基于超螺旋滑模动车组单相三电平NPC整流器控制方法与流程

本发明涉及动车组单相三电平npc整流器的控制方法，具体涉及一种基于超螺旋滑模的动车组单相三电平npc整流器控制方法。

背景技术：

三电平pwm整流器是高速铁路动车组牵引系统的重要组成部分，为了增强牵引变流器适应负载突变的能力，降低直流侧电压的波动以及确保交流侧输入电流的质量，牵引系统整流器控制方式的选取至关重要。在高速铁路的发展中，虽然系列动车组牵引系统中的结构不尽相同，但是如果从等效电路的角度进行分析，其网侧的结构大致都可以等效成多个pwm整流器根据多重化的原理并联在一起，最终启动牵引电机。最大的区别在于：不同系列动车组所采用的是整流器的重数是不同的，整流器的个数也不一，其拓扑结构稍有变化，在直流环节有无采取lc二次滤波等。以crh2系列动车组为例，牵引系统中，采用的是两个三电平pwm电压型单相整流器，运用二重化技术进行组合，并且减少了直流侧的二次滤波结构，大大简化了动车组变流器的内部结构，但复杂度大大增加，整流器控制方式的选取对整个系统而言至关重要。然而emu随时处于高速运行状态，运行环境复杂加之各种非线性因素对系统的影响，牵引电流波动剧烈，容易产生谐振现象。因此，学者对电力牵引系统整流器控制方式进行了大量的研究，如瞬时值比较法、滞环电流控制等。而传统整流器pi控制方法因其自身的局限性难以满足实际控制系统的需求，存在控制效率低、稳定性差等问题。因此，对于整流器控制，针对其存在非线性的特点，学者们提出了自适应控制、模糊控制、滑模控制等非线性控制方法。

滑模控制具有较强的鲁棒性，当控制参量受到干扰后依然可以维护系统的稳定性，在电力电子变流技术中被广泛应用。当牵引系统整流部分的dc侧负载突变时，dc侧电压也将波动，将会直接影响电流内环的控制性能，在高速动车组的运行过程中，如不能有效的控制变流系统的稳定性，会带来巨大的安全隐患。滑模控制可以在负载发生变化时具有较快的响应速度，维持电压的稳定，减小对电流内环控制的影响。高阶滑模将控制量置于高阶的滑模面上，有效解决了传统滑模的抖振问题，将其应用于电流内环控制中，可以在保证控制精度的前提下维护电流内环的稳定性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种新的铁路功率的控制方法，采用高阶滑模中的超螺旋控制算法设计了电流内环控制器，保证了传统滑模优点，有效地解决了系统的抖振问题，增强输入电流跟踪网侧电压相位的能力、消除输入电流中的抖振现象等问题。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案具体如下：

基于超螺旋滑模动车组单相三电平npc整流器控制方法，包括：

s1：将三相整流器的d-q变换引入单相系统中推导出基于d-q坐标系的单相三电平npc整流器数学模型：

s2：通过基于滑模控制的电压外环控制策略增强机车牵引系统的鲁棒性。

s3：利用超螺旋抑制一阶系统中出现的抖振。

s4：设计超螺旋内环电流控制，具体包括：

(1)确定滑模面切换函数s(x)和滑动模态控制律u(x)，电流内环滑模面可设计为：

其中:为电压外环输出值；为给定值；

(2)设计控制律为：

即为

控制算法为：

进一步的，所述步骤s2具体包括：

令则可设计滑模面为：

s＝x1+αx2(5)

其中：α与直流电压滤波环节有关。

根据式(4)和(5)可得：

当系统处于稳定时：且udc为常数；uq和iq为零；为线电压有效值，得的计算公式为：

进一步的，所述步骤s3具体包括：将控制量置于更高阶的滑模面中，以保证控制量的连续性，消除抖振；

u(t)＝u1(t)+u2(t)(8)

保证有限时间内收敛于滑模面原点的充分条件是：

式中:w、ρ、λ和s0均为正常数；当系统与控制律u相关度r≥1时，控制器可以简化为：

由式(12)可知，利用超螺旋算法来设计控制器时，不需要对滑模面进行微分，控制量具有连续性；若要使二阶滑动模态达到一个指数稳定的状态，则ρ的取值为1；若要最大可能实现二阶滑动模态，则ρ的取值为0.5。

进一步的，所述步骤s4之后还包括步骤s5：根据lyapunov稳定性原理验证控制算法的收敛性，构造正定函数

对式(17)求导得：

将式sd带入(18)得：

同理可证因此超螺旋算法在有限时间内是收敛的，满足系统的稳定性要求。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明的控制方法，根据滑模控制响应速度快、鲁棒性强等优点设计电压外环控制器，采用基于超螺旋算法高阶滑模理论设计电流内环器，在matlab/simulink环境下模拟动车组起步工况和牵引负载增加的工况，并对传统pi和超螺旋滑模控制方法进行了仿真研究，结果表明：相较于传统pi双闭环控制，本发明的控制方法减小了动车组整流器直流侧输出电压的波动，增强了负载变化时输出电压的鲁棒性，使交流侧输入电流抖振得到控制，并且在两种工况下输入电流的谐波含量可以被有效的减少，保证输入电流的质量，维护了系统的稳定。

附图说明

图1为单相三电平npc整流器主电路图；

图2为起步阶段传pi控制下电压电流的波形图；

图3为起步阶段超螺旋控制下的波形图；

图4为起步阶段pi控制下交流电路谐波分析图；

图5为超螺旋控制下交流电流谐波分析图；

图6为pi控制下直流电压波形图；

图7为pi下直流侧电压放大图；

图8为超螺旋控制下直流电压波形图；

图9为超螺旋控制下直流电压放大图；

图10为pi控制下电压电流波形；

图11为pi控制下网侧电流谐波分析图；

图12为超螺旋滑模控制下电压电流波形图；

图13为超螺旋控制下网侧电流谐波分析；

图14为pi控制时直流侧电压波形；

图15为超螺旋滑模控制下直流侧电压波形图。

具体实施方式：

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

牵引系统整流器的拓扑结构如图1所示。us经过车载变压器输出的整流器网侧电压；r和l分别是车载牵引变压器的等效电阻和电感；直流侧电容如图为c1和c2；rl是系统负载的等效电阻；为了便于分析，首先定义整流器中的开关为理想开关，为:

其中i＝a,b。

根据式(1)，该主电路的9种开关模式及相应的电压值可表示为表1所示.

