CN114221557A

CN114221557A - 一种基于滑模观测器的动车组整流器控制方法及系统

Info

Publication number: CN114221557A
Application number: CN202111220003.2A
Authority: CN
Inventors: 刘志刚; 张乔; 孙文浩; 张雨婷; 孟祥宇; 鲁兵
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2021-10-20
Filing date: 2021-10-20
Publication date: 2022-03-22

Abstract

本发明公开了一种基于滑模观测器的动车组整流器控制方法及系统，涉及高铁供电技术领域，一种基于滑模观测器的动车组整流器控制方法，包括以下步骤：构建滑模观测器模型模型；采用滑模观测器预估动车组电机的功率，以得到功率预估值，基于功率预估值构建外环SMC模型；基于外环SMC模型提供的网侧电流无功分量的参考值建立内环SMC控制模型，内环SMC控制模型输出控制量到整流器模块。针对SMC和PI控制策略下的动车组整流器输出直流电压不能准确、快速恢复到给定值的缺陷，本发明提出的方法可以使负载突变后的直流电压能快速恢复到给定值附近，并能降低稳定后以及负载突变时刻的电压波动幅度。

Description

一种基于滑模观测器的动车组整流器控制方法及系统

技术领域

本发明涉及高铁供电技术领域，具体涉及一种基于滑模观测器的动车组整流器控制方法及系统。

背景技术

交-直-交型动车组具有非线性和冲击性，不仅使得电气设备的电磁环境恶化还对电力系统造成严重的影响；牵引供电系统的复杂性在不断增加；车网耦合系统中大量使用微电子控制技术，使得系统对干扰变得非常敏感，对电能质量的要求也越来越高。综合上述几点，如何保障动车组在高速运行和复杂路况中的安全高效运行得到相关部门的重视。因此，提出一种新的动车组网侧整流器的控制方法，对改善高速铁路车网系统多工况运行下运行性能具有重大的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于滑模观测器的动车组整流器控制方法及系统，提高车网耦合系统在不同工况下的动、静态性能。

本发明通过下述技术方案实现：

第一方面，本发明实施例提供一种基于滑模观测器的动车组整流器控制方法，包括以下步骤：构建滑模观测器模型，用于预估动车组电机的功率；通过预估动车组电机的功率得到功率预估值，基于上述功率预估值构建外环SMC模型，以得到网侧电流无功分量的参考值的表达式；基于上述外环SMC模型提供的网侧电流无功分量的参考值建立内环SMC控制模型，上述内环SMC控制模型输出控制量到整流模块。

基于第一方面，在本发明一些实施例中，上述步骤还包括：将上述滑模观测器接入动车组的单个牵引传动单元的整流器控制模块中，并基于此构建仿真模型，验证滑模控制策略的控制效果。

基于第一方面，在本发明一些实施例中，上述滑模观测器模型表达式为：

式中P_dp＝e_di_d+e_qi_q；e_d和e_q是e_n分别在d-q坐标上的解耦分量，e_n为交流侧电动势，i_d和i_q是i_n分别在d-q轴上的解耦分量，i_n为交流侧电流；式中，θ＝Lsgn(z₁-x₁)；L为滑模增益，sgn(s)为符号函数，z₁、z₂为滑模观测器的输出，

分别为z₁、z₂的导数，C为直流侧支撑电容，g为反馈增益。

基于第一方面，在本发明一些实施例中，上述外环SMC模型的模型表达式为：

为i_d的参考值，U_dc为直流侧输出电压，

为U_dc的参考值，λ为放大增益比值，R_n为交流侧等效电阻。

基于第一方面，在本发明一些实施例中，上述内环SMC控制模型的构建包括开关函数求解。

基于第一方面，在本发明一些实施例中，上述开关函数表达式为：

式中，e₁＝z₁-x₁，为1/2(U_dc)²的估计误差，e₂＝z₂-x₂为负载功率估计误差，s_d和S_q为开关函数在d-q轴上的解耦分量，ω为角频率，s₁、s₂为两个滑模面，k₁、k₂为滑模控制参数，L_n为交流侧电感。

