一種動車組牽引變流器無拍頻控制策略的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種動車組牽引變流器無拍頻控制策略。通過對傳動系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，得到電機(jī)拍頻轉(zhuǎn)矩和電機(jī)拍頻電流與脈動直流電壓的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上提出一種動車組牽引變流器無拍頻控制策略，通過加入一個補(bǔ)償環(huán)節(jié)，設(shè)置無拍頻控制器，根據(jù)脈動直流電壓對電機(jī)轉(zhuǎn)差頻率進(jìn)行修正，消除脈動直流電壓引起的電機(jī)拍頻轉(zhuǎn)矩和拍頻電流?？刂破髟跀?shù)字系統(tǒng)中的控制性能依賴于離散化方法，本發(fā)明對控制器進(jìn)行離散化處理，得到最優(yōu)離散化方法。
【專利說明】
-種動車組牽引變流器無拍頻控制策略
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及動車組牽引系統(tǒng)，尤其設(shè)及一種動車組牽引變流器無拍頻控制策略。
【背景技術(shù)】
[0002] 牽引變流器是動車組傳動系統(tǒng)的核屯、，是動車組車輛的動力來源。在動車組列車 中，由于采用單相交流接觸網(wǎng)1供電模式，牽引傳動系統(tǒng)多采用單相PWM整流器2和Ξ相PWM 逆變器4的拓?fù)?，如圖1所示。由于單相四象限整流器2的引入，直流母線存在二倍頻脈動電 壓分量，該脈動電壓會引起電機(jī)側(cè)轉(zhuǎn)矩和電流的脈動，即拍頻現(xiàn)象。
[0003] 傳統(tǒng)動車組牽引變流器中，通過增加體積龐大的硬件LC二次諧振濾波器3來消除 二倍頻脈動電壓分量，運(yùn)增加了牽引系統(tǒng)的重量和成本，同時非線性元件的引入也帶來了 不穩(wěn)定因素。為了取消體積龐大的硬件濾波器，本發(fā)明通過一種動車組牽引變流器無拍頻 控制策略對拍頻現(xiàn)象進(jìn)行抑制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供一種動車組牽引變流器無拍頻控制策略，達(dá)到抑制拍頻現(xiàn)象的目的， W去掉硬件諧振濾波器，降低牽引變流器的重量和成本，利于輕量化設(shè)計(jì)。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0006] 在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，對牽引傳動系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，在頻域下對其進(jìn) 行分析，提出適用于轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制系統(tǒng)的無拍頻控制策略。該方法W直流電壓脈 動分量為輸入，直流電壓脈動分量的采樣精度直接影響補(bǔ)償效果，因此本發(fā)明首先對采用 后向歐拉離散的傳統(tǒng)脈動電壓采樣進(jìn)行優(yōu)化W準(zhǔn)確獲得脈動分量，然后對控制器進(jìn)行離散 化處理，從離散精度、控制性能和數(shù)字實(shí)現(xiàn)難易程度進(jìn)行詳細(xì)對比，得出針對本發(fā)明控制器 的最優(yōu)離散化方法。
[0007] -種動車組牽引變流器無拍頻控制策略，包括W下步驟：
[000引（1)根據(jù)整流器輸入輸出功率平衡推導(dǎo)得到脈動直流電壓表達(dá)式：
[0009]
(1)
[0010]其中，Idc為直流側(cè)穩(wěn)態(tài)電流分量，C為直流側(cè)電容，巧C為脈動直流電壓，"grid為電 網(wǎng)角頻率，Φ為整流器功率因數(shù)角，t為時間變量。
[0011] 可W看到，脈動直流電壓頻率為電網(wǎng)頻率的2倍，幅值與牽引功率、直流電容大小 及整流器功率因數(shù)有關(guān)。
[0012] 采用串聯(lián)高、低通濾波器對脈動直流電壓進(jìn)行濾波W獲取脈動分量，并應(yīng)用幅值、 相位補(bǔ)償及離散化誤差補(bǔ)償對脈動直流電壓進(jìn)行精確采樣。
[0013] (2)根據(jù)電機(jī)拍頻小信號模型，推導(dǎo)得到d-q坐標(biāo)系下拍頻電流增量與拍頻電壓增 量W及轉(zhuǎn)差頻率增量的關(guān)系：
[0016] 其中式(2)為拍頻電流增量與拍頻電壓增量的關(guān)系，式(3)為拍頻電流增量與轉(zhuǎn)差 頻率增量的關(guān)系。
[0017] 其中均和巧為電機(jī)定子d、q軸電流脈動分量，Isdo和Isqo為電機(jī)定子d、q軸電流穩(wěn)態(tài) 分量，其中冷和言為電機(jī)轉(zhuǎn)子d、q軸電流脈動分量，Ird日和Irq日為電機(jī)轉(zhuǎn)子d、q軸電流穩(wěn)態(tài)分 量，巧與κ?為電機(jī)定子d、q軸電壓脈動分量，.錠為電機(jī)轉(zhuǎn)差頻率脈動分量，Z(S)與B為矩 陣；
[0018] (3)對拍頻現(xiàn)象進(jìn)行建模：
[0019] 根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式(23)和拍頻小信號模型，得到拍頻轉(zhuǎn)矩關(guān)于脈動直流電壓的 傳遞函數(shù)表達(dá)式：
[0020]
[0021] 其中m為調(diào)制深度，P為電機(jī)極對數(shù)，U為激磁電感。
[0022] 由電機(jī)電流表達(dá)式(24)和拍頻小信號模型，得到拍頻電流關(guān)于脈動直流電壓的傳 遞函數(shù)表達(dá)式：
[0023]
[0024] (4)對步驟(3)所建模型在脈動頻率點(diǎn)Wripple處進(jìn)行頻譜分析，得到幅相特性曲線 (如圖2和圖3所示）。對幅相特性曲線進(jìn)行分析可得，當(dāng)系統(tǒng)工作頻率在脈動頻率點(diǎn)《ripple 時，拍頻轉(zhuǎn)矩和拍頻電流幅值增益都達(dá)到最大。
[0025] (5)拍頻轉(zhuǎn)矩和拍頻電流關(guān)于轉(zhuǎn)差頻率增量的傳遞函數(shù)如下：
?
