CN112242796A - 机车牵引变流器网压波动复合检测控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机车牵引变流器网压波动控制，具体为机车牵引变流器网压波动复合检测控制装置及其控制方法。解决现有机车牵引变流器网压波动检测控制方法存在的问题和缺陷，提供一种机车牵引变流器网压波动复合检测控制装置及其控制方法。该方法通过四象限整流器控制软件实现；该控制装置的电压外环由传统PI控制器改为滑模控制器并进一步加入多重化控制算法，一方面在检测到网压波动时可以对网压跳变量进行快速控制，另一方面降低交流侧电流谐波对电网带来的污染。提高了控制系统的鲁棒性和抗干扰能力，在发生网压波动时，不会造成机车高压系统、牵引系统、辅助系统等故障发生，从而保障列车安全稳定运行。

Description

机车牵引变流器网压波动复合检测控制装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及机车牵引变流器网压波动控制，具体为机车牵引变流器网压波动复合检测控制装置及其控制方法。

背景技术

随着我国铁路运营里程的逐年增加，铁路牵引供电系统越来越庞大，加之新的车型不断涌现，运营过程中出现了一些新的问题。谐波引起的网压波动是由于机车/动车组和供电系统电气耦合参数匹配不合理造成的，通常与高次谐波含量较高及系统容性设备有关，会造成机车/动车组的高压、牵引、辅助系统等故障。低频率的网压波动并出现网压持续放大的问题，多由四象限整流器软件控制策略缺陷或机车/动车组数量较多引起，给列车安全稳定运行带来了严重影响。因此，通过优化四象限整流器控制算法，一方面采用多重化方式降低交流侧电流谐波带来的污染，另一方面通过网侧变流器在检测到网压波动时，四象限整流器控制软件通过控制算法对网压跳变量进行快速控制，从而保障列车安全稳定运行。

现有针对网压波动的方法之一：通过减小整个牵引供电系统空载时输出阻抗，提高系统的稳定性。文中提出通过增大变电所容量或者减小变压器短路电压百分比都可以有效降低变电所变压器等效阻抗，从而使牵引供电系统稳定性更好，降低网压波动出现的频率。这种方法的缺点是需要更改牵引所的牵引变压器，导致系统成本过高。

现有针对网压波动的方法之二：通过牵引四象限整流器控制软件实现，四象限整流器控制软件采用双闭环控制策略，当检测到网压跳变时，通过电压外环PI控制器+电流内环PR控制器来保证中间母线电压的稳定。这种方法的缺点是低频网压波动时，系统鲁棒性较差，动态相应速度不快、抗干扰能力不强，不能保证列车安全稳定运行。

发明内容

本发明解决现有机车牵引变流器网压波动检测控制方法存在的问题和缺陷，提供一种机车牵引变流器网压波动复合检测控制装置及其控制方法。该方法通过四象限整流器控制软件实现；该控制装置的电压外环由传统PI控制器改为滑模控制器并进一步加入多重化控制算法，一方面在检测到网压波动时可以对网压跳变量进行快速控制，另一方面降低交流侧电流谐波对电网带来的污染。提高了控制系统的鲁棒性和抗干扰能力，在发生网压波动时，不会造成机车高压系统、牵引系统、辅助系统(含列车供电柜)等故障发生，从而保障列车安全稳定运行。

本发明是采用如下技术方案实现的：机车牵引变流器网压波动复合检测控制装置，包括牵引四象限整流器的控制器，控制器采用电压外环控制器+电流内环控制器的双闭环控制结构，电流内环控制器为PR控制器，电压外环控制器为滑模控制器。在现有双闭环控制的基础上，将电压外环控制器由PI控制器改为滑模控制器，滑模控制本质上是非线性控制的一种，它的非线性表现为控制的不连续性，即系统的“结构”不固定，可以在动态过程中根据系统当前的状态有目的地不断变化，迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动。在发生网压跳变时，传统PI控制器虽然最终能满足中间电压稳定，但响应速度慢，且存在超调量，因此选择滑模控制器，经过半实物仿真验证控制系统有较好的鲁棒性和动态性能，在发生网压波动时能保障机车稳定运行。

