CN110874064B - 一种高速铁路牵引网-多车耦合系统半实物仿真实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高速铁路牵引网‑多车耦合系统半实物仿真实验系统，包括dSPACE实时仿真器、实物控制器和PC上位机；dSPACE实时仿真器通过物理数据传输线经IO接口将模拟电气量传输给实物控制器；实物控制器将控制算法输出的PWM波通过数字IO口传输给dSPACE实时仿真器，控制IGBT的导通与关断；PC上位机与dSPACE实时仿真器进行通讯连接，用于仿真系统主电路建模、模型编译、模型下载、模型数据实时监视以及机车控制代码的编译和下载；实物控制器包括开关电源模块、系统管理控制器、模拟量公共输入模块、线路集中控制模块和脉冲转换模块。本发明能够复现8台高速铁路动车运行工况，全面研究低频振荡、谐波谐振以及谐波不稳定等高速铁路牵引网‑多车耦合系统的稳定性问题。

Description

一种高速铁路牵引网-多车耦合系统半实物仿真实验系统

技术领域

本发明涉及轨道交通车网电气关系技术领域，具体为一种高速铁路牵引网-多车耦合系统半实物仿真实验系统。

背景技术

近年来，随着我国电气化铁路运营里程数的增加和运力的需求，“交-直-交”电力机车和动多编车组(EMUs, Electric Multiple Units，统称机车)高密度投入使用。大量电力电子变换器接入牵引网，使得铁路多车并联系统(简称车网系统)成为一个典型的单相电力电子化系统。机车是车网系统中典型的谐波和干扰源，其高密度的投入会降低牵引网的电压和电能质量，进一步恶化车网系统的稳定性和安全性。此外，牵引网不仅向机车提供能量，还吸收机车注入的谐波和再生的电能。由于接入牵引网的不同机车的控制模式、数量、位置和负载条件不同，其与牵引网之间的交互作用呈现不同的动态特性，从而引发一系列不稳定问题，如低频振荡、谐波谐振以及谐波不稳定。

低频振荡现象通常发生在同一供电臂下大量机车同时静置升弓取流时刻。表现为牵引网电压、电流以及直流侧电压等多个电气量周期性振荡，振荡频率主要集中在3-7Hz。2008-2014年，在北京、沈阳、上海、徐州、大同等地动车所和机务段均出现了因牵引网电压低频波动而引起的牵引封锁，造成机车无法正点发车。谐波谐振是车网系统中电容性网络与电感性网络在某一频率下频繁地无功功率交换的结果，其振荡频率主要集中在几百至几千赫兹。而谐波不稳定是车网系统低阻尼谐波共振的结果，其振荡频率主要集中在几百赫兹。谐波谐振和谐波不稳定均会引起危险的谐波过电压，同时放大谐波电流，进一步造成网络节点谐波电压的严重畸变，从而形成一个正反馈。不仅占用系统的有效容量，还会导致牵引供电系统设备误动作甚至损坏。因此，研究各类不稳定现象产生机理及相应的抑制措施具有重要意义。

对于车网系统而言，可从车侧和网侧两个方面入手抑制各类不稳定现象。目前，从机车方面来看，主要措施有改变机车控制参数、优化机车控制策略、增设功率振荡抑制环节等。从牵引网方面来看，主要措施有限制机车数目、减小牵引网距离、增大牵引变电所容量、增设网侧无功补偿装置等。

国内外学者对车网系统不稳定现象的产生机理及抑制措施展开了一系列的研究。由于整个车网系统十分庞大，涵盖数十上百个整流器。目前，在实验验证方面，主要缺少能反映多车接入牵引网真实情况的实验平台。难以验证所提出的各类不稳定现象产生机理的真实性以及各种抑制措施在实际车网系统中的应用效果。因此，为车网系统稳定性的全面研究提供一个多车-牵引网耦合系统的实验平台显得尤为重要。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种有助于克服现有高速铁路牵引网-多车耦合系统实时并行接口处理、弱电网强耦合电路解耦等一系列难点的高速铁路牵引网-多车耦合系统半实物仿真实验系统。技术方案如下：

