一種基于滑模觀測器的動車組整流器控制策略研究

王浩宇，張雨婷,2，張 喬，劉志剛

一種基于滑模觀測器的動車組整流器控制策略研究

王浩宇1，張雨婷1,2，張 喬1，劉志剛1

(1.西南交通大學電氣工程學院，四川 成都 611756；2.無錫市軌道建設設計咨詢有限公司，江蘇 無錫 214000)

為改善車網(wǎng)耦合系統(tǒng)在多工況運行下的直流電壓抗干擾能力，提出了一種基于滑模觀測器的動車組網(wǎng)側(cè)整流器滑?？刂撇呗?sliding mode control method based on sliding mode observer, SMO+SMC)。首先，通過建立CRH3型動車組在坐標系下的數(shù)學模型，推導了滑模觀測器的設計方程。接著，利用滑模觀測器實時觀測牽引電機輸出功率后間接得到整流器直流側(cè)電流，將滑模觀測器的輸出提供給滑?？刂频耐猸h(huán)電壓控制模塊，實現(xiàn)滑模觀測器和滑?？刂频慕Y(jié)合。最后，將PI、滑模控制和SMO+SMC策略分別應用于CRH3型動車組仿真模型，對多工況下整流側(cè)直流電壓控制效果進行分析驗證，并基于HIL小步長實時仿真測試平臺進行了半實物實驗。仿真和實驗結(jié)果表明，SMO+SMC策略可以提高動車組運行速度改變時的直流電壓抗干擾能力和車網(wǎng)耦合運行時網(wǎng)側(cè)電流的穩(wěn)定性。

電氣化鐵路；動車組-牽引網(wǎng)耦合系統(tǒng)；多工況運行；滑模觀測器

0 引言

隨著高速鐵路的飛速發(fā)展，交-直-交型動車組大量投入使用，使牽引供電系統(tǒng)具有強烈的非線性和沖擊性，此外動車組在運行過程中還伴隨著不同的工況(牽引、制動、惰行等)，最終將導致牽引網(wǎng)-動車組耦合系統(tǒng)[1-4]供電電能質(zhì)量問題，如啟動超調(diào)量大、牽引網(wǎng)側(cè)電流總諧波失真率增大、制動時直流側(cè)電壓波動大、負載突變時直流電壓波動大等[2]。因此，如何提高動車組-牽引網(wǎng)耦合系統(tǒng)在不同運行工況下的電能質(zhì)量，保障動車組在復雜路況中的安全高效運行具有重大意義。

不同網(wǎng)側(cè)整流器(line side converter, LSC)控制策略對動車組-牽引網(wǎng)耦合系統(tǒng)的控制效果不同[5-7]。文獻[8]將無源控制和傳統(tǒng)解耦控制以及基于互連和阻尼分配的無源控制進行了對比分析，得出了基于互連和阻尼分配的無源控制時，網(wǎng)側(cè)電流具有最小的總諧波失真率(total harmonic distortion, THD)、整流器直流輸出電壓波動最小且響應速度最快，實現(xiàn)了對升弓整備過程中，牽引網(wǎng)電壓發(fā)生的低頻振蕩(low-frequency oscillation, LFO)現(xiàn)象的抑制等結(jié)論。文獻[9]提出了一種基于擴張觀測器(extended state observer, ESO)的非線性控制策略來抑制低頻振蕩，并與PI控制和滑?？刂?sliding mode control, SMC)控制進行了比較，分析了其控制效果，并在車網(wǎng)耦合系統(tǒng)dSPACE半物理平臺上驗證了LFO的抑制效果。然而，以上研究成果的研究對象都是處于升弓整備狀態(tài)時的動車組，且逆變器和電機被等效為一個純電阻，沒有考慮動車組在實際運行過程中的不同工況。

此外，車網(wǎng)耦合系統(tǒng)的性能與動車組運行工況也有一定關系，動車組發(fā)生再生制動時會對動車組整流器直流側(cè)輸出電壓產(chǎn)生影響，嚴重情況下會出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象，對電網(wǎng)和動車組產(chǎn)生沖擊。綜合上述幾點，本文嘗試提出一種基于滑模觀測器的動車組網(wǎng)側(cè)整流器滑?？刂撇呗詠硪种栖嚲W(wǎng)耦合系統(tǒng)在不同工況下的電壓和電流波動。

1 電力牽引傳動單元建模

CRH3型動車組由4個牽引傳動單元組成，牽引傳動單元是由車載變壓器、雙重化四象限整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器以及4臺三相異步電動機構(gòu)成[10]。其中，兩個整流器并聯(lián)連接，并采用相同的控制方式和電氣量參考值。CRH3型動車組整流器的控制策略一般采用傳統(tǒng)比例積分(proportional integral, PI) 控制；牽引逆變器一般采用空間矢量調(diào)制和轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制策略[10-11]。

動車組4臺牽引傳動單元的等效拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。在后文進行理論分析時，將逆變器和電機等效為一個電阻和非恒定直流電壓源串聯(lián)的電路[12-13]。