表1npc整流器的工作模式

通过对图1中的主电路使用基尔霍夫定律分析，可以得到电路的数学模型：

将三相整流器的d-q变换思想引入到单相系统中则可推导出基于d-q坐标系的单相三电平npc整流器数学模型：

在动车组牵引供电系统中，当系统中运行的机车数量增加或减少时会导致直流侧电压失去稳定。针对此种问题，根据传统一阶滑模控制算法具有响应速度快、鲁棒性强等优点，提出基于滑模控制的电压外环控制策略，来增强机车牵引系统的鲁棒性。

首先，令则可设计滑模面为：

s＝x1+αx2(5)

其中：α与直流电压滤波环节有关。

根据式(4)和(5)可得：

当系统处于稳定时：且udc为常数；uq和iq为零；为线电压有效值。因此可得的计算公式为：

电流内环的作用主要保证整流器能够实现单位功率因数控制，控制时交流侧由于包含谐波，使电流波形存在明显的抖振现象，且一阶滑模控制将切换项放置在控制量中，控制量不具连贯性，因此，系统不可避免的存在一定的抖振现象，对电流内环控制具有不利影响。鉴于出现的问题，提出利用超螺旋无抖振的优点来抑制一阶系统中出现的抖振现象，其原理是将控制量置于更高阶的滑模面中，以保证控制量的连续性，从而消除抖振问题。除此之外，超螺旋依然保留着一阶系统设计简单、鲁棒性强等优点。

u(t)＝u1(t)+u2(t)(8)

保证有限时间内收敛于滑模面原点的充分条件是：

式中:w、ρ、λ和s0均为正常数。当系统与控制律u相关度r≥1时，控制器可以简化为：

由式(12)可知，利用超螺旋算法来设计控制器时，不需要对滑模面进行微分，控制量具有连续性。若要使二阶滑动模态达到一个指数稳定的状态，则ρ的取值为1；若要最大可能实现二阶滑动模态，则ρ的取值为0.5。

在设计超螺旋内环电流控制时，首先确定滑模面切换函数s(x)和滑动模态控制律u(x)。

电流内环滑模面可设计为：

其中:为电压外环输出值；为给定值。

设计控制律为：

即为

所以控制算法为：

根据lyapunov稳定性原理证明控制算法的收敛性^[13]，构造正定函数

对式(17)求导得：

将式sd带入(18)得：

同理可证因此超螺旋算法在有限时间内是收敛的，满足系统的稳定性要求。

实施例2

为了验证设计的控制算法的可行性，模拟了系统在牵引起步和牵引负载变化时的两种工况，对直流侧输出电压的稳定、直流侧电压的鲁棒性及交流侧输入电流谐波特性进行仿真分析。仿真所用参数设置如表2所示。

表2仿真参数

牵引工况是指系统在接入负载到恒速运行这一状态，通过对比两种不同控制方式下系统达到稳态的时间、网侧输入电流谐波含量以及电压波动等数据，最终验证所控制方法的优越性。

在起步阶段系统接入负载r＝7ω，由图可知在0.4s时，系统处于稳定阶段模拟动车组恒速运行，图2、3两种控制方式下的，网侧电压电流的波形图。由图2和图3可知，当系统接入负载时，在两种控制策略下，整流器都能很快达到稳态条件下运行，但pi控制下的电流电压存在一定相位差，滑模控制效果优于pi控制，输入的交流电流也更加稳定，能够更好的保证电流跟踪电压的性能，且功率因数近似的为一。为分析两种策略下交流电流的谐波特性图4、5对交流电流进行傅里叶分析。由图4和图5可知：整流器交流电流主要存在的是低次谐波，在超螺旋控制下系统的输入电流谐波含量较少，明显优于传统控制，可以有效减少动车组对电网的谐波污染。

图6至图9给出两种控制方式下直流侧电压的波形图，由图6-9可知：pi控制下整流器输出电压经过0.2s秒左右能够达到系统所给定的参考值附近，而超螺旋滑模控制下直流电压在0.05s左右到达稳态。

动车组的实际的运行状态比较复杂，为方便研究，考虑在牵引状态下负载突然增加的情况，对两种控制策略做仿真比较，整流器在0.5s时，负载突然由7ω增加到12ω，图10和图11给出网侧电流电压的仿真图。图12给出的是超螺旋滑模控制下电压电流波形图，图13给出的是超螺旋控制下网侧电流谐波分析。由图10-13可知：当负载增加时，因为直流侧电压几乎保持不变，所以直流负载电流将会减少，交流侧电流也会在一定程度上变小，两种控制方法下的电路最终将会减小到700v左右。电流的谐波畸变率变化不大，但是比恒速状态稍微增大，滑模控制下的交流电流在0.2s左右内达到稳态，响应速度明显好于pi控制的0.4s。

图14、15给出在负载变化时的直流侧电压波形，由此也可看出，直流电压超调量，pi控制的时候达到600v左右，响应速度比滑模控制慢。