一种高速铁路牵引网-多车耦合系统半实物仿真实验系统，包括dSPACE实时仿真器、实物控制器和PC上位机；

所述dSPACE实时仿真器通过物理数据传输线经IO接口将模拟电气量传输给实物控制器；实物控制器将控制算法输出的PWM波通过数字IO口传输给dSPACE实时仿真器，控制IGBT的导通与关断；所述PC上位机与dSPACE实时仿真器进行通讯连接，用于仿真系统主电路建模、模型编译、模型下载、模型数据实时监视以及机车控制代码的编译和下载；

所述实物控制器包括开关电源模块和驱动控制单元（DCU，Drive Control Unit）；

所述驱动控制单元包括系统管理控制器、模拟量公共输入模块、线路集中控制模块和脉冲转换模块；

所述开关电源模块与实验平台的直流电源相连，通过通断操作实现实物控制电路的得电和失电；

所述系统管理控制器对电源按钮操作做出响应，并对异常情况进行反应和处理；

所述模拟量公共输入模块采集dSPACE实时仿真器输出的模拟信号并进行处理；

所述线路集中控制模块核心是DSP控制器，用于实现运用瞬态电流控制、有功无功电压电流解耦控制、无源控制、H∞控制、滑模控制或模型预测控制的数字运算，生成数字信号；

所述脉冲转换模块将线路集中控制模块生成的数字控制信号以脉冲信号发出输入到dSPACE实时仿真器的IO口。

进一步的，通过所述dSPACE实时仿真器模拟牵引网模型、高速铁路机车电路模型以及车载变压器；所述牵引网模型包括全并联AT链式网络模型和降阶模型，所述高速铁路机车电路模型包括CRH3型动车组模型和CRH5型动车组模型；所述CRH3型动车组模型包括车侧滤波电路、单相两重化脉冲整流器、LC谐振电路、直流侧滤波电容、逆变器、牵引电机；所述CRH5型动车组模型包括车侧滤波电路、单相两重化脉冲整流器、直流侧滤波电容、逆变器、牵引电机。

更进一步的，在所述PC上位机上，通过SpaceR软件将MATLAB/Simulink建立的数学模型导入dSPACE实时仿真器中；通过ControlDesk软件，动态调整dSPACE实时仿真器导入的牵引网-多车耦合系统的电路参数和控制参数，并实时监测牵引网-多车耦合系统各个端口的电压电流信号，显示系统运行状态，记录数据和保存波形；通过CSR-Drive软件将瞬态电流控制、有功无功电压电流解耦控制、无源控制等控制代码烧写到实物控制器DSP芯片中。

更进一步的，每台dSPACE实时仿真器与4个实物控制器放置在一个机柜中；机柜还包括一个直流可编程电源为dSPACE实时仿真器和实物控制器供电，所述直流可编程电源的工作环境为220V三相交流电，输出为110V直流电压。

更进一步的，所述PC上位机通过1000M以太网分别与所述dSPACE实时仿真器和实物控制器相连。

本发明的有益效果是：

1）本发明提供的半实物仿真实验平台及其控制系统中，机车牵引变流器使用实物控制电路机箱，能够反映车网系统真实的运行情况。

2）本发明提供的半实物仿真实验平台及其控制系统中，所述实验平台最多可以供96台并联的牵引变流器(即8台和谐号CRH3型、CRH5型电力动车组或最多24台和谐号HXD型机车)同时工作，为变流器群体行为的研究提供了重要的仿真工具。

3）本发明提供的半实物仿真实验平台及其控制系统中，所述实验平台可以重现车网系统的低频振荡现象，分析主电路以及控制器参数对车网低频稳定性的影响，实现系统各部件参数的最优配置。

4）本发明提供的半实物仿真实验平台及其控制系统中，所述实验平台可以测试不同控制策略在实际车网系统中对低频振荡现象的抑制效果。

5）本发明提供的半实物仿真实验平台及其控制系统中，可以通过在dSPACE实时仿真器中加入无功补偿装置模型，验证无功补偿装置在实际车网系统中对低频振荡现象的抑制效果。

