一种多CRH5型车网耦合系统车侧电气量低频振荡抑制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种多CRH5型车网耦合系统车侧电气量低频振荡抑制方法，基于改进自抗扰控制策略IADRC，以CRH5型动车组两重化四象限脉冲整流器为一阶模型，设计可用于dq解耦电流控制整流器的一阶IADRC控制方法；用所述一阶IADRC控制方法代替原电压控制器中PI环节，对CRH5型动车整流器的电压控制器进行建模；根据建模所得的跟踪微分器TD、扩张状态观测器ESO、非线性状态误差反馈控制律NLSEF的函数，得到基于IADRC的CRH5型动车组整流器电压控制器控制结构模型。通过仿真测试验证后发现，本发明专利技术基于IADRC的控制策略对多CRH5型车网耦合系统出现车侧电气量低频振荡具有很好的抑制效果。

A low frequency oscillation suppression method for vehicle side electrical quantity of multi CRH5 type vehicle network coupling system

The invention discloses a low-frequency oscillation suppression method for vehicle side electrical quantity of multi-CRH5 type vehicle-network coupling system. Based on the improved auto-disturbance rejection control strategy IADRC, the first-order IADRC control method for DQ decoupling current control rectifier is designed with the CRH5 type EMU dual four-quadrant pulse rectifier as the first-order model. The voltage controller of CRH5 EMU rectifier is modeled by replacing the PI part of the original voltage controller with the control method. According to the functions of tracking differentiator TD, extended state observer ESO and nonlinear state error feedback control law NLSEF, the voltage controller control junction of CRH5 EMU rectifier based on IADRC is obtained. Structure model. The simulation results show that the control strategy based on IADRC has good suppression effect on low frequency oscillation of vehicle side electrical quantity in multi-CRH5 vehicle network coupling system.