[0028] 其中式(6)為拍頻轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差頻率增量的傳遞函數(shù)，式(7)為拍頻電流與轉(zhuǎn)差頻率 增量的傳遞函數(shù)。
[0029] (6)根據(jù)圖4所示無拍頻控制框圖可知，經(jīng)過補(bǔ)償后，拍頻轉(zhuǎn)矩和拍頻電流關(guān)于脈 動直流電壓的傳遞函數(shù)表達(dá)式變?yōu)椋?br>[0032] 其中式(8)為拍頻轉(zhuǎn)矩與直流脈動電壓的傳遞函數(shù)，式(9)為拍頻電流與直流脈動 電壓的傳遞函數(shù)。
[0033] (7)基于上文分析，拍頻現(xiàn)象在脈動頻率點(diǎn)Wripple處最為嚴(yán)重，為了使得脈動頻率 點(diǎn)《ripple處的拍頻轉(zhuǎn)矩和拍頻電流盡可能小，設(shè)置無拍頻控制器Ge(S)的表達(dá)式為：
[0034]
(1的
[0035] 確定無拍頻控制器的參數(shù)，補(bǔ)償系數(shù)K的理想取值應(yīng)使得拍頻轉(zhuǎn)矩和拍頻電流的 傳遞函數(shù)幅值增益均達(dá)到最小，經(jīng)過仿真計(jì)算得到補(bǔ)償系數(shù)、電壓角度與拍頻轉(zhuǎn)矩幅值增 益的關(guān)系，W及補(bǔ)償系數(shù)、電壓角度與拍頻電流幅值增益的關(guān)系(見圖5和圖6)，確定補(bǔ)償系 數(shù) Κ = 0.134。
[0036] (8)控制器在數(shù)字系統(tǒng)中的控制性能依賴于離散化方法;通過對離散化方法進(jìn)行 分析，選用離散化精度高，且易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)的雙線性變換法TUS作為控制器的離散化方法， 對控制器進(jìn)行離散化處理。
[0037] 在上述方案的基礎(chǔ)上，步驟(2)中所述的矩陣Β為：
[0043] 在上述方案的基礎(chǔ)上，將電機(jī)電流寫成穩(wěn)態(tài)分量和脈動分量的形式，兩邊平方再 進(jìn)行化簡得到步驟(3)中所述的電機(jī)電流表達(dá)式為：
[0044] 1 = 1〇+戶(24)
[0045] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明一種動車組牽引變流器無拍頻控制策略，所具有的有益 效果為：
[0046] 本發(fā)明提供一種動車組牽引變流器無拍頻控制策略，利用軟件方法達(dá)到抑制拍頻 現(xiàn)象的目的，W去掉硬件諧振濾波器，降低變流器重量和成本，利于輕量化設(shè)計(jì)。
【附圖說明】
[0047] 圖1為動車組牽引傳動系統(tǒng)典型拓?fù)洌?br>[004引圖2為本發(fā)明提供的拍頻轉(zhuǎn)矩關(guān)于脈動直流電壓的幅相特性曲線；
[0049] 圖3為本發(fā)明提供的拍頻電流關(guān)于脈動直流電壓的幅相特性曲線；
[0050] 圖4為本發(fā)明提供的無拍頻控制框圖；
[0051] 圖5為本發(fā)明提供的補(bǔ)償系數(shù)及電壓角度與拍頻轉(zhuǎn)矩幅值增益的關(guān)系；
[0052] 圖6為本發(fā)明提供的補(bǔ)償系數(shù)及電壓角度與拍頻電流幅值增益的關(guān)系；
[0053] 圖7為本發(fā)明提供的補(bǔ)償后拍頻轉(zhuǎn)矩關(guān)于脈動直流電壓的幅頻特性曲線；
[0054] 圖8為本發(fā)明提供的補(bǔ)償后拍頻電流關(guān)于脈動直流電壓的幅頻特性曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0055] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
[0056] (1)對脈動直流電壓的推導(dǎo)。圖1為動車組牽引傳動系統(tǒng)典型拓?fù)?，定義脈沖整流 器2瞬時輸入電壓、電流如下：
[0059] 利用Ξ角函數(shù)公式化簡可得整流器輸入功率：
[0060] Pi = Usis = UsIsC〇s Φ +UsIsC〇s(2 ω gridt+ Φ ) (13)
