一种用于动车组永磁同步电机牵引系统的拍频抑制方法技术方案

本发明专利技术提供了一种用于动车组永磁同步电机牵引系统的拍频抑制方法。所述方法包括：根据传感器采集的永磁电机三相电流得到同步旋转坐标系下的d、q轴电流；根据d、q轴电流给定和d、q轴电流误差通过PI控制器生成d、q轴参考电压调节值；应用预设的准谐振控制器对d、q轴电流中存在的电网二倍频波动进行抑制，将PI控制器的输出和准谐振控制器的输出相叠加，得到最终的d、q轴参考电压；生成的参考电压经过PWM环节，最终实现对动车组永磁同步电机牵引系统的拍频抑制。与现有控制技术相比，本发明专利技术在去除LC谐振电路的基础上，通过提出的控制算法对拍频电流进行抑制，降低了转矩脉动，提升了系统稳定性。稳定性。稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种用于动车组永磁同步电机牵引系统的拍频抑制方法


[0001]本专利技术属于动车组领域，具体涉及一种用于动车组永磁同步电机牵引系统的拍频抑制方法。

技术介绍

[0002]由于动车组牵引传动系统采用单相整流器的拓扑结构，因此输入功率会随着二倍电网频率呈现交流变化，导致直流母线电压存在二倍网侧电压频率的波动。脉动的中间直流母线电压将会进一步与电机侧逆变器相互耦合，导致牵引电机出现明显的拍频现象，使得电机转矩和电流产生脉动。拍频问题不仅降低了牵引变流器的性能，更严重影响了动车组运行的安全性、可靠性和高效性。
[0003]目前在我国运行的高速列车均采用感应电机牵引系统，而永磁电机具有高效率、低能耗、轻量化、启动特性好、噪声低、可维修性好等诸多优点，随着高铁运力的不断上升、高速列车用量的不断增加，发展高效节能的永磁电机牵引系统高速动车组已成为发展趋势。
[0004]针对动车组牵引系统的拍频现象，现有技术主要有硬件解决方案和软件解决方案。其中硬件解决方案主要是采用在中间直流环节并联LC谐振回路或者增大直流侧母线电容容量的方式来降低电压动，该方法简单有效，但LC谐振回路体积大，增加成本并且不利于车辆轻量化。软件解决方案是在不增加任何硬件配置的基础上，通过控制算法来补偿直流电压波动所引起的输出电压谐波，这种方案能够降低成本，具有很大的实用价值，属于研究的热点。
[0005]现有的拍频抑制算法多针对感应电机牵引系统，专利文件“一种用于动车组电传动系统的拍频抑制系统及方法”(CN112311292A)通过提取母线电压信号二倍频波动分量，经过拍频抑制控制器来进行频率和相位补偿来实现拍频抑制，本质上属于开环算法，依赖提取的母线电压波动分量；专利文件“电机拍频抑制方法及系统、电传动控制系统、存储介质”(CN112751519B)基于静态补偿系数和动态补偿系数给定转矩或者给定转矩对应的给定转差进行补偿，但实现较复杂，面向动车组永磁同步电机牵引系统的拍频抑制方法，能够满足未来高速动车组需求。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服现有技术缺点，提出一种用于动车组永磁同步电机牵引系统的拍频抑制方法，能够有效降低异步调制、同步调制和方波控制下的低频拍频电流和转矩波动。
[0007]为了实现上述目，本专利技术采取以下的技术方案：
[0008]首先将电流传感器采集的永磁电机三相电流进行坐标变换得到同步旋转坐标系下的d、q轴电流；根据d、q轴电流给定和d、q轴电流误差量通过PI控制器生成d、q轴参考电压调节量；应用预设的准谐振控制器对d、q轴电流中存在的电网二倍频波动进行抑制，将PI控
制器的输出和准谐振控制器的输出相叠加，得到最终的d、q轴参考电压；生成的参考电压经过PWM环节，最终实现对动车组永磁同步电机牵引系统的拍频抑制。
[0009]本专利技术包括以下步骤：
[0010]步骤1：将电流传感器采集的电机三相电流变换到旋转坐标系下。
[0011]由于单相整流器的固有问题，直流侧电压存在二倍频波动，电机电流中会产生w
e
‑
2w
g
的低频电流波动分量和w
e
+2w
g
的高频电流波动分量，忽略高频谐波，电机三相电流可以表示为：
[0012][0013]其中，i
a
，i
b
，i
c
为电机三相电流，t为时间w
e
为电机角速度，w
g
为电网频率，I
s
和I
h
分别为基波电流幅值和波动电流幅值，为低频波动分量和高频波动分量相位；
[0014]采用等幅值变换如下所示：
[0015][0016]其中，θ为电角度。
[0017]结合式(1)和(2)可以得到旋转坐标系下的d、q轴电流为：
[0018][0019]其中，i