【技术实现步骤摘要】
一种多CRH5型车网耦合系统车侧电气量低频振荡抑制方法
本专利技术属于高铁控制
，尤其涉及一种多CRH5型车网耦合系统车侧电气量低频振荡抑制方法。
技术介绍
随着西成、石济等高铁线路相继开通，截至2017年底，我国高速铁路总里程已达2.5万公里，日开行高速列车对数2300余对。多种型号动车组在改造既有线、新建高速铁路上高密度、高速度运营，系统各种耦合性问题日益严重，尤其近年来多区域出现的车侧电气量低频振荡引起的机车大面积牵引封锁现象。不同于电力系统的低频振荡，电气化铁路车网电气耦合系统的网侧低频振荡属于运营中出现的车网电气匹配问题。目前针对多车网电气耦合产生低频振荡的研究方法主要有时域分析法、特征值分析法和频域分析法。文献1利用主导极点，分析了机车数量、电压环、电流环参数对车网系统低频振荡现象的影响规律；文献2设计了二自由度内模控制器，改进后的方法跟随性能和抗干扰性能，能够有效抑制高速铁路牵引网低频振荡；文献3～4构建了四象限脉冲整流器状态空间模型和闭环小信号模型传递函数，分析了多车接入牵引网的稳定性以及控制参数、动车数量等因素的影响；文献5～6通过非线性模式分析方法Hopf分叉理论研究了脉冲整流器及其构成系统的非线性特性，分析了脉冲整流器的非线性特性对低频振荡的影响；文献7利用单相系统dq解耦理论，通过主导极点和欠阻尼机理分析了机车数量、负荷大小、供电臂长度、积分器与控制器参数对系统低频稳定性的影响。综上，针对多车网耦合低频振荡现象，除了牵引供电网的影响，不同电气化机车整流器的控制参数和控制结构也有很大影响。目前国内研究较多是HXD1B、HXD2B、HXD3B型机车和CRH1、CRH3动车组等负载，而对大量投入的CRH5型动车组和牵引网耦合的低频振荡研究不多。2010年9月，由于北京、郑州、沈阳等铁路局投入运行的CRH5型动车组密度较大，在北京、郑州、沈阳、青岛等地动车所，CRH5型动车组升弓整备时发生牵引封锁导致动车组牵引动力单元无法获得电力，对于运行中的动车组来说尤为危险，可能会造成动车组追尾等事故。国内学者、各铁路局工作人员对经常发生低频振荡的动车所、机务段、大型站场的牵引网电气量进行了实时测量。其中，对CRH5型动车组-牵引网耦合系统出现低频振荡的高密-青岛站区间现场测试的网侧电压、电流和车侧直流环节电压等电气量波形如图1所示(更具体详见文献8)。针对北京、沈阳、青岛、郑州等地动车所CRH5型动车组整流器发生封锁的现象，需要设计出多CRH5型动车组的低频振荡抑制方法。对多列CRH5型动车组整备投入牵引供电系统时的车侧电气量低频振荡进行抑制研究，首先需对耦合系统进行整体分析。图2为多列CRH5型动车组整备投入全并联AT复线单相工频交流2×27.5kV的牵引供电示意图。图2中，当多列CRH5型动车组投入系统发生网侧电气量低频振荡甚至发生列车牵引封锁时，通常这些动车组处于空载/轻载整备状态，即牵引变换器的逆变器和牵引电机部分处于不工作状态。因此，牵引供电系统AT网络结构、相关电气量的动态时变特性，CRH5型动车组负荷的非线性及多车-网系统复杂电气耦合关系等共同构成车网电气耦合系统的核心问题。考虑到从牵引网侧抑制低频振荡措施的成本较大，因此，车网电气耦合系统网侧电气量低频振荡现象主要与动车组整流器的控制参数和控制结构有着紧密关系。CRH5型动车组牵引传动系统如图3所示。动力配置为5动3拖的动力分散式，在3号和6号车厢上装设有受电弓，动车组运行时采用单弓受流方式。动力单元3可以由主变压器1直接供电，也可通过转换开关由主变压器2供电。牵引网发生低频振荡的地点多在动车所或规模较大的站场，此时动车组处于空载或轻载状态，只有整流器和辅助逆变器参加工作，整流器之后的逆变器、异步电机均处于不工作状态。此外，辅助逆变器向车载三相380V/50Hz用电设备供电，此时的直流环节可以等效成恒流源或阻抗。由此可见，本专利技术应当以CRH5型动车组两重化四象限脉冲整流器作为抑制系统车侧电气量低频振荡的研究对象。其次，CRH5型动车组整流器采用dq解耦电流控制策略，即dq轴下的电压电流两环控制策略，CRH5型动车组整流器的控制结构主要由四部分组成：电流同步系统(ACCurrentSynchronizationSystem，CSS)、电压同步系统(ACVoltageSynchronizationSystem，VSS)、电流控制器(ACCurrentController，ACC)、电压控制器(DCVoltageController，DVC)。其中电压同步系统由电压二阶带通滤波器(SecondOrderGeneralizedIntegrator，SOGI)、锁相环(PhaseLockedLoop，PLL)组成；CSS与VSS结构相似，由电流二阶带通滤波器、锁相环组成。具体的CRH5型动车组整流器控制框图如图4所示。图4中，网压u和整流器输入电流i通过SOGI滤波后生成αβ静止坐标系下的电压控制信号(uα、uβ)、电流信号(iα、iβ)，形成两相静止坐标系下(αβ轴)的变量。uα和uβ通过αβ/dq转换模块变为网压的dq轴分量，同时整流器输入电流i的dq轴分量id和iq也通过同样方式获得。θ为网压同步相角，ud、ud*为整流器直流侧电压、直流侧电压参考值，末端ua为调制波电压。由图4可以看出，基于PI控制的电压控制器的输入量是输出电压ud与参考电压ud*的差值，即PI控制策略的本质是将实际行为与控制目标的差值作为消除这个误差的控制策略。在误差的取法上，没有考虑建立模型时忽略的未知实际扰动，同时PI控制采用加权和的线性策略并不能完全应用于非线性系统中。此外，PI控制器的参数无法实时跟踪系统状态的变化，也不能及时对系统的状态进行估计，具有延迟性。PI控制器需要反馈环节可实现无静差调节，但这个过程任存在积分反馈的副作用，无法解决超调量和快速性之间的矛盾，即在某些情况下为了快速性要求不得不牺牲超调。总之，对于CRH5型动车组整流器这种非线性器件，使用PI控制无法得到良好的控制效果。参考文献：[1]：周毅，胡海涛，何正友，等.电气化铁路车网耦合系统低频振荡分析[J].中国电机工程学报，2017，37(9)：72-80).[2]：冷月，杨洪耕，王智琦，等.一种基于二自由度内模控制的牵引网低频振荡抑制方法[J].电网技术，2017，41(1)：207-213.[3]：LIUZhi-gang，ZHANGGui-nan，LIAOYi-cheng.StabilityResearchofHigh-SpeedRailwayEMUsandTractionNetworkCascadeSystemConsideringImpedanceMatching[J].IEEETransactionsonIndustryApplications，2016，52(5)：4315-4326.[4]：陶海东，胡海涛，姜晓锋，等.牵引供电低频网压振荡影响规律研究[J].电网技术，2016，40(6)：1830-1838.[5]：师维.高速列车四象限变流器非线性振荡现象研究[D].北京：北京交通大学，2016.[6]：LIANQiao-na，LinFei，ShiWei本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多CRH5型车网耦合系统车侧电气量低频振荡抑制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1、基于改进自抗扰控制策略IADRC，以CRH5型动车组两重化四象限脉冲整流器为一阶模型，设计可用于dq解耦电流控制整流器的一阶IADRC控制方法；S2、用所述一阶IADRC控制方法代替原电压控制器中PI环节，对CRH5型动车整流器的电压控制器进行建模；S3、根据建模所得的跟踪微分器TD、扩张状态观测器ESO、非线性状态误差反馈控制律NLSEF的函数，得到基于IADRC的CRH5型动车组整流器电压控制器控制结构模型。

【技术特征摘要】
1.一种多CRH5型车网耦合系统车侧电气量低频振荡抑制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1、基于改进自抗扰控制策略IADRC，以CRH5型动车组两重化四象限脉冲整流器为一阶模型，设计可用于dq解耦电流控制整流器的一阶IADRC控制方法；S2、用所述一阶IADRC控制方法代替原电压控制器中PI环节，对CRH5型动车整流器的电压控制器进行建模；S3、根据建模所得的跟踪微分器TD、扩张状态观测器ESO、非线性状态误差反馈控制律NLSEF的函数，得到基于IADRC的CRH5型动车组整流器电压控制器控制结构模型。2.如权利要求1所述的多CRH5型车网耦合系统车侧电气量低...

【专利技术属性】
技术研发人员：王英，王迎晨，母秀清，赵峰，陈小强，李琪瑶，陈思彤，曹丽，
申请(专利权)人：兰州交通大学，
类型：发明
国别省市：甘肃,62