CRH5動(dòng)車(chē)組牽引系統(tǒng)的多輸出間接矩陣變換器的控制研究

王閃閃　陳然

摘 ?要：針對(duì)CRH5動(dòng)車(chē)組牽引系統(tǒng)AC-DC-AC變換器體積大，功率因數(shù)低、能量非雙向流動(dòng)等問(wèn)題，文章引入多輸出間接矩陣變換器（indirect matrix converter，IMC），并采用模型預(yù)測(cè)控制（model predictive control，MPC）方法實(shí)現(xiàn)多異步電機(jī)（induction motor，IM）控制?；跇?gòu)建的CRH5動(dòng)車(chē)組IMC-雙IM牽引系統(tǒng)，建立電機(jī)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩預(yù)測(cè)模型，根據(jù)輸出調(diào)速性能和電網(wǎng)需求建立目標(biāo)函數(shù)并尋優(yōu)以實(shí)現(xiàn)動(dòng)車(chē)組的高性能牽引。仿真表明在MPC方法控制下CRH5動(dòng)車(chē)組牽引系統(tǒng)輸入側(cè)無(wú)功功率約為0，輸出側(cè)兩臺(tái)IM可以高性能獨(dú)立調(diào)速運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：CHR5動(dòng)車(chē)組牽引系統(tǒng);多輸出間接矩陣變換器;模型預(yù)測(cè)控制方法

中圖分類號(hào)：U266 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）31-0009-03

Abstract： Aiming at the problems of large size， low power factor and non-bi-directional energy flow of AC-DC-AC converter in traction system of CRH5 EMU， multi-output indirect matrix converter （IMC） is introduced in this paper， and model predictive control （MPC） method is adopted to realize multi-induction motor （IM） control. Based on the IMC-double IM traction system of CRH5 EMU， the prediction model of motor stator flux and torque is established. According to the output speed regulation performance and power grid requirements， the objective function is established and optimized to achieve high performance traction of EMU. The simulation results show that under the control of MPC method， the reactive power on the input side of the traction system of CRH5 EMU is about 0， and the two IM on the output side can run independently with high performance.

Keywords： CHR5 EMU traction system; multi-output indirect matrix converter; model predictive control method

引言

在高速鐵路、航天航空、鋼鐵等眾多工業(yè)領(lǐng)域中，往往需求多臺(tái)電機(jī)協(xié)同帶載工作[1-3]。例如構(gòu)造速度為250km/h的CRH5高速鐵路動(dòng)車(chē)組牽引系統(tǒng)，主要采用4個(gè)AC-DC-AC的間接變換器驅(qū)動(dòng)10臺(tái)電機(jī)協(xié)同運(yùn)行，傳統(tǒng)變換器中間直流環(huán)節(jié)一般設(shè)置大電容元件進(jìn)行儲(chǔ)能，大重量，大體積，短壽命。這阻礙了高速動(dòng)車(chē)組9項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)中車(chē)體輕量化、系統(tǒng)集成化、牽引變流器等技術(shù)革新[2]。文獻(xiàn)[1，3]在航天及工業(yè)中提出多輸出IMC新型拓?fù)潋?qū)動(dòng)多臺(tái)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了體積減小、功率因數(shù)提高及能量雙向流動(dòng)，故IMC驅(qū)動(dòng)多臺(tái)電機(jī)在鐵路領(lǐng)域也可論證。

針對(duì)CRH5動(dòng)車(chē)組IMC-雙IM牽引系統(tǒng)的控制，文獻(xiàn)[3]采用間接的空間矢量脈沖寬度調(diào)制（SVPWM）與矢量控制結(jié)合，取得了良好控制效果。但該方法控制思想繁雜，需同時(shí)調(diào)節(jié)大量參數(shù)。對(duì)此本文把MPC思想[4]引入系統(tǒng)，對(duì)模型精度要求不高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、參數(shù)易調(diào)節(jié)且實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量控制。具體的，建立電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈、輸入無(wú)功預(yù)測(cè)模型，并建立目標(biāo)函數(shù)尋優(yōu)，使得目標(biāo)模型跟隨基準(zhǔn)值。最后通過(guò)大量仿真驗(yàn)證了理論的正確性。

1 CRH5動(dòng)車(chē)組IMC-雙IM牽引系統(tǒng)新拓?fù)?/p>

如圖1構(gòu)建了一種新型三相輸入的動(dòng)車(chē)組IMC-雙IM牽引系統(tǒng)。主要包括三相正弦交流電源、多輸出IMC、兩臺(tái)IM。IMC包含輸入濾波環(huán)節(jié)，虛擬整流環(huán)節(jié)、鉗位保護(hù)、VSI。其中虛擬整流環(huán)節(jié)由六個(gè)可實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)的雙向開(kāi)關(guān)組成[3，5]。

