一種基于自抗擾控制的高鐵牽引網(wǎng)低頻振蕩抑制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電子電力裝置控制，尤其是動車組網(wǎng)側(cè)整流器低頻振蕩抑制控制方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著高速鐵路的迅速發(fā)展，新型"交-直-交"電力機(jī)車因其功率因數(shù)高、功率大、 牽引力大等優(yōu)勢在電氣化鐵路系統(tǒng)中取得了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的"交-直-交"機(jī)車的控制 方法主要分為兩類，間接電流控制和直接電流控制。間接電流控制以"相幅控制"為代表， 直接電流控制包括滯環(huán)電流控制、預(yù)測電流控制和瞬態(tài)電流控制等。瞬態(tài)直接電流控制是 目前電力機(jī)車和高速動車組中采用較多的控制策略，但現(xiàn)存的控制器都是以線性PI控制 器為基礎(chǔ)?，F(xiàn)有技術(shù)的處理手段可由圖6來概括。
[0003] 由于高鐵高密度的運行，在同時啟動的動車組臺數(shù)大于等于6臺時，會發(fā)生高鐵 牽引網(wǎng)低頻振蕩現(xiàn)象，導(dǎo)致動車組會發(fā)生牽引封鎖，無法正常啟動，給給鐵路的正常運營帶 來極大不便，傳統(tǒng)的線性控制器已達(dá)不到理想的控制效果。
[0004] 為了改善機(jī)車線側(cè)脈沖整流器的控制性能，Erik Μ?丨丨erstedt等在文獻(xiàn) [Erik Mollerstedt, Bo Bernhardsson. Out of control because of harmonics an analysis of the harmonic response of an inverter locomotive[J]. IEEE Control Systems Magazine, 2000:70-81.]利用級聯(lián)諧波傳遞函數(shù)分析控制系統(tǒng)穩(wěn)定性，得出車網(wǎng) 系統(tǒng)穩(wěn)定性由整流器控制決定，但并沒有給出合理可行的解決方法。文獻(xiàn)[H.C，0.M，S. V, et al. Improvement of low-frequency railway power system stability using an advanced multivariable control concept[C]·Industrial Electronics,2009. IEC0N'09.35th Annual Conference of IEEE. IEEE, 2009:560-565.]通過調(diào)整PI 控 制參數(shù)，增強機(jī)車整流器穩(wěn)定性，但四象限變流器是一個典型的非線性、多變量強耦合 系統(tǒng)，對外界擾動和系統(tǒng)自身參數(shù)變化較為敏感，是個動態(tài)過程，PI控制器參數(shù)不能 自身進(jìn)行調(diào)整，且不容易整定。何立群等在文獻(xiàn)[He Liqun，JianXiong，HuiOuyang，et al.High-performance indirect current control scheme for railway traction four-quadrant converters[J]. IEEE Transactions on Industrial Electroni cs，2014, 61 (12) : 6645-6654.]中提出了 一個用于機(jī)車四象限變流器的高性能間接 電流控制方法，但該方法比較適合于低頻應(yīng)用。宋可薦等在文獻(xiàn)[Song Ke jian, Wu Mingli, Wang Hui. A high performance control strategy for three-level NPC EMU converters[C]. 7th International Power Electronics Conference. Hiroshima, Japan:I EEE，2014, 640-646.]提出了一個用于三電平中點鉗位變流器，綜合外環(huán)多陷波濾波器和內(nèi) 環(huán)調(diào)諧準(zhǔn)PR控制器的機(jī)車變流器控制方法，可以抑制固定階次的諧波，但抑制頻段是離散 的，作用局限。綜合分析上述方法：
