一种基于多变量控制的高铁低频振荡过电压阻尼方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及自动控制，尤其是动车组网侧整流器控制策略。
【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。
[0003] 为了改善机车线侧脉冲整流器的控制性能，何立群等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。VojtgchBlahnik 等提出了一个结合前馈控制、低频谐波补偿、PR控制器的控制策略，可以补偿固定阶次的谐 波，但也有着同前一个方法类似的局限性。综合分析上述方法，有些设计方法是针对三电平 整流器，在两电平整流器控制的设计过程中均未考虑谐振环节电气量，且使用的是传统控 制方法及其改进，未引入现代控制方法以优化控制。目前广泛应用于实际工程中的控制方 法为瞬态直接电流控制，其典型的控制其结构如图9所示：瞬态直接电流控制采用的是电 压外环和电流内环的双环控制方式。电压外环用于保证整流器输出直流电压恒定，电流内 环则用于使交流侧电流跟踪给定电流值，以达到交流侧单位功率因数的目的。
[0004] 本发明针对上述问题，在动车组网侧整流器控制中增加了对谐振环节电气量的考 虑，并利用线性二次型最优控制方法对四个状态变量的偏差值进行组织，实现输入能量消 耗和控制性能指标的折中，能够阻尼动车组-牵引网电气量低频振荡问题，提升了控制系 统稳定性。
【发明内容】
[0005] 鉴于现有技术的以上不足，本发明的目的是提出一种基于多变量控制的高铁低频 振荡过电压阻尼方法。该方法无需增加额外的量测模块，根据整流器状态空间模型，通过 多变量极点配置方法得到状态观测器；利用状态观测器估计出直流侧谐振环节的电压和电 流；利用线性二次型最优控制对各状态量偏差进行组织得到输出量，以实现控制输入消耗 和控制动态性能的合理折中，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。
[0006] 本发明的目的是通过如下的手段实现的。
[0007] -种基于多变量控制的高铁低频振荡过电压阻尼方法，在动车组网侧整流器控制 中实现阻尼动车组-牵引网电气量低频振荡以提升控制系统稳定性，在动车组网侧整流器 控制中增加对谐振环节电气量的考虑，并利用线性二次型最优控制方法对四个状态变量的 偏差值进行组织，实现输入能量消耗和控制性能指标的折中，包含如下的主要步骤：
[0008] 1)、电气量测量：由被控系统采集四个量，整流器受端电压uN，交流电流iN，直流电 压Ud和直流电流id，其量测结果分别用uNm，iNm，udm，！Ldm表示；其中iNm和u&组成量测向量 ym，即ym=(udm,iNm)T;idm用于设置值计算；uNm用于前馈控制；
[0009]2)、控制启动时初始Uab输入状态观测器得到估计的状态向量至和估计的输出向量 I，，与Yni求差值后经过状态观测矩阵L反馈，即后实现闭环状态观测；
[0010] 3)、I、idni和Uab初始值输入设置值计算模块得到状态设置向量X%X7P求差后 经过多变量反馈矩阵K得到输出驱动电压uab，fb，即K6,6 =-夂#-#)。
[0011] 4)、Unbi经过前馈控制运算得到输出的uab，ff与uab，fb叠加，得到驱动电压uab;
[0012]5)、Uab-方面需要反馈至状态观测器和设置值计算，另一方面则与三角波进行调 制，输出调制波控制整流器的开断，实现整流器直流侧电压恒定和交流侧单位功率因数。
[0013] 本发明方法的提出是基于如下的思路和手段：
[0014] 基于多变量控制的高铁低频振荡过电压阻尼方法包括动车组网侧整流器状态空 间模型的建立，多变量反馈控制矩阵的设计，状态观测器及状态观测矩阵的设计，设置值计 算模块的设计，前馈控制的设计等设计细节。
[0015] A、动车组网侧整流器状态空间模型的建立
[0016] 动车组网侧整流器采用的是四象限脉冲整流器，本发明针对的是两电平拓扑结 构。受电弓从接触网取流，经车载变压器降压后作为整流器的输入，整流器则将输入的单相 交流电压变换成稳定的直流电压。通过对交流侧、直流侧分别列写KCUKVL方程，并将整流 器作为一个无源二端口网络列写交直流侧电压电流的关系式，可获得动车组网侧整流器的 状态空间模型。
[0017]
[0018] 其中，状态矩阵中包含时变量，记为A⑴，输入矩阵记为B，输出矩阵记为C。
[0019] 在输入向量输入向量u= (uab,uN,id)T中，只有Uab是被多变量控制影响的，所以令 u=Uab，得到降维输入矩阵Bsimp= (0, 0, 0, -I)T。
[0020] 对系统模型可观性和可控性进行分析。分别计算Q。和Q。：
[0021] Qc= [BsinpABsinpA2BsinpA3Bsinp]
[0022] Q0=[CCACA2CA3]1
[0023]计算表明，只要A(t)矩阵中的时变量P⑴乒0，rankQc=rankQ。= 4,系统既可 控也可观。
[0024] 由于传统控制和状态观测器设计中，A必须是常数矩阵，因此需要对时变量P(t) 进行常值处理。由上述可观性和可控性的分析，可以对P(t)取一非零常数值，由此带来的 误差可以在极点配置过程中通过选取在复数坐标系左半平面远离虚轴的极点进行消除。通 过对A(t)进行常值化处理得到As_。
[0025]
[0026] B、多变量反馈控制矩阵的设计
[0027] 对比如图8和图9,可看到本发明采用线性二次型最优控制理论，考虑整流器交流 侧电流iN (以磁链的形式），直流侧电压Ud，直流侧二次谐振环节电流i2以及直流侧二次谐 振环节电压U2四个状态量，保证它们能够分别跟踪相应的设置值。由于在控制过程中比瞬 态直接电流控制多计及了谐振环节的电压、电流两个量，因此在保证直流电压恒定和交流 侧单位功率因数同时提高了系统的稳定性。具体过程如下：
[0028] 采用线性二次型最优控制器算法计算反馈矩阵K。取其指标函数为：
[0029]
[0030] 式中，公=1-#，为状态估计值与状态设置值之差；Q为对称半正定矩阵，记录了 各状态偏差值的权重；R为对称正定矩阵，反映所需输入功率的大小。控制的目标是状态偏 差AX最小，同时所需的驱动能量Uabifb最小，即指标函数最小。要使指标函数最小，最优控 制的输出量Uabifb需满足如下条件：
[0031]
[0032] 式中戶为下式所示稳态Ricatti方程的解。
[0033]
[0034] 式中，Bsinip为降维处理后的输入矩阵，As_为常值处理后的状态矩阵；
[0035] 所以得到多变量反馈矩阵K的表达式为：C= 。
[0036] C、状态观测器及状态观测矩阵的设计
[0037] 如图9所示，在传统的瞬态直接电流控制中，由于所需的交流侧电流、和直流侧 电压叫直接由传感器测量得到，所以未设计状态观测器。如图8所示，在本发明中，由于控 制器计及了直流侧谐振环节电压U2和电流i2，且为了不增加额外成本安装测量装置，因此 需要设计状态观测器对该两个量进行状态估计。此外状态观测器还有一定滤波和预测效 果，使用状态观测器估