡抑制系数，当所述直线电机牵引时，K＞0；当所述直线电机制动时，K＜0。

2.如权利要求1所述的直流侧电压振荡的抑制方法，其特征在于，所述确定逆变器直流侧电压的电压振荡量的过程具体为：

对逆变器的直流侧电压进行滤波处理，得到直流滤波电压；

将所述直流侧电压与所述直流滤波电压作差，得到电压振荡量。

3.如权利要求2所述的直流侧电压振荡的抑制方法，其特征在于，所述对逆变器的直流侧电压进行滤波处理的过程具体为：

采用低通滤波器对逆变器的直流侧电压进行滤波处理。

4.如权利要求3所述的直流侧电压振荡的抑制方法，其特征在于，所述低通滤波器具体为巴特沃斯滤波器。

5.一种直流侧电压振荡的抑制系统，其特征在于，包括：

振荡确定模块，用于确定逆变器直流侧电压的电压振荡量；

滑差补偿模块，用于将所述电压振荡量转换为滑差频率补偿量，并补偿在直线电机的给定滑差频率上；

角度确定模块，用于根据补偿的给定滑差频率及所述直线电机的转子频率求取其定子频率，并根据所述定子频率重新确定矢量控制系统的同步旋转坐标变换公式中的坐标转换角度值；

抑制振荡模块，用于利用重新确定的矢量控制系统调整所述逆变器的输出以抑制所述振荡量；

所述滑差补偿模块具体用于按照预设转换公式△ω＝△U*K将所述电压振荡量转换为滑差频率补偿量，其中，△ω为所述滑差频率补偿量，△U为所述电压振荡量，K为预设振荡抑制系数，当所述直线电机牵引时，K＞0；当所述直线电机制动时，K＜0。

6.如权利要求5所述的直流侧电压振荡的抑制系统，其特征在于，所述振荡确定模块包括：

滤波处理单元，用于对逆变器的直流侧电压进行滤波处理，得到直流滤波电压；

振荡获取单元，用于将所述直流侧电压与所述直流滤波电压作差，得到电压振荡量。

7.如权利要求6所述的直流侧电压振荡的抑制系统，其特征在于，所述滤波处理单元具体为低通滤波器。

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