2 MPC方法

模型預(yù)測(cè)控制思想是20世紀(jì)60年代初期發(fā)展起來(lái)現(xiàn)代控制理論，對(duì)模型精度要求不高，且能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量控制：首先建立控制目標(biāo)的預(yù)測(cè)模型，然后建立品質(zhì)函數(shù)，最后在有限狀態(tài)機(jī)進(jìn)行預(yù)測(cè)并尋最優(yōu)預(yù)測(cè)狀態(tài)控制系統(tǒng)[4]。借鑒這一思想，CRH5動(dòng)車(chē)組牽引系統(tǒng)的MPC控制結(jié)構(gòu)如圖2，主要包括三部分：電機(jī)定轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)、預(yù)測(cè)模型及目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)化。

2.1 定轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)

由IM定子電壓方程和轉(zhuǎn)子磁鏈公式[5]，對(duì)得定轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)模型如下離散公式：

2.2磁鏈與轉(zhuǎn)矩預(yù)測(cè)模型

同上步觀測(cè)推導(dǎo)，推得定子磁鏈預(yù)測(cè)模型如下：

而根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩公式，建立預(yù)測(cè)模型為：

從式（4）中發(fā)現(xiàn)，要建立轉(zhuǎn)矩預(yù)測(cè)模型要先建立定子電流預(yù)測(cè)模型，由定子動(dòng)態(tài)方程推得定子電流預(yù)測(cè)模型如下：

上式中各參數(shù)含義如文獻(xiàn)[5]。

由輸入濾波器數(shù)學(xué)模型得網(wǎng)側(cè)電流is預(yù)測(cè)模型[5]：

（6）

以上預(yù)測(cè)模型對(duì)兩臺(tái)IM均適用?？紤]到網(wǎng)測(cè)電壓基本恒定，網(wǎng)側(cè)無(wú)功功率預(yù)測(cè)模型可由式（6）得：

2.3 目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)化

建立目標(biāo)函數(shù)如（8），選擇使其值最小的開(kāi)關(guān)狀態(tài)為下一時(shí)刻最優(yōu)開(kāi)關(guān)狀態(tài)。其中λ1-λ5為各變量權(quán)重。

（8）

3 仿真分析

對(duì)上系統(tǒng)進(jìn)行MATLAB/simulink仿真。參數(shù)設(shè)置如下：λ1=λ3=900，λ2=λ4=30000，λ3=1;輸入相電壓：Usm=1500v，fn=50Hz;濾波器Rf=60Ω，Lf=5mH，Cf=20μF。動(dòng)態(tài)變化設(shè)置：（1）IM1：t=3.2s，速度突變?yōu)?00r/min;t=3.4s，負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變?yōu)?N·m;（2）IM2：t=3.6s，轉(zhuǎn)速變化如IM1;t=3.8s，負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變?yōu)?0N·m。兩臺(tái)IM選定為CRH5型動(dòng)車(chē)組牽引電機(jī)參數(shù)[2]。

圖3、4中，兩IM定子電流正弦性良好，具有高靜態(tài)性能;兩IM當(dāng)在不同時(shí)刻轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩發(fā)生突變時(shí)，性能也互不干擾均可獨(dú)立運(yùn)行且變換過(guò)程超調(diào)較小，動(dòng)態(tài)性能良好。圖4為網(wǎng)側(cè)電壓電流波形?？煽闯鲭妷弘娏髯兓^(guò)程波形良好正弦，相位差基本為零，即無(wú)功功率基本為0，滿足接觸網(wǎng)要求。

4 結(jié)論

本文實(shí)現(xiàn)了新型CRH5動(dòng)車(chē)組IMC-雙IM牽引系統(tǒng)的MPC控制。仿真結(jié)果證明：此拓?fù)湓趯?shí)現(xiàn)降重增功及能量雙向流動(dòng)的同時(shí)，輸出側(cè)雙IM可以獨(dú)立高性能調(diào)速控制，輸入側(cè)實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)。隨著開(kāi)關(guān)器件開(kāi)關(guān)時(shí)間及損耗減低、功率的提升等發(fā)展，實(shí)現(xiàn)三相輸入的IMC在大功率高速動(dòng)車(chē)組多機(jī)牽引系統(tǒng)的樣機(jī)試驗(yàn)指日可待。

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