一种基于自抗扰控制的高铁牵引网低频振荡抑制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电子电力装置控制，尤其是动车组网侧整流器低频振荡抑制控制方 法。
【背景技术】
[0002] 随着高速铁路的迅速发展，新型"交-直-交"电力机车因其功率因数高、功率大、 牵引力大等优势在电气化铁路系统中取得了广泛应用。传统的"交-直-交"机车的控制 方法主要分为两类，间接电流控制和直接电流控制。间接电流控制以"相幅控制"为代表， 直接电流控制包括滞环电流控制、预测电流控制和瞬态电流控制等。瞬态直接电流控制是 目前电力机车和高速动车组中采用较多的控制策略，但现存的控制器都是以线性PI控制 器为基础。现有技术的处理手段可由图6来概括。
[0003] 由于高铁高密度的运行，在同时启动的动车组台数大于等于6台时，会发生高铁 牵引网低频振荡现象，导致动车组会发生牵引封锁，无法正常启动，给给铁路的正常运营带 来极大不便，传统的线性控制器已达不到理想的控制效果。
[0004] 为了改善机车线侧脉冲整流器的控制性能，Erik Μ?丨丨erstedt等在文献 [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.]利用级联谐波传递函数分析控制系统稳定性，得出车网 系统稳定性由整流器控制决定，但并没有给出合理可行的解决方法。文献[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.]通过调整PI 控 制参数，增强机车整流器稳定性，但四象限变流器是一个典型的非线性、多变量强耦合 系统，对外界扰动和系统自身参数变化较为敏感，是个动态过程，PI控制器参数不能 自身进行调整，且不容易整定。何立群等在文献[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 一个用于机车四象限变流器的高性能间接 电流控制方法，但该方法比较适合于低频应用。宋可荐等在文献[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.]提出了一个用于三电平中点钳位变流器，综合外环多陷波滤波器和内 环调谐准PR控制器的机车变流器控制方法，可以抑制固定阶次的谐波，但抑制频段是离散 的，作用局限。综合分析上述方法：
[0005] 1)研究中电力机车和动车组均采用传统的PI控制方法，控制参数不容易整定，且 PI控制对系统扰动比较敏感；
[0006] 2)四象限变流器是一个典型的非线性、多变量强耦合系统，对外界扰动和系统自 身参数变化较为敏感，采用传统的线性控制方法已达不到理想的控制效果。
[0007] 因此，有必要将非线性控制方法引入到四象限变流器的控制中。自抗扰控制不依 赖于对象数学模型的绝对精确，把系统的内、外扰动归算为总扰动，并给予动态补偿，
【发明内容】
[0008] 本发明要解决的工程技术问题提出基于自抗扰控制的高铁牵引网低频振荡抑制 方法具有对扰动进行估计动态补偿的能力，当被控对象自身参数发生变化或遇到不确定性 扰动时仍能具有较好的控制品质，具有较强的鲁棒性和对控制参数的不敏感性，为解决动 车组-牵引网电气量低频振荡的问题提供新思路。
[0009] 本发明的技术解决方案是：
[0010] 一种基于自抗扰控制的高铁牵引网低频振荡抑制方法，在CRH3型车变流器多车 同时启动时抑制多车空载整备下牵引网网压低频振荡，由跟踪微分器TD、扩张状态观测器 ESO和非线性误差反馈控制律NLSEF构成的非线性自抗扰控制器获得最终控制量u，将u其 输入到PWM整流器得到控制输出，包括以下主要步骤
[0011] a)给定直流环节电压Ud。的参考值u d";测得被控输出量Udc ;
[0012] b)输入被控制量直流环节电压的给定参考值UdraJIj TD，输出直流环节给定电压参 考值的跟踪值Utol;
[0013] c)将Ud。和最终控制量u的初始设定值u'乘以动态补偿因子b分别输入到扩张 状态观测器ES0,输出U d。的跟踪信号Zl和扰动观测值Z2 ;
[0014] d)用Udra^p u d。的跟踪信号Zl作差，得到e。，并将其输入到NLSFE，该环节将输入 量进行非线性组合，为误差反馈环节，输出u。；