圖1 CRH3型動車組單個牽引傳動單元等效電路

圖2 CRH3型動車組拓撲結(jié)構(gòu)圖

結(jié)合式(1)—式(5)，可以得到旋轉(zhuǎn)坐標系中動車組的數(shù)學模型為

2 基于滑模觀測器的滑?？刂品椒ń?/h2>

圖3 基于SMC+SMO 4臺牽引傳動單元控制框圖

3.1 外環(huán)電壓模塊設計

1) 首先，對滑模觀測器進行數(shù)學建模。將式(6)中第3個式子等式兩邊分別乘以dc后可得

進一步化簡可得

根據(jù)基爾霍夫電壓定律定理可得

根據(jù)式(6)可得

根據(jù)式(21)可搭建外環(huán)電壓控制模塊框圖，如圖5所示。

3.2 滑模觀測器穩(wěn)定性分析

將式(9)和式(10)相減，可以得到

定義李雅普諾夫函數(shù)為

3.3 內(nèi)環(huán)電流模塊的設計

為保證車網(wǎng)系統(tǒng)具有較好的動、靜態(tài)性能，本文選用指數(shù)控制律，如式(30)所示。

式中：?項在系統(tǒng)狀態(tài)遠離滑模表面時起主要作用，它可使系統(tǒng)狀態(tài)迅速接近滑模表面；sign()項在系統(tǒng)狀態(tài)接近滑模表面時起主要作用，減慢系統(tǒng)狀態(tài)的逼近速度，避免劇烈的顫動；和是常數(shù)，可在 600 ≤≤1000、≤105中取值；sign()為符號函數(shù)，如式(31)所示。

代入式(6)可得

整理式(35)并將式(32)代入，可得開關函數(shù)的表達式，如式(36)所示。

從而推導出輸入到PWM模塊的兩個電量的表達式，如式(37)所示。

圖6 內(nèi)環(huán)電流控制模塊框圖

4 車網(wǎng)系統(tǒng)多工況運行性能仿真驗證

4.1 牽引電機轉(zhuǎn)速改變時的性能比較

根據(jù)式(39)計算可得轉(zhuǎn)動慣量的值為1000 kg·m2。

表1 整流器仿真模型主要參數(shù)

表2 SMO+SMC控制參數(shù)

圖9 列車運行速度改變3種控制策略下波形圖

表3 列車增速時3種控制策略下直流側(cè)電壓性能指標

表4 列車減速時3種控制策略下直流側(cè)電壓性能指標

4.2 車網(wǎng)耦合模型網(wǎng)側(cè)電流波動比較

為驗證基于SMO+SMC控制的CRH3型動車組網(wǎng)側(cè)單相整流器的控制策略抑制網(wǎng)側(cè)電壓電流波動的效果，采用降階法建立25 km牽引網(wǎng)模型，與基于傳統(tǒng)PI控制、SMC控制、SMO + SMC控制策略的4個牽引傳動單元并聯(lián)，構(gòu)成相互耦合的級聯(lián)系統(tǒng)。根據(jù)工程實際情況進行了仿真試驗：列車在0 s時刻接入牽引網(wǎng)并以20 rad/s的速度勻速運行，在100 s時牽引電機轉(zhuǎn)速由20 rad/s增加到100 rad/s、280 s時牽引電機轉(zhuǎn)速減小到50 rad/s。

根據(jù)圖10—圖12、表5和表6可看出，在面對列車運行速度改變時，基于SMO+SMC控制的CRH3型車單相整流器的控制效果優(yōu)于SMC控制或PI控制，網(wǎng)側(cè)電流在車輛運行速度改變的瞬間，即100 s、280 s時產(chǎn)生了較小的波動，并迅速恢復穩(wěn)定，以上對比說明SMO+SMC控制策略能夠增加牽引網(wǎng)側(cè)電流的穩(wěn)定性，保證牽引網(wǎng)-動車組復雜耦合系統(tǒng)的穩(wěn)定性且在3種策略中表現(xiàn)最佳。

圖10 車網(wǎng)耦合系統(tǒng)基于PI控制牽引網(wǎng)側(cè)電壓與電流仿真結(jié)果

圖11 車網(wǎng)耦合系統(tǒng)基于SMC控制牽引網(wǎng)側(cè)電壓與電流仿真結(jié)果

圖12 車網(wǎng)耦合系統(tǒng)基于SMO+SMC控制牽引網(wǎng)側(cè)電壓與電流仿真結(jié)果

表5 列車速度增加時3種控制策略下牽引網(wǎng)側(cè)電流性能指標

表6 列車速度降低時3種控制策略下直流側(cè)電流性能指標

5 半實物驗證

5.1 整流器直流側(cè)輸出電壓實驗驗證

仿真測試平臺上對仿真結(jié)果進行實驗驗證，測試平臺示意圖如圖13所示。將CRH3型動車組4個牽引傳動單元及車網(wǎng)耦合系統(tǒng)的仿真模型依次分為主電路和控制電路，主電路模型在基于NI-PXIe- FPGA-7868R的硬件在環(huán)測試系統(tǒng)HIL上運行，控制電路在CPU上運行。IO板包含許多IO通道，可以實現(xiàn)HIL和RCP之間的通信。示波器用于觀測各電氣量。主控機操作平臺用于對整個平臺進行操控。主電路和控制電路的相關參數(shù)都與Matlab/ Simulink平臺上的仿真參數(shù)一致。