6）本发明提供的半实物仿真实验平台及其控制系统中，可以通过SpaceR软件直接将MATLAB/Simulink下建立的动态系统数学模型应用于实时仿真，利用dSPACE实时仿真器自带的ControlDesk试验工具软件包能够动态地调整车网系统的电路参数和控制参数，可以实时监视车网系统的电压、电流信号，显示系统的状态，记录所需的数据和波形。

7）本发明提供的半实物仿真实验平台及其控制系统，攻克了大系统实时并行接口处理、模型计算合理降阶解算、弱电网强耦合电路解耦等一系列难点，具有电路规模大、节点多、计算量大的特点。

附图说明

图1为本发明提供的半实物仿真实验平台及其控制系统中，高速铁路多车-牵引网耦合系统实验平台实验流程图。

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。一种高速铁路牵引网-多车耦合系统半实物仿真实验系统，包括高速铁路牵引网-多车耦合系统半实物仿真实验平台及其控制系统，所述高速铁路牵引网-多车耦合系统仿真实验平台包含dSPACE实时仿真器、机柜和直流可编程电源，所述机柜用于放置dSPACE实时仿真器、实物控制器、直流可编程电源，所述直流可编程电源的工作环境为220V三相交流电，输出为110V直流电压，负责对dSPACE实时仿真器与实物控制器进行供电。

实物控制电路机箱通过采集dSPACE实时仿真器中的电压和电流信号进行控制算法的运行，生成牵引整流器开关器件触发脉冲的控制信号，并将控制信号实时反馈给dSPACE实时仿真器。

dSPACE实时仿真器通过以太网将下载的系统主电路模型进行编译，接收实物控制电路机箱实时反馈的触发脉冲信号，模拟机车接入牵引网的运行状态并生成实物控制电路机箱所需的电压、电流模拟信号，实现对系统主电路的实时控制和测试功能。

所述的控制系统包括8个实物控制平台模块与PC上位机，所述的8个实物控制平台中每个实物控制器模块包含一个电路机箱、一个开关电源模块、一个系统管理控制器(System Management Controller, SMC)、一个模拟量公共输入模块(Analog PublicAccess Module, APA)、三个线路集中控制模块(Line Concentration ControllerModule, LCC)、一个脉冲转换模块，实现不同控制策略算法；所述上位机监视控制系统包含SpaceR、ControlDesk和CSR-Drive三款控制软件，实现对牵引网-车网耦合系统的控制与监控。

所述的电路机箱放置和固定其他配件；所述开关电源模块通过两根电源线与所述实验平台的直流电源相连，通过所述开关电源模块上的通断操作实现所述实物控制电路的得电和失电；所述的系统管理控制器对电源按钮操作做出响应，并对异常情况进行反应和处理；所述模拟量公共输入模块采集dSPACE实时仿真器输出的模拟信号并进行处理；所述线路集中控制模块核心是DSP控制器可以实现运用瞬态电流控制、有功无功电压电流解耦控制、无源控制、H∞控制、滑模控制、模型预测控制等控制策略的数字运算，生成数字信号；所述的脉冲转换模块将生成的数字控制信号以脉冲信号发出输入到dSPACE实时仿真器的DI口；所述实物控制器可以通过数据线采集dSPACE实时仿真器的仿真电路电气量信号，并将控制信号以脉冲形式传输给dSPACE实时仿真器的数字IO口。

PC上位机主要用于系统主电路建模、模型编译、模型下载、模型数据实时监视以及所述机车控制代码的编译和下载。主电路包括牵引网、车载变压器、牵引整流器、直流侧电容以及直流侧等效负载等。牵引网模型简化为一个单相电压源串联线路等效阻抗的模型，针对线路阻抗进行建模；车载变压器的励磁支路电流被视为零，即励磁支路断开，等效为一个串联阻抗，多个变压器并联则等效为多条等效串联阻抗并联。根据牵引整流器开关器件的通断状态与系统主电路拓扑结构的关系，建立牵引变流器的数学模型。将系统主电路各个模型建成后连接起来便构成车网系统主电路的模型。