基于第一方面，在本发明一些实施例中，上述整流器模块包括PWM模块。

基于第一方面，在本发明一些实施例中，根据上述开关函数的表达式推导出输入到上述 PWM模块的两个控制量的表达式为：

u_q和u_d为脉冲宽度调制所需的两个控制量。

第二方面，在本发明实施例提供一种基于滑模观测器的动车组整流器控制系统，第一构建模块：用于构建滑模观测器模型；第二构建模块：用于构建外环SMC模型；第三构建模块：用于构建内环SMC控制模型。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1)本发明将SMC算法与滑模观测器结合以改善SMC的控制缺陷，实验结果表明 SMO+SMC策略可以改善SMC在负载突变时鲁棒性弱的缺点。

2)本发明采用的SMO+SMC策略可以抑制动车组运行在不同工况下发生的LFO现象。

3)本发明SMO+SMC策略较PI控制有更好的控制性能，例如启动无超调、负载变化时响应速度快等。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。在附图中：

图1为基于SMC+SMO单个牵引传动单元控制框图；

图2为一种基于滑模观测器的动车组整流器控制方法流程框图；

图3为滑模观测器的构建框架图；

图4为外环电压控制模块框图；

图5为内环SMC控制模型框图；

图6(a)为负载突变时逆变器交流侧三相定子电流波形图；

图6(b)为负载突变时逆变器交流侧牵引电机电磁转矩图；

图6(c)为负载突变时逆变器交流侧牵引电机转速波形图；

图7(a)为z₁与对应真实值波形图；

图7(b)为z₂与对应真实值波形图；

图8为电机负载转矩突变三种控制策略下U_dc波形图；

图9为两车级联系统在PI控制下u_n、i_n和U_dc波形图；

图10为两车级联系统在SMC下u_n、i_n和U_dc波形图；

图11为两车级联系统在SMO+SMC下u_n、i_n和U_dc波形图；

图12一种基于滑模观测器的动车组整流器控制系统的结构框图。

图标：1-第一构建模块，2-第二构建模块，3-第三构建模块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

动车组整流器的控制目标是直流侧输出电压U_dc维持在3000V附近以及网侧功率因数接近1。SMC可以实现上述两点目标，但SMC在负载发生突变以及系统参数不稳定等情况下不能很好的实现上述两点控制目标，因此本发明实施例提出采用结合滑模观测器的方法来弥补SMC的这一缺陷。单个牵引传动单元采用基于滑模观测器的滑模控制策略时的控制框图如图1所示。本实施例中，SMC+SMO策略的建模包括外环电压控制模块构建和内环SMC控制模型构建，其中外环电压控制模块的构建包括滑模观测器的构建和外环SMC模型的构建。

请参照图2，在本发明实施例提供一种基于滑模观测器的动车组整流器控制方法，包括以下步骤：

S101、构建滑模观测器模型，用于预估动车组电机的功率；

当电机负载转矩突变时，电机的输出功率会发生相应变化，因此滑模观测器对电机输出功率进行估计，记作z₂，其具体建模过程如下：

d-q旋转坐标系中动车组的数学模型为：

其中，i_d和i_q是i_n在d-q轴上的解耦分量，e_d和e_q是e_n在d-q轴上的解耦分量，s_d和S_q开关函数在d-q轴上的解耦分量，ω是角频率。

将式(1)中第三个式子等式两边分别乘以U_dc并化简可得：

设P_dp＝e_di_d+e_qi_q，x₁、x₂为系统观测值且x₁＝1/2(U_dc)²，x₂＝P_L＝U_dc*i_l，P_L是逆变器直流侧的真实功率，由于逆变器上电力电子器件消耗的功率很小，本文将其忽略，所以 P_L≈P_M＝T_em*Ω，其中P_M是电机的实际输出功率；根据式(2)可以得到：