圖13 半實物測試平臺示意圖

圖14 牽引電機轉(zhuǎn)速改變時半實物實驗圖

圖15 基于不同控制策略牽引電機轉(zhuǎn)速改變時實驗圖

5.3 車網(wǎng)耦合網(wǎng)側(cè)電壓電流實驗驗證

車網(wǎng)耦合模型的網(wǎng)側(cè)電壓電流的實驗波形圖如圖16所示，實驗結(jié)果表明PI、SMC、SMO控制下列車運行速度改變時，網(wǎng)側(cè)電流波動明顯SMC+ SMO控制策略下的網(wǎng)側(cè)電流在列車運行速度改變時的幅值最小，這與仿真結(jié)果基本一致，實驗可以說明在車網(wǎng)耦合模型中列車速度改變時SMO+SMC策略比PI控制和SMC控制的抗干擾能力更強。

6 結(jié)論

為提高車網(wǎng)耦合系統(tǒng)在多種運行工況下的電能質(zhì)量，本文提出一種改善動車組整流器側(cè)控制策略的方法。本文基于SMC和滑模觀測器的相關理論知識，結(jié)合CRH3型動車組整車拓撲結(jié)構(gòu)，設計了SMO+SMC控制策略，在Matlab/Simulink仿真平臺、HIL半實物驗證平臺將兩種控制策略和PI控制策略在多工況運行下的性能進行對比分析，主要結(jié)論如下：

1) 傳統(tǒng)PI控制對系統(tǒng)多工況運行時動、靜態(tài)性能的控制存在缺陷，例如啟動時存在超調(diào)、響應速度慢、電壓波動大以及負載變化時恢復至穩(wěn)態(tài)的時間長等等。

2) 在列車運行速度發(fā)生變化時，基于SMC策略的CRH3動車組整流器輸出直流電壓波動較大，本文嘗試將SMC算法與滑模觀測器結(jié)合以改善SMC的控制缺陷，仿真和半實物結(jié)果表明SMO+SMC策略可以改善SMC在負載突變時魯棒特性弱的缺點。

3) 在車網(wǎng)耦合系統(tǒng)中，列車運行速度發(fā)生變化時，仿真和半實物結(jié)果表明SMO+SMC策略可以有效改善牽引網(wǎng)側(cè)電流在牽引電機轉(zhuǎn)速改變時波動大的缺點。

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A control strategy for EMUs rectifier based on sliding mode observer

WANG Haoyu1, ZHANG Yuting1, 2, ZHANG Qiao1, LIU Zhigang1

(1. School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China;2. Wuxi Rail Construction Design Consulting Co., Ltd., Wuxi 214000, China)

To improve the DC voltage anti-interference ability of a vehicle-grid coupling system under multi-operating conditions, a sliding mode control strategy of EMUs grid side rectifier based on a sliding mode observer (SMO+SMC) is proposed. First, through building the mathematical model of CRH3 EMUs in a dq coordinate system, the design equation of the sliding mode observer is derived. Then, the sliding mode observer is used to observe the output power of the traction motor in real time, and the voltage control module of the outer loop of the sliding mode control is supplied to realize the combination of the sliding mode observer and the sliding mode control. Finally, PI, sliding mode control and SMO+SMC are applied to the simulation model of CRH3 EMUs. In addition, the DC voltage control effect of the rectifier side under multiple working conditions is analyzed and verified, and then a semi-physical experiment is carried out based on the HIL small step real-time simulation test platform. The simulation and experimental results show that the SMO+SMC strategy can improve the DC voltage anti-interference ability and the stability of grid side voltage and current when multiple vehicles are connected to the grid.

electrified railway; EMUs-traction network coupling system; multi-condition operation; sliding mode observer

10.19783/j.cnki.pspc.220153

國家自然科學基金高鐵聯(lián)合基金重點項目資助 (U1434203)

This work is supported by the Key Project of High Speed Rail Joint Foundation of National Natural Science Foundation of China (No. U1434203).

2022-02-09；

2022-03-25

王浩宇(1998—)，男，碩士，研究方向為軌道交通電氣化與自動化；E-mail: 1102012570 @qq.com

張雨婷(1996—)，女，碩士，研究方向為軌道交通電氣化與自動化；E-mail: 1437149530 @qq.com

張 喬(1994—)，男，通信作者，博士研究生，研究方向為軌道交通電氣化與自動化。E-mail: zhangqiao_jq@ 163.com

(編輯 周金梅)