[0015] e)用u。和扰动观测值Z2除以动态补偿因子b作差，得到最终控制量u，将u其输 入到PffM整流器得到控制输出ud。。
[0016] 这样，本发明针对CRH3型车变流器实际情况采用一阶非线性自抗扰控制器， 包括跟踪微分器（tracking differentiator, TD)、扩张状态观测器（extended State observer, ES0)和非线性反馈控制律（nonlinear states error feedback control laws, NLSEF)三部分，设计的步骤如下：
[0017] a)给定直流环节电压Udc的参考值u dcr;
[0018] b) TD安排过渡过程，当输入信号发生变化时，使其输出能够在有限的时间内无超 调的跟踪输入信号。：输入被控制量直流环节电压的给定参考值U draJIj TD，输出直流环节给 定电压参考值的跟踪值Utol;
[0019] c)ESO可以对系统的总扰动进行观测并予以补偿。测得被控输出量Ud。，将Ud。和最 终控制量u的初始设定值 u'乘以动态补偿因子b分别输入到扩张状态观测器ES0,输出ud。 的跟踪信号Zl和扰动观测值Z2 ;
[0020] d)用Udra^P u d。的跟踪信号Zl作差，得到e。，并将其输入到NLSFE，该环节将输入 量进行非线性组合，为误差反馈环节，输出u。；
[0021] e)用u。和扰动观测值Z2除以动态补偿因子b作差，得到最终控制量u，将u其输 入到PffM整流器得到控制输出ud。。
[0022] 结合图2可看出本发明提出的基于自抗扰控制器的瞬态直接电流控制策略的电 压电流双环控制结构，其中电压外环ADRC控制器可使中间直流电压udc快速跟踪给定值 udcr，对负载变化起抗扰作用；电流内环采用P控制器，使实际的网侧电流is较好跟踪给定 的网侧电流?，其输出为调制信号的指令值4。结合脉冲整流器已有的分析，利用前边设计 的自抗扰控制器，假设脉冲整流器工作在理想状态下，不计其损耗及储能，结合功率平衡原 理，考虑直流侧支撑电容Cd，则有：
[0023]
[0024] 对上式规范化处理，有
[0025] 上式中，Ud和Id测量可较为方便，为实现简单、快速控制，本发明直流电压外环控 制器中，采用最优控制函数fal实现对被控对象的跟踪控制。可得：
[0026] In= k · fal (u dref-udc, a, d) ^1Zb1= k · fal (u dref-udc, a, d) +IdUd/UN
[0027] 结合图2具体控制算法如下：
[0028]
[0029] 式中：k为电压外环ADRC控制器的比例系数#为电流内环比例控制器的比例系 数。ADRC控制器因对扰动具有动态估计并补偿的能力，故对扰动和参数的变化不敏感。
[0030] 利用上述分析设计一阶ADRC控制器，结合机车整流器本身和控制工程实践整定 一阶 ADRC 控制器参数为 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] 本发明针对机车整流具有非线性、强耦合的特点，在多车同时启动时，常规的线性 PI控制器，已不能满足控制要求，ADRC控制器能够克服PI控制器的快速性和超调之间的矛 盾，能够实现扰动的及时估计和非线性动态补偿，保证其具有更好的控制品质；基于ADRC 控制器的瞬态直接电流控制策略能够较好的抑制多车空载整备下牵引网网压低频振荡问 题。控制采用一阶自抗扰控制器控制结构简单，实施方便，无需增加额外的电压电流检测装 置，通过算法中控制的函数模块，把整流器的内扰和外扰归结为总的扰动进行估计并给予 动态补偿，增强了控制器的鲁棒性和对控制参数扰动的不敏感性。
[0032] 与现有技术相比，本发明的有益效果可概括为：
[0033] 1、本发明在控制过程中针对了整流器这种强耦合、非线性系统，引入了非线性自 抗扰控制器，提高了整流器的控制稳定性，能够有效抑制牵引网-动车组电气量低频振荡 问题。
[0034] 2、本发明实施方便，无需增加额外的电压电流检测装置，通过算法中控制的函数 模块，把整流器的内扰和外扰归结为总的扰动进行估计并给予动态补偿，增强了控制器的 鲁棒性和对控制参数扰动的不敏感性。
【附图说明】
[0035] 图1自抗扰控制器设计