机车牵引变流器网压波动复合检测控制方法，通过牵引四象限整流器控制软件实现，四象限整流器控制软件采用电压外环滑模控制器+电流内环PR控制器的双闭环控制策略，电压外环滑模控制器的设计方法如下：

1、根据控制需求及被控对象写出相应状态方程

电压外环被控对象：母线电压，通过控制流入电容的电流，来控制母线电压；

电压外环控制目标：实现直流侧中间电容上的实际电压稳定在给定指令电压；

四象限整流器直流母线电容电压方程为：

其中：i_s表示四象限整流器直流侧电流，i_L表示四象限整流器负载电流,u_dc为实际母线电压；

忽略电感储能，根据能量守恒，在一个工频周期内，交流侧有功功率等于直流侧平均功率，即：

其中：E_amp表示四象限整流器交流侧电压的峰值，I_amp表示四象限整流器交流侧电流的峰值，T表示工频周期

假设直流母线电压基本不变，得到：

将式(6)带入式(5)得到：

其中：R为负载阻值，i*为电流内环指令值，θ为电网相位，

为母线电压的参考电压，通常为一常量；

2、滑模面的设计

由公式(9)可以推出：

定义电压外环的状态变量x₁、x₂：

其中：

为母线电压的参考电压，通常为一常量；u_dc为实际母线电压，根据公式(11)可知:

定义：u＝i^*,

则公式(12)可变为:

定义滑模面函数s为：

s＝cx₁+x₂ (14)

其中：c>0为控制器参数；

对公式(14)求导，可得：

3、趋近律的设计

趋近律一般有如下几种设计：

其中符号函数sgn(s)：

为了保证u_dc的稳定控制以及四象限整流器控制系统有较好的动态性能，此处选择指数趋近律，表达式如下：

4、控制器和滑模面的关系

由公式(15)和(20)可以推出控制器的表达式为：

式中：c＞0、ε＞0、k＞0为滑模控制器参数，具体值根据给定参数，试出来的；

从而得到电流内环的指令电流为：

由式(22)可以看出，控制器包含积分项，一方面可以削弱抖振现象，另一方面也可以消除系统的稳态误差，提高系统的控制品质。

5、稳定性的验证

用Lyapenov函数来判断系统的稳定性，对于系统状态方程

对于平衡点s，如果存在一个连续函数V满足

1)

2)

那么系统将在平衡点s＝0处稳定，即

令V(s,t)＝s²/2，满足条件1，对V进行求导得：

其中：ε＞0,k＞0

由式(23)推出条件2也满足，因此满足Lyapenov函数的条件，s最终会稳定在滑模面，即s＝0，证明了所设计的滑模控制器稳定性。

采集检测此时的中间直流电压值u_dc，若此时u_dc和指令值

满足以下公式，则表明网压波动值被四象限整流器控制软件消除，系统稳定运行，否则返回再次运行该控制方法：

进一步，采用多重化载波移相技术降低网侧电流谐波，减少电流谐波对电网的污染，有效降低低频网压振荡，具体方法如下：

所述四象限整流器为N组，则多重化的个数为N，多重化技术主要是载波角度的计算分配，则每一组四象限整流器载波角度依次错开π/N，载波角度分配公式如下：

每组四象限整流器的载波再分别与调制波比较进行脉冲调制，得到的调制脉冲分别控制相应整流器IGBT。

本发明有益效果如下：

1、列车实际运行过程中，会遇到弓网电压波动，影响列车稳定运行。针对这一工程实际问题，提出一种机车牵引变流器网压波动检测复合控制装置及其控制方法，控制方法采用四象限控制软件实现，控制装置不改变现有主电路及不需要额外的硬件电路设计。

2、该方法通过优化原有四象限控制算法，电压外环由传统PI控制器改为滑模控制器并加入多重化控制算法，一方面在检测到网压波动时可以对网压跳变量进行快速控制，另一方面降低交流侧电流谐波对电网带来的污染。