d
，i
q
为d、q轴电流，i
d0
，i
q0
为d、q轴基波电流可以看出，在旋转坐标系下，d、q轴电流存在二倍频分量。
[0020]步骤2：基于d、q电流设定值以及低通滤波处理后的d、q轴电流进行PI控制，以输出d、q轴电压调节值。
[0021]首先设计低通滤波器，滤除i
d
，i
q
中存在的二倍频分量以及其它高频分量。一阶低通滤波器传递函数为：
[0022][0023]其中，w
f
＝2πf
c
，f
c
为低通滤波器的截止频率，s为复变量。
[0024]对滤波后的d、q轴电流进行比例积分控制，得到d、q轴电压调节值，计算如下：
[0025][0026][0027]其中，k
p
，k
i
为PI控制器系数，为d、q轴电流给定，i
dLPF
，i
qLPF
为经过低通滤波器后的d、q轴电流，u
dPI
，u
qPI
为PI控制器的输出。通过调节PI控制器的系数，就能够实现对基频电流的良好跟踪。
[0028]步骤3：针对d、q轴电流二倍频分量，设计准谐振控制器，用于抑制拍频电流。
[0029]谐振控制器能够在某单一频率w
n
处产生高增益以实现对交流信号的无稳态误差
跟踪，而对其他频率信号存在明显衰减，使得控制器频带过窄，由于牵引电网存在谐波，降低了控制系统的抗干扰性，因此采用准谐振控制器，来提高系统稳定性。同时，为了对控制系统中存在的相角滞后进行补偿，采用带延时补偿的准谐振控制器，其传递函数为：
[0030][0031]其中，w
n
为谐振频率，w
c
为准谐振控制器带宽，θ
n
为控制系统中存在的滞后相角。
[0032]为了抑制d、q轴电流二倍频分量，采用谐振频率为2w
g
的准谐振控制器，计算如下：
[0033][0034]其中，u
dQRSC
，u
qQRSC
为准谐振控制器的输出，k
r
为准谐振控制器的系数，通过调节k
r
就可以实现对拍频电流的抑制。
[0035]此外，谐振控制器在数字化实现的时候会存在谐振点偏移，采用带预畸变的双线性变换来对式(6)的传递函数进行离散，离散方法具体为：
[0036][0037]其中，T
s
为离散步长，z为离散系统复变量，根据式(6)和(8)可以得到离散的准谐振控制器传递函数如下：
[0038][0039]其中，a
n1
，a
n2
，b
n0
，b
n1
，b
n2
为系数，具体为：
[0040][0041]步骤4：将本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于动车组永磁同步电机牵引系统的拍频抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将电流传感器采集的电机三相电流变换到旋转坐标系下；步骤2：基于d、q轴电流设定值以及低通滤波处理后的d、q轴电流进行PI控制，以输出d、q轴电压调节值；步骤3：针对d、q轴电流二倍频分量，设计准谐振控制器，用于抑制拍频电流；步骤4：将PI控制器的输出和准谐振控制器的输出相叠加，得到最终的d、q轴参考电压；步骤5：生成的参考电压经过PWM环节，最终实现对动车组永磁同步电机牵引系统的拍频抑制。2.按照权利要求1所述的拍频抑制方法，其特征在于，所述的步骤1中：忽略高频谐波，电机三相电流中存在ω
e
‑
2ω
g
的低频电流波动分量和ω
e
+2ω
g
的高频电流波动分量，表示为：其中，i
a
，i
b
，i
c
为电机三相电流，t为时间ω
e
为电机角速度，ω
g
为电网频率，I
s
和I
h
分别为基波电流幅值和波动电流幅值，为低频波动分量和高频波动分量相位；采用等幅值变换如下所示：其中，θ为电角度；结合式(1)和(2)，得到旋转坐标系下的d、q轴电流为：其中，i
d
，i
q
为d、q轴电流，i
d0
，i
q0
为d、q轴基波电流；在旋转坐标系下，d、q轴电流存在二倍频分量。3.按照权利要求2所述的拍频抑制方法，其特征在于，所述的步骤2中，一阶低通滤波器传递函数为：其中，ω
f
＝2πf
c
，f
c
为低通滤波器的截止频率，s为复变量；对滤波后的d、q轴电流进行比例积分控制，得到d、q轴电压调节值，计算如下：其中，k
p
，k
i
为PI控制器系数，为d、q轴电流给定，i
drpF
，i
qLPF
为经过低通滤波...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱进权，葛琼璇，赵鲁，王珂，张波，王晓新，赵牧天，曹学谦，郑彦喜，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：