[0005] 1)研究中電力機(jī)車和動車組均采用傳統(tǒng)的PI控制方法，控制參數(shù)不容易整定，且 PI控制對系統(tǒng)擾動比較敏感；
[0006] 2)四象限變流器是一個典型的非線性、多變量強耦合系統(tǒng)，對外界擾動和系統(tǒng)自 身參數(shù)變化較為敏感，采用傳統(tǒng)的線性控制方法已達(dá)不到理想的控制效果。
[0007] 因此，有必要將非線性控制方法引入到四象限變流器的控制中。自抗擾控制不依 賴于對象數(shù)學(xué)模型的絕對精確，把系統(tǒng)的內(nèi)、外擾動歸算為總擾動，并給予動態(tài)補償，

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明要解決的工程技術(shù)問題提出基于自抗擾控制的高鐵牽引網(wǎng)低頻振蕩抑制 方法具有對擾動進(jìn)行估計動態(tài)補償?shù)哪芰Γ?dāng)被控對象自身參數(shù)發(fā)生變化或遇到不確定性 擾動時仍能具有較好的控制品質(zhì)，具有較強的魯棒性和對控制參數(shù)的不敏感性，為解決動 車組-牽引網(wǎng)電氣量低頻振蕩的問題提供新思路。
[0009] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：
[0010] 一種基于自抗擾控制的高鐵牽引網(wǎng)低頻振蕩抑制方法，在CRH3型車變流器多車 同時啟動時抑制多車空載整備下牽引網(wǎng)網(wǎng)壓低頻振蕩，由跟蹤微分器TD、擴(kuò)張狀態(tài)觀測器 ESO和非線性誤差反饋控制律NLSEF構(gòu)成的非線性自抗擾控制器獲得最終控制量u，將u其 輸入到PWM整流器得到控制輸出，包括以下主要步驟
[0011] a)給定直流環(huán)節(jié)電壓Ud。的參考值u d";測得被控輸出量Udc ;
[0012] b)輸入被控制量直流環(huán)節(jié)電壓的給定參考值UdraJIj TD，輸出直流環(huán)節(jié)給定電壓參 考值的跟蹤值Utol;
[0013] c)將Ud。和最終控制量u的初始設(shè)定值u'乘以動態(tài)補償因子b分別輸入到擴(kuò)張 狀態(tài)觀測器ES0,輸出U d。的跟蹤信號Zl和擾動觀測值Z2 ;
[0014] d)用Udra^p u d。的跟蹤信號Zl作差，得到e。，并將其輸入到NLSFE，該環(huán)節(jié)將輸入 量進(jìn)行非線性組合，為誤差反饋環(huán)節(jié)，輸出u。；
[0015] e)用u。和擾動觀測值Z2除以動態(tài)補償因子b作差，得到最終控制量u，將u其輸 入到PffM整流器得到控制輸出ud。。
[0016] 這樣，本發(fā)明針對CRH3型車變流器實際情況采用一階非線性自抗擾控制器， 包括跟蹤微分器（tracking differentiator, TD)、擴(kuò)張狀態(tài)觀測器（extended State observer, ES0)和非線性反饋控制律（nonlinear states error feedback control laws, NLSEF)三部分，設(shè)計的步驟如下：
[0017] a)給定直流環(huán)節(jié)電壓Udc的參考值u dcr;
[0018] b) TD安排過渡過程，當(dāng)輸入信號發(fā)生變化時，使其輸出能夠在有限的時間內(nèi)無超 調(diào)的跟蹤輸入信號。：輸入被控制量直流環(huán)節(jié)電壓的給定參考值U draJIj TD，輸出直流環(huán)節(jié)給 定電壓參考值的跟蹤值Utol;
[0019] c)ESO可以對系統(tǒng)的總擾動進(jìn)行觀測并予以補償。測得被控輸出量Ud。，將Ud。和最 終控制量u的初始設(shè)定值 u'乘以動態(tài)補償因子b分別輸入到擴(kuò)張狀態(tài)觀測器ES0,輸出ud。 的跟蹤信號Zl和擾動觀測值Z2 ;