3、该方法目前已在半实物仿真平台验证完成，结果表明该控制方法提高了控制系统的鲁棒性和动态性能，在发生网压波动时，不会造成机车高压系统、牵引系统、辅助系统(含列车供电柜)等故障发生，能够保障列车安全稳定运行。

附图说明

图1为本发明所述控制方法的控制框图。

具体实施方式

机车牵引变流器网压波动复合检测控制装置，包括牵引四象限整流器的控制器，控制器采用电压外环控制器+电流内环控制器的双闭环控制结构，电流内环控制器为PR控制器，电压外环控制器为滑模控制器。

机车牵引变流器网压波动复合检测控制方法，通过牵引四象限整流器控制软件实现，四象限整流器控制软件采用电压外环滑模控制器+电流内环PR控制器的双闭环控制策略，电压外环滑模控制器的设计方法如下：

1、根据控制需求及被控对象写出相应状态方程

电压外环被控对象：母线电压，通过控制流入电容的电流，来控制母线电压；

电压外环控制目标：实现直流侧中间电容上的实际电压稳定在给定指令电压；

四象限整流器直流母线电容电压方程为：

其中：i_s表示四象限整流器直流侧电流，i_L表示四象限整流器负载电流,u_dc为实际母线电压；

忽略电感储能，根据能量守恒，在一个工频周期内，交流侧有功功率等于直流侧平均功率，即：

其中：E_amp表示四象限整流器交流侧电压的峰值，I_amp表示四象限整流器交流侧电流的峰值，T表示工频周期

假设直流母线电压基本不变，得到：

将式(6)带入式(5)得到：

其中：R为负载阻值，i*为电流内环指令值，θ为电网相位，

为母线电压的参考电压，通常为一常量；

2、滑模面的设计

由公式(9)可以推出：

定义电压外环的状态变量x₁、x₂：

其中：

为母线电压的参考电压，通常为一常量；u_dc为实际母线电压，根据公式(11)可知:

定义：u＝i^*,

则公式(12)可变为:

定义滑模面函数s为：

s＝cx₁+x₂ (14)

其中：c>0为控制器参数；

对公式(14)求导，可得：

3、趋近律的设计

趋近律一般有如下几种设计：

其中符号函数sgn(s)：

为了保证u_dc的稳定控制以及四象限整流器控制系统有较好的动态性能，此处选择指数趋近律，表达式如下：

4、控制器和滑模面的关系

由公式(15)和(20)可以推出控制器的表达式为：

式中：c＞0、ε＞0、k＞0为滑模控制器参数，具体值根据给定参数，试出来的；

从而得到电流内环的指令电流为：

由式(22)可以看出，控制器包含积分项，一方面可以削弱抖振现象，另一方面也可以消除系统的稳态误差，提高系统的控制品质。

5、稳定性的验证

用Lyapenov函数来判断系统的稳定性，对于系统状态方程

对于平衡点s，如果存在一个连续函数V满足

1)

2)

那么系统将在平衡点s＝0处稳定，即

令V(s,t)＝s²/2，满足条件1，对V进行求导得：

其中：ε＞0,k＞0

由式(23)推出条件2也满足，因此满足Lyapenov函数的条件，s最终会稳定在滑模面，即s＝0，证明了所设计的滑模控制器稳定性。

然后，与现有技术一样，将公式(22)得到的电流内环指令电流i*与电流采样值i作比较，将误差信号i_err送给电流内环PR控制器。将电流内环输出值e*与交流侧电压采样值e(变压器次边电压值e)作比较得到参考电压u*，将参考电压信号送至调制模块，调制模块产生PWM脉冲用于控制IGBT开通关断，实现单相PWM整流。调制策略采用正弦脉宽调制SPWM，同时增加了单级倍频技术。

单级倍频调制技术即在一个载波周期中，每个桥臂器件开关动作一次，但是整流桥交流侧电压会产生两个脉冲，在一个载波周期中采样并计算两次。优势是输出脉冲频率加倍，减小电流纹波。