所述PC上位机包含SpaceR、ControlDesk和CSR-Drive三款控制软件；所述的SpaceR软件将MATLAB/Simulink建立的数学模型导入dSPACE实时仿真器中；所述的ControlDesk软件，能够动态调整dSPACE实时仿真器导入的牵引网-多车耦合系统的电路参数和控制参数，并且可以实时监测牵引网-多车耦合系统各个端口的电压电流信号，显示系统运行状态，记录数据和保存波形；CSR-Drive软件将瞬态电流控制、有功无功电压电流解耦控制、无源控制等控制代码烧写到实物控制器DSP芯片中。所述上PC上位机通过使用1000M以太网分别与所述dSPACE实时仿真器和所述实物控制器相连。

所述系统主电路包括高速铁路牵引网、高速铁路机车电路与车载变压器，所述高速铁路机车电路模包含CRH3型动车组电路、CRH5型动车组电路，所述CRH3型动车组电路包括车侧滤波电路、单相两重化脉冲整流器、LC谐振电路、直流侧滤波电容、逆变器、牵引电机，所述CRH5型动车组电路包括车侧滤波电路、单相两重化脉冲整流器、直流侧滤波电容、逆变器、牵引电机。

本实施例的高速铁路多车-牵引网耦合系统半实物仿真实验平台是基于dSPACE实时仿真器的硬件在环实验平台，其包括2台dSPACE实时仿真器、8台实物控制器、1个直流可编程电源、以及外部连接的PC上位机。

下面结合附图来对高速铁路多车-牵引网耦合系统半实物仿真实验平台的实施流程作具体说明。

首先，所述2 台dSPACE 实时仿真器用以模拟高速铁路多车-牵引网耦合实物系统，在此用来模拟电力机车，一台 dSPACE实时仿真器模拟四台电力机车（EMUs），一共模拟了八台电力机车；所述实物控制电路模块共存在8个，为实物电路，通过每一个模块中的驱动控制单元（DCU，Drive Control Unit）来实现对每一台车的控制，其控制相互独立存在互不干扰；而后，图 1中区域A的接口用于2台dSPACE实时仿真器与驱动控制单元的数据信息交互，通过区域B的接口实现两台dSPACE实时仿真器之间的信息交互，进而将其联合成一个可操控的整体；最后，2台dSPACE 通过一根网线来与 PC上位机相连接，从而实现从 PC 端将电路仿真模型（本次实验指的是 CRH5 型与 CRH3型电力机车）导入 dSPACE实时仿真器并在 PC 端实施监控。实物控制电路模块机箱则通过一根特殊的线来与 PC 上位机相连接，实现控制算法程序的导入与调试。

进一步，在实物控制电路模块中，电力机车的控制策略程序经过PC上位机编译后，首先，通过系统管理控制器（ SMC模块）导入实物控制电路模块中；同时， dSPACE 实时仿真器仿真得到的电压、电流信号会通过电压、电流采集线传输至模拟信号采样模块（ APA模块），来实现对 dSPACE 所模拟的对应某台机车的信号（如电流、电压信号）的采集；而后，实物控制电路模块中的三个线路集中控制模块（ LCC模块）中的DSP控制器根据由 SMC模块导入的控制程序对采集到的电压、电流信号进行调制，生成数字信号；最后，所述的脉冲转换模块将生成的数字控制信号以数字脉冲信号输入到dSPACE实时仿真器，实现对车的控制。

表1

表1为本发明提供的半实物仿真实验平台及其控制系统中，高速铁路多车-牵引网耦合系统实验平台I/O端口的评估与设计。以8台CRH5型电力动车组并联运行为例，本高速铁路多车-牵引网耦合系统实验平台的工作过程为：

1）使用MATLAB软件对系统主电路进行建模，并将其通过SpaceR软件编译为可用于dSPACE实时仿真器的模型；

2）闭合高速铁路多车-牵引网耦合系统半实物实验平台的直流电源开关、8台实物控制电路机箱上的电源开关以及dSPACE实时仿真器电源开关；对每个实物控制电路机箱，利用PC上位机的CSR_Drive软件将牵引整流器的控制策略代码通过系统管理控制器导入到线路集中控制模块中；将PC上位机上编译的系统主电路模型导入到dSPACE实时仿真器中；

