一種基于自抗擾控制的高鐵牽引網低頻振蕩抑制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及電子電力裝置控制，尤其是動車組網側整流器低頻振蕩抑制控制方 法。
【背景技術】
[0002] 隨著高速鐵路的迅速發(fā)展，新型"交-直-交"電力機車因其功率因數高、功率大、 牽引力大等優(yōu)勢在電氣化鐵路系統中取得了廣泛應用。傳統的"交-直-交"機車的控制 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 目前電力機車和高速動車組中采用較多的控制策略，但現存的控制器都是以線性PI控制 器為基礎?，F有技術的處理手段可由圖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大于等于6臺時，會發(fā)生高鐵 牽引網低頻振蕩現象，導致動車組會發(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，傳統的線性控制器已達不到理想的控制效果。
[0004] 為了改善機車線側脈沖整流器的控制性能，Erik Μ?丨丨erstedt等在文獻 [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.]利用級聯諧波傳遞函數分析控制系統穩(wěn)定性，得出車網 系統穩(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[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.]通過調整PI 控 制參數，增強機車整流器穩(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，對外界擾動和系統自身參數變化較為敏感，是個動態(tài)過程，PI控制器參數不能 自身進行調整，且不容易整定。何立群等在文獻[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用。宋可薦等在文獻[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 環(huán)調諧準PR控制器的機車變流器控制方法，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)研究中電力機車和動車組均采用傳統的PI控制方法，控制參數不容易整定，且 PI控制對系統擾動比較敏感；
[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，對外界擾動和系統自 身參數變化較為敏感，采用傳統的線性控制方法已達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 賴于對象數學模型的絕對精確，把系統的內、外擾動歸算為總擾動，并給予動態(tài)補償，

【發(fā)明內容】

[0008] 本發(fā)明要解決的工程技術問題提出基于自抗擾控制的高鐵牽引網低頻振蕩抑制 方法具有對擾動進行估計動態(tài)補償的能力，當被控對象自身參數發(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，具有較強的魯棒性和對控制參數的不敏感性，為解決動 車組-牽引網電氣量低頻振蕩的問題提供新思路。
[0009] 本發(fā)明的技術解決方案是：
[0010] 一種基于自抗擾控制的高鐵牽引網低頻振蕩抑制方法，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網壓低頻振蕩，由跟蹤微分器TD、擴張狀態(tài)觀測器 ESO和非線性誤差反饋控制律NLSEF構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的初始設定值u'乘以動態(tài)補償因子b分別輸入到擴張 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，當輸入信號發(fā)生變化時，使其輸出能夠在有限的時間內無超 調的跟蹤輸入信號。：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可以對系統的總擾動進行觀測并予以補償。測得被控輸出量Ud。，將Ud。和最 終控制量u的初始設定值 u'乘以動態(tài)補償因子b分別輸入到擴張狀態(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)控制結構，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，對負載變化起抗擾作用；電流內環(huán)采用P控制器，使實際的網側電流is較好跟蹤給定 的網側電流?，其輸出為調制信號的指令值4。結合脈沖整流器已有的分析，利用前邊設計 的自抗擾控制器，假設脈沖整流器工作在理想狀態(tài)下，不計其損耗及儲能，結合功率平衡原 理，考慮直流側支撐電容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fal實現對被控對象的跟蹤控制?？傻茫?br>[0026] In= k · fal (u dref-udc, a, d) ^1Zb1= k · fal (u dref-udc, a, d) +IdUd/UN
[0027] 結合圖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#為電流內環(huán)比例控制器的比例系 數。ADRC控制器因對擾動具有動態(tài)估計并補償的能力，故對擾動和參數的變化不敏感。
[0030] 利用上述分析設計一階ADRC控制器，結合機車整流器本身和控制工程實踐整定 一階 ADRC 控制器參數為 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之間的矛 盾，能夠實現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；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網壓低頻振蕩問 題。控制采用一階自抗擾控制器控制結構簡單，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模塊，把整流器的內擾和外擾歸結為總的擾動進行估計并給予 動態(tài)補償，增強了控制器的魯棒性和對控制參數擾動的不敏感性。
[0032] 與現有技術相比，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，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-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 模塊，把整流器的內擾和外擾歸結為總的擾動進行估計并給予動態(tài)補償，增強了控制器的 魯棒性和對控制參數擾動的不敏感性。
【附圖說明】
[0035] 圖1自抗擾控制器設計