采集检测此时的中间直流电压值u_dc，若此时u_dc和指令值

满足以下公式，则表明网压波动值被四象限整流器控制软件消除，系统稳定运行，否则返回再次运行该控制方法：

进一步，采用多重化载波移相技术降低网侧电流谐波，减少电流谐波对电网的污染，有效降低低频网压振荡，具体方法如下：

所述四象限整流器为N组，则多重化的个数为N，多重化技术主要是载波角度的计算分配，则每一组四象限整流器载波角度依次错开π/N，载波角度分配公式如下：

每组四象限整流器的载波再分别与调制波比较进行脉冲调制，得到的调制脉冲分别控制相应整流器IGBT。

Claims (4)

1.一种机车牵引变流器网压波动复合检测控制装置，包括牵引四象限整流器的控制器，控制器采用电压外环控制器+电流内环控制器的双闭环控制结构，电流内环控制器为PR控制器，其特征在于，电压外环控制器为滑模控制器。

2.一种机车牵引变流器网压波动复合检测控制方法，通过牵引四象限整流器控制软件实现，其特征在于，四象限整流器控制软件采用电压外环滑模控制器+电流内环PR控制器的双闭环控制策略，电压外环滑模控制器的设计方法如下：

1)根据控制需求及被控对象写出相应状态方程

电压外环被控对象：母线电压，通过控制流入电容的电流，来控制母线电压；

电压外环控制目标：实现直流侧中间电容上的实际电压稳定在给定指令电压；

四象限整流器直流母线电容电压方程为：

其中：i_s表示四象限整流器直流侧电流，i_L表示四象限整流器负载电流,u_dc为实际母线电压；

忽略电感储能，根据能量守恒，在一个工频周期内，交流侧有功功率等于直流侧平均功率，即：

其中：E_amp表示四象限整流器交流侧电压的峰值，I_amp表示四象限整流器交流侧电流的峰值，T表示工频周期

假设直流母线电压基本不变，得到：

将式(6)带入式(5)得到：

其中：R为负载阻值，i*为电流内环指令值，θ为电网相位，

为母线电压的参考电压，通常为一常量；

2)滑模面的设计

由公式(9)可以推出：

定义电压外环的状态变量x₁、x₂：

其中：

为母线电压的参考电压，通常为一常量；u_dc为实际母线电压，根据公式(11)可知:

定义：u＝i^*,

则公式(12)可变为:

定义滑模面函数s为：

s＝cx₁+x₂ (14)

其中：c>0为控制器参数；

对公式(14)求导，可得：

3)趋近律的设计

趋近律一般有如下几种设计：

其中符号函数sgn(s)：

为了保证u_dc的稳定控制以及四象限整流器控制系统有较好的动态性能，此处选择指数趋近律，表达式如下：

4)控制器和滑模面的关系

由公式(15)和(20)可以推出控制器的表达式为：

式中：c＞0、ε＞0、k＞0为滑模控制器参数，具体值根据给定参数，试出来的；

从而得到电流内环的指令电流为：

3.根据权利要求2所述的机车牵引变流器网压波动复合检测控制方法，其特征在于，采集检测此时的中间直流电压值u_dc，若此时u_dc和指令值

满足以下公式，则表明网压波动值被四象限整流器控制软件消除，系统稳定运行，否则返回再次运行该控制方法：

4.根据权利要求3所述的机车牵引变流器网压波动复合检测控制方法，其特征在于，采用多重化载波移相技术降低网侧电流谐波，减少电流谐波对电网的污染，有效降低低频网压振荡，具体方法如下：

所述四象限整流器为N组，则多重化的个数为N，多重化技术主要是载波角度的计算分配，则每一组四象限整流器载波角度依次错开π/N，载波角度分配公式如下：

每组四象限整流器的载波再分别与调制波比较进行脉冲调制，得到的调制脉冲分别控制相应整流器IGBT。

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