[0020] d)用Udra^P u d。的跟蹤信號Zl作差，得到e。，并將其輸入到NLSFE，該環(huán)節(jié)將輸入 量進(jìn)行非線性組合，為誤差反饋環(huán)節(jié)，輸出u。；
[0021] e)用u。和擾動觀測值Z2除以動態(tài)補償因子b作差，得到最終控制量u，將u其輸 入到PffM整流器得到控制輸出ud。。
[0022] 結(jié)合圖2可看出本發(fā)明提出的基于自抗擾控制器的瞬態(tài)直接電流控制策略的電 壓電流雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，其中電壓外環(huán)ADRC控制器可使中間直流電壓udc快速跟蹤給定值 udcr，對負(fù)載變化起抗擾作用；電流內(nèi)環(huán)采用P控制器，使實際的網(wǎng)側(cè)電流is較好跟蹤給定 的網(wǎng)側(cè)電流?，其輸出為調(diào)制信號的指令值4。結(jié)合脈沖整流器已有的分析，利用前邊設(shè)計 的自抗擾控制器，假設(shè)脈沖整流器工作在理想狀態(tài)下，不計其損耗及儲能，結(jié)合功率平衡原 理，考慮直流側(cè)支撐電容Cd，則有：
[0023]
[0024] 對上式規(guī)范化處理，有
[0025] 上式中，Ud和Id測量可較為方便，為實現(xiàn)簡單、快速控制，本發(fā)明直流電壓外環(huán)控 制器中，采用最優(yōu)控制函數(shù)fal實現(xiàn)對被控對象的跟蹤控制。可得：
[0026] In= k · fal (u dref-udc, a, d) ^1Zb1= k · fal (u dref-udc, a, d) +IdUd/UN
[0027] 結(jié)合圖2具體控制算法如下：
[0028]
[0029] 式中：k為電壓外環(huán)ADRC控制器的比例系數(shù)#為電流內(nèi)環(huán)比例控制器的比例系 數(shù)。ADRC控制器因?qū)_動具有動態(tài)估計并補償?shù)哪芰Γ蕦_動和參數(shù)的變化不敏感。
[0030] 利用上述分析設(shè)計一階ADRC控制器，結(jié)合機(jī)車整流器本身和控制工程實踐整定 一階 ADRC 控制器參數(shù)為 TD :r = 0· 5, h。= 0· I ;ES0:a = 0.5，d = 0.1，β i=]^，β2 = 45, b = 1，h = 0.1 ;NLSEF:a = 0. 25, d = 0. 1，k = 0. 6, b = 1。
[0031] 本發(fā)明針對機(jī)車整流具有非線性、強耦合的特點，在多車同時啟動時，常規(guī)的線性 PI控制器，已不能滿足控制要求，ADRC控制器能夠克服PI控制器的快速性和超調(diào)之間的矛 盾，能夠?qū)崿F(xiàn)擾動的及時估計和非線性動態(tài)補償，保證其具有更好的控制品質(zhì)；基于ADRC 控制器的瞬態(tài)直接電流控制策略能夠較好的抑制多車空載整備下牽引網(wǎng)網(wǎng)壓低頻振蕩問 題?？刂撇捎靡浑A自抗擾控制器控制結(jié)構(gòu)簡單，實施方便，無需增加額外的電壓電流檢測裝 置，通過算法中控制的函數(shù)模塊，把整流器的內(nèi)擾和外擾歸結(jié)為總的擾動進(jìn)行估計并給予 動態(tài)補償，增強了控制器的魯棒性和對控制參數(shù)擾動的不敏感性。
[0032] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果可概括為：
[0033] 1、本發(fā)明在控制過程中針對了整流器這種強耦合、非線性系統(tǒng)，引入了非線性自 抗擾控制器，提高了整流器的控制穩(wěn)定性，能夠有效抑制牽引網(wǎng)-動車組電氣量低頻振蕩 問題。
[0034] 2、本發(fā)明實施方便，無需增加額外的電壓電流檢測裝置，通過算法中控制的函數(shù) 模塊，把整流器的內(nèi)擾和外擾歸結(jié)為總的擾動進(jìn)行估計并給予動態(tài)補償，增強了控制器的 魯棒性和對控制參數(shù)擾動的不敏感性。
【附圖說明】
[0035] 圖1自抗擾控制器設(shè)計