流程图
[0036] 图2为基于自抗扰控制器的四象限变流器控制框图
[0037] 图3在Matlab/Simulink中搭建CRH3型动车组基于自抗扰控制器的瞬态直接电 流控制仿真模型
[0038] 图4a单台机车启动时动车组侧电压
[0039] 图4b单台机车启动时动车组侧电流
[0040] 图4c单台机车启动时动车组直流环节电压
[0041] 图5a 6台机车启动时牵引网侧电压
[0042] 图5b 6台机车启动时牵引网侧电流
[0043] 图5c 6台机车启动时动车组侧电压
[0044] 图5d 6台机车启动时动车组侧电流
[0045] 图5e 6台机车启动时动车组直流环节电压
[0046] 图6为现有技术高铁牵引网低频振荡变流器抑制控制框图。
【具体实施方式】
[0047] 下面结合附图对本发明的实施例做详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前 提下进行实施，给出了详细的实施过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0048] 本实施例以CRH3型动车组为例。
[0049] 图1为本发明中自抗扰控制器的设计流程图。
[0050] 图2为基于自抗扰控制器的瞬态直接电流控制框图。
[0051] 本发明的一种【具体实施方式】具体步骤如下：
[0052] A非线性自抗扰控制器设计
[0053] 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：
[0054] a)给定直流环节电压Ud。的参考值u dra;
[0055] 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叫"到TD，输出直流环节给 定电压参考值的跟踪值U tol;
[0056] 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 ;
[0057] 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。；
[0058] 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。。
[0059] 在所述步骤a)中，TD通过matlabS函数来实现，具体算法如下：
[0060]
[0061] 式中Um为安排的过渡过程，跟踪直流环节电压给定值u d";u ^为u μ的广义导 数；过渡过程快慢由可调参数r决定，增益参数r的取值与跟踪速成正比；h。为采样步长， fhan为最速控制综合函数，h为积分步长。.
[0062] 在所述步骤c)中，ESO亦通过在matlab编写S函数来实现，具体算法如下：
[0063]
[0064] 式中e为系统误差，Z1为中间直流电压u d。的状态估计值，Z 2为总扰动f⑴的估 计值，β i、β 2为输出误差调整系数的可调参数，b为补偿因子，a为滤波因子；d为非线性因 子，sgn(e)为符号函数，fal为最优控制函数。
[0065] 在所述步骤d)中，NLSEF也是通过在matlab编写S函数来实现，具体算法如下：
[0066]
[0067] 式中k为反馈控制率的比例系数为可调参数，可影响系统电压踪参考值的逼近程 度，z2/b扰动补偿，u为最终控制量为，b为补偿因子。
[0068] B、基于自抗扰控制器的瞬态直接电流控制策略的实现
[0069] 结合图2,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为电压电流 双环控制结构，其中电压外环ADRC控制器（一阶非线性自抗扰控制器）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：
[0070]
[0071] 对上式规范化处理，有
[0072]
[0073] 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： CN 105119307 A ^ 6/6 贝
[0074]
[0075] 结合图2具体控制算法如下：
[0076]
[0077] 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。
[0078] 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。
[0079] 最后在Matlab/Simulink中搭建仿真模型如图3所示，所得电压、电流，直流电压 波形如图4a，4b，4c所示，直流侧电压几乎没有超调，调节时间为0. 07s，电压波动为±44V， 相比常用的瞬态直接电流控制而言性能指标得到较好改善，且交流电流从启动到稳定仅需 要一个周波，且THD明显减小。
[0080] 将该控制算法应用于牵引网-动车组级联仿真模型中，依次增加接入牵引网的动 车组数量，在传统瞬态直接电流控制下，接入动车组达到6台时动车组和牵引网电压、电流 发生明显的波动，及产生车网低频振荡现象。在基于多变量控制的高铁低频振荡过电压阻 尼方法控制下，接入动车组达到甚至超过6台时，电气量基本稳定，牵引网侧电压、电流如 图5a，5b，动车组侧网压、网流、直流电压如图5c，5d，5e所示，未发生低频振荡问题。
【主权项】
1. 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 a) 给定直流环节电压ud。的参考值uda^_i得被控输出量udc; b) 输入被控制量直流环节电压的给定参考值ud"到TD，输出直流环节给定电压参考值 的跟踪值udOTl; 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ESO,输出ud。的跟踪信号Z1和扰动观测值Z2 ; d) 用ud"dPud。的跟踪信号Z1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。； 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 PWM整流器得到控制输出ud。。2. 根据权利要求1所述的基于自抗扰控制的高铁牵引网低频振荡抑制方法，其特征在 于，在所述步骤a)中，TD通过matlabS函数来实现，具体算法如下：式中为安排的过渡过程，跟踪直流环节电压给定值ud";u^为u^的广义导数；过 渡过程快慢由可调参数r决定，增益参数r的取值与跟踪速成正比；h。为采样步长，fhan为 最速控制综合函数，h为积分步长。3. 根据权利要求1所述的基于自抗扰控制的高铁牵引网低频振荡抑制方法，其特征在 于，ESO亦通过在matlab编写S函数来实现，具体算法如下： LVv1 ' 式中e为系统误差，Zi为中间直流电压ud。的状态估计值，Z2为总扰动f(t)的估计值， 0i、0 2为输出误差调整系数的可调参数，b为补偿因子，a为滤波因子；d为非线性因子， sgn(e)为符号函数，fal为最优控制函数。4. 根据权利要求1所述的基于自抗扰控制的高铁牵引网低频振荡抑制方法，其特征在 于，NLSEF也是通过在matlab编写S函数来实现，具体算法如下：式中k为反馈控制率的比例系数为可调参数，可影响系统电压踪参考值的逼近程度，z2/b扰动补偿，u为最终控制量为，b为补偿因子。
【专利摘要】本发明公开了一种基于自抗扰控制的高铁牵引网低频振荡抑制方法，针对动车组变流器这种强耦合非线性系统，引入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,ESO)和非线性反馈控制律(nonlinear？states？error？feedback？control？laws,NLSEF)三部分，基于自抗扰控制器的瞬态直接电流控制策略的实现。该方法容易实现，根据整流器状态空间模型，通过编写自抗扰控制模块的功能函数；跟踪微分器：给定直流环节电压值udcr，当输入信号发生变化时，为使其输出能够在有限的时间内无超调的跟踪输入信号，安排过渡过程；扩张状态观测器：使中间直流电压输出udc和输入控制量u来实时跟踪估计变流器的状态和扰动；对扰动给予动态补偿，求取误差反馈控制量u0。如此可以实现控制器较强的鲁棒性和良好的控制品质，提高控制系统稳定性，以较低的成本解决动车组-牵引网电气量低频振荡的问题。
【IPC分类】H02J3/24
【公开号】CN105119307
【申请号】CN201510560989
【发明人】刘志刚, 姚书龙, 张桂南, 向川, 廖一橙
【申请人】西南交通大学
【公开日】2015年12月2日
【申请日】2015年9月6日