其中，

分别为x₁、x₂的导数。构造滑模观测器如式(4)所示：

式中，θ＝Lsgn(z₁-x₁)；z₁、z₂为滑模观测器的输出，分别是x₁、x₂的估计值；

分别为z₁、z₂的导数，L为滑模增益；g为反馈增益，sgn(s)为符号函数。根据该式可以搭建滑模观测器的构建框架图，如图3所示。

S102、通过预估动车组电机的功率得到功率预估值，基于上述功率预估值构建外环SMC 模型，以得到网侧电流无功分量的参考值的表达式；

将步骤S101得到的滑模观测器对电机输出功率估计值z₂提供给外环SMC模型。其具体建模过程如下。

本发明的控制目标是

和i_q≈0，因此将U_dc和i_q设置为控制系统的输出。用

和e_φ分别代表U_dc，i_q和dU_dc/d_t的误差值。

和φ_ref分别是U_dc，i_q和dU_dc/d_t的参考值，可用式(5)表示。

然后建立两个滑模面s₁、s₂分别与U_dc、i_q对应：

其中，β、β₁和β₂是放大增益。

由于

为给定常数，

令λ＝β_2/β₁并将式(1)中第三个等式代入，则式(6)中第二个等式化简可得：

将i_d从式(7)中提取出来可得：

由坐标变换功率守恒得到：

根据式(8)可得：

忽略电阻R_n，假设di_q/d_t＝0和e_q＝0，则可得开关函数S_q：

将s_d、S_q的表达式代入式(8)，则得到网侧电流无功分量i_d的参考值

的表达式：

将i_l＝z₂/U_dc代入式(12)中，可得：

根据式(13)可搭建外环电压控制模块框图，如图4所示。

S103、基于上述外环SMC模型提供的网侧电流无功分量的参考值建立内环SMC控制模型，上述内环SMC控制模型输出控制量到整流模块。

由外环SMC模型为内环SMC模块提供i_d的参考值

本发明实施例选用指数控制律，如式(14)所示。-ks项在系统状态远离滑模表面时起主要作用，它使系统状态迅速接近滑模表面；-esgn项在系统状态接近滑模表面时起主要作用，减慢系统状态的逼近速度，避免剧烈的颤动。k和e是常数，它们具有广泛的选择范围，600≤k≤1000、e≤10⁵

其中

为s的导数，sgn(s)为符号函数：

将指数控制率应用到两个滑模面s₁、s₂的表达式中，可以得到：

其中，

和

分别为s₁和s₂的导数，将两个滑模面s₁、s₂简化为：

由于

都是常数，所以

因此将式(17)求导可得：

代入式(1)可得：

整理式(19)并将式(16)代入，可得开关函数的表达式：

从而推导出输入到PWM模块的两个电量的表达式：

u_q和u_d为脉冲宽度调制所需的两个控制量，根据式(20)、(21)可搭建内环电流模块，如图5所示。

实施例2

在本发明一些实施例中，将上述滑模观测器接入动车组的单个牵引传动单元的整流器控制模块中，并基于此构建仿真模型，验证滑模控制策略的控制效果。

示例性的，可在Matlab平台上搭建仿真模型。将SMO+SMC接入单个牵引传动单元的整流器控制模块中，设置给定负载转矩2s时由0N·m突然增加为1000N·m，5s时再由1000N·m 突然减少为100N·m。电机电磁转矩的波形如图6(a)所示、电机转速的波形如图6(b)所示、三相定子侧电流的波形如图6(c)所示。图7(a)为基于SMO+SMC时观测值z₁与实际值x₁的仿真波形对比，图7(b)为观测值z₂与实际值x₂的仿真波形对比。z₁是1/2(U_dc)²的估计值，因此其单位为V²，z₂是P_L的估计值，单位为W。综上，滑模观测器能在短时间内正确观测到实际值，提高了负载突变时电压外环控制模块的稳压能力。