3）通过PC机上的ControlDesk软件使能牵引整流器控制代码的运行并将8台高速铁路动车依次并入牵引网；

4）通过PC机上的ControlDesk软件实时监测系统主电路的电流、电压波形。

通过本发明提供的高速铁路多车-牵引网耦合系统半实物实验平台可以开展以下研究：高速铁路车网系统低频振荡产生机理研究，机车阻抗测量与阻抗验证以及车网系统低频稳定性研究，牵引整流器控制技术研究及不同控制策略对车网系统低频振荡抑制效果的验证，外并装置等低频振荡抑制方法研究，牵引网侧车网系统低频振荡抑制方法研究与验证。

Claims (4)

1.一种高速铁路牵引网-多车耦合系统半实物仿真实验系统，其特征在于，包括dSPACE实时仿真器、实物控制器和PC上位机；

所述dSPACE实时仿真器通过物理数据传输线经IO接口将模拟电气量传输给实物控制器；实物控制器将控制算法输出的PWM波通过IO接口传输给dSPACE实时仿真器，控制IGBT的导通与关断；所述PC上位机与dSPACE实时仿真器进行通讯连接，用于仿真系统主电路建模、模型编译、模型下载、模型数据实时监视以及机车控制代码的编译和下载；

所述实物控制器包括开关电源模块和驱动控制单元；所述开关电源模块与实验平台的直流电源相连，通过通断操作实现实物控制电路的得电和失电；所述驱动控制单元包括系统管理控制器、模拟量公共输入模块、线路集中控制模块和脉冲转换模块；

所述系统管理控制器对电源按钮操作做出响应，并对异常情况进行反应和处理；

所述模拟量公共输入模块采集dSPACE实时仿真器输出的模拟信号并进行处理；

所述线路集中控制模块核心是DSP控制器，用于实现运用瞬态电流控制、有功无功电压电流解耦控制、无源控制、H∞控制、滑模控制或模型预测控制的数字运算，生成数字信号；

所述脉冲转换模块将线路集中控制模块生成的数字控制信号以脉冲信号发出输入到dSPACE实时仿真器的IO接口；

通过所述dSPACE实时仿真器模拟牵引网模型、高速铁路机车电路模型以及车载变压器；所述牵引网模型包括全并联AT链式网络模型和降阶模型，所述高速铁路机车电路模型包括CRH3型动车组模型和CRH5型动车组模型；所述CRH3型动车组模型包括车侧滤波电路、单相两重化脉冲整流器、LC谐振电路、直流侧滤波电容、逆变器、牵引电机；所述CRH5型动车组模型包括车侧滤波电路、单相两重化脉冲整流器、直流侧滤波电容、逆变器、牵引电机。

2.根据权利要求1所述的高速铁路牵引网-多车耦合系统半实物仿真实验系统，其特征在于，在所述PC上位机上，通过SpaceR软件将MATLAB/Simulink建立的数学模型导入dSPACE实时仿真器中；通过ControlDesk软件，动态调整dSPACE实时仿真器导入的牵引网-多车耦合系统的电路参数和控制参数，并实时监测牵引网-多车耦合系统各个端口的电压电流信号，显示系统运行状态，记录数据和保存波形；通过CSR-Drive软件将瞬态电流控制、有功无功电压电流解耦控制、无源控制等控制代码烧写到实物控制器DSP芯片中。

3.根据权利要求1所述的高速铁路牵引网-多车耦合系统半实物仿真实验系统，其特征在于，每台dSPACE实时仿真器与4个实物控制器放置在一个机柜中；机柜还包括一个直流可编程电源为dSPACE实时仿真器和实物控制器供电，所述直流可编程电源的工作环境为220V三相交流电，输出为110V直流电压。

4.根据权利要求1所述的高速铁路牵引网-多车耦合系统半实物仿真实验系统，其特征在于，所述PC上位机通过1000M以太网分别与所述dSPACE实时仿真器和实物控制器相连。

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