实施例3，

请参照图12，在本发明实施例提供一种基于滑模观测器的动车组整流器控制系统，包括：

第一构建模块1：用于构建滑模观测器模型；第二构建模块2：用于构建外环SMC模型；

第三构建模块3：用于构建内环SMC控制模型。

本实施例所提供的系统可执行实施例1中的步骤S101、S102和S103，具体见实施例1，在此不作赘述。

对比例1

对SMO+SU_dc MC、SMC和PI控制在电机负载转矩突然增大和突然减小两种情况的稳压效果进行具体分析对比，仿真结果如图8所示。表1和表2分别是负载转矩增大和减小时三种控制策略下仿真结果的具体性能指标。

表1负载突增时三种控制策略下直流侧电压性能指标

表1为负载在2s突然增加三种控制策略下U_dc的性能指标。在PI控制下，U_dc迅速下降并在2.161s达到波谷值2935V，然后缓慢回升，在3.692s稳定在2995V，稳定后电压波动幅值为45V；在SMC下，U_dc迅速下降并在2.044s达到波谷值2980V，然后稳定在波谷值附近，稳定后电压波动幅值为23V；在SMO+SMC策略下，U_dc迅速下降并在2.141s达到波谷值 2985V，然后快速回升，在2.573s稳定在3000V，稳定后电压波动幅值为15V。负载突然增大时除SMC恢复稳定后偏离给定值较多，其他两种控制策略均能恢复到给定值附近。

表2负载突减时四种控制策略下直流侧电压性能指标

表2为负载在5s突然减小三种控制策略下U_dc的性能指标。在PI控制下，U_dc迅速上升并在5.446s达到波峰值3078V，然后缓慢回落，在6.444s稳定在3010V，稳定后电压波动幅值为20V；在SMC下，U_dc迅速上升并在5.21s达到波峰值3010V，然后稳定在2995V，稳定后电压波动幅值为8V；在SMO+SMC下，U_dc迅速上升并在5.148s达到波峰值3020V，然后快速降落，在5.574s稳定在2998V，稳定后电压波动幅值为7V。负载突然减小时除SMC 恢复稳定后偏离给定值较多，其他两种控制策略均能恢复到给定值附近。

综上可以得出结论：采用SMO+SMC策略能改善SMC和PI控制在负载突变时的控制缺陷，使得负载突变后U_dc能够快速恢复到给定值附近，并降低稳定后以及负载突变时刻的电压波动幅度，接下来继续分析对比SMO+SMC、SMC和PI控制在不同工况下抑制LFO的效果。

对比例2

此处分析SMO+SMC策略对动车组运行在不同工况下产生的LFO的抑制作用，通过增大L_s的取值使车网系统发生LFO现象，图9、图10、图11分别为基于PI、SMC、SMO+SMC 策略时动车组运行在多工况下时U_dc、u_n和i_n的波形，由图可知在PI控制下系统发生了LFO 现象，而在SMO+SMC策略和SMC策略下LFO现象消失。因此，SMO+SMC策略和SMC 策略都可以有效地抑制动车组运行过程中的LFO，且在3s发生制动时刻SMO+SMC策略下 U_dc的波动幅值较SMC策略下更小。

为提高车网耦合系统在多种运行工况下的动、静态性能，本发明提出一种改善动车组整流器侧控制策略的方法，基于SMC和滑模观测器的相关理论知识，构建了SMO+SMC的控制策略。接着，分别在单个牵引传动单元和多车两种情况对系统在多工况运行下的性能进行仿真分析，实验结果表明SMO+SMC策略较SMC和PI控制有更好的控制性能，例如启动无超调、负载变化时响应速度快并且能成功的抑制列车运行过程中发生的低频振荡现象。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。