[0061 ]其中，Us和Is分別為輸入電壓、電流有效值，Wgrid為電網(wǎng)角頻率，Φ為整流器功率 因數(shù)角。
[0062] 定義整流器輸出功率：
[0063]
(14)
[0064] 其中，Udc和I dc為直流側(cè)穩(wěn)態(tài)電壓、電流分量，C為直流側(cè)電容，治為脈動直流電壓。 為了得到脈動直流電壓表達(dá)式，假設(shè)整流器輸入輸出功率相等，即公式(13)和（14)相等，推 導(dǎo)得到：
[0065]
(1)
[0066] 可W看到，脈動直流電壓頻率為電網(wǎng)頻率的2倍，幅值與牽引功率、直流電容大小 及整流器功率因數(shù)有關(guān)。
[0067] (2)對電機(jī)拍頻小信號模型推導(dǎo)。
[0068] 由兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電機(jī)電壓及磁鏈方程可得：
[0072] Rs和Rr分別為定轉(zhuǎn)子電阻，1^3和以分別為定轉(zhuǎn)子電感，Lm為激磁電感，We為定子角 頻率，COsl為轉(zhuǎn)差角頻率，Isd和Isq為電機(jī)定子d、q軸電流，Ird和Irq為電機(jī)轉(zhuǎn)子d、q軸電流。
[0073] 將公式(16)中幻陣拆分成含微分項(xiàng)和不含微分項(xiàng)的兩部分，并進(jìn)行化簡得到：
[0079]將公式（18)中變量寫成穩(wěn)態(tài)分量與脈動分量之和的形式，并進(jìn)一步化簡，得到d-q 坐標(biāo)系下拍頻電流增量與拍頻電壓增量W及轉(zhuǎn)差頻率增量的關(guān)系
[0082]其中，
[0090] 將電機(jī)電流寫成穩(wěn)態(tài)分量和脈動分量的形式，兩邊平方再進(jìn)行化簡：
[0091] 1 = 1〇+戶(24)
[0092] 忽略脈動信號平方分量，則拍頻電流表達(dá)式可變?yōu)椋?br>[0096] 可W得到拍頻電流關(guān)于脈動直流電壓的傳遞函數(shù)表達(dá)式：
[0097]
[0098] (4)根據(jù)圖4提供的無拍頻控制框圖，得到經(jīng)過補(bǔ)償后拍頻轉(zhuǎn)矩W及拍頻電流關(guān)于 脈動直流電壓的傳遞函數(shù)，拍頻現(xiàn)象在脈動頻率點(diǎn)Wripple處最為嚴(yán)重，為了使得脈動頻率 點(diǎn)處的拍頻轉(zhuǎn)矩和拍頻電流盡可能小，設(shè)置無拍頻控制器Gc(s)。分別對拍頻轉(zhuǎn)矩和拍頻電 流進(jìn)行分析，得到對應(yīng)的最優(yōu)K值，并進(jìn)行折中選擇。
[0099] 補(bǔ)償系數(shù)K的理想取值應(yīng)使得拍頻轉(zhuǎn)矩和拍頻電流的傳遞函數(shù)幅值增益均達(dá)到最 小。拍頻轉(zhuǎn)矩的傳遞函數(shù)幅值增益與補(bǔ)償系數(shù)κ、電壓矢量與d軸的夾角Φ w及調(diào)制深度m有 關(guān)系，并且拍頻轉(zhuǎn)矩幅值增益隨調(diào)制深度m的增大而增大。為了探尋補(bǔ)償系數(shù)和角度對拍頻 轉(zhuǎn)矩幅值的影響，固定調(diào)制深度為1，對拍頻轉(zhuǎn)矩幅值進(jìn)行計(jì)算。
[0100] 計(jì)算結(jié)果如圖5所示，X軸為電壓矢量角，Y軸為補(bǔ)償系數(shù)，Z軸為拍頻轉(zhuǎn)矩幅值增 益。由圖可W看出，拍頻轉(zhuǎn)矩與電壓矢量角無關(guān)，與補(bǔ)償系數(shù)關(guān)系為兩段曲線，且隨著K值增 大，拍頻轉(zhuǎn)矩幅值先減小后增大，并在兩段曲線交點(diǎn)處取得最小值。根據(jù)Matlab計(jì)算結(jié)果可 知交點(diǎn)為(0.136,-14.4地），即補(bǔ)償系數(shù)K為0.136時拍頻轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償效果最好。
[0101] 同樣的方法得到拍頻電流幅值與補(bǔ)償系數(shù)和電壓角度的關(guān)系，如圖6所示。同理由 圖可知，拍頻電流幅值增益與電壓角度無關(guān)，隨補(bǔ)償系數(shù)K先減小后增大，即存在一個K值使 得拍頻電流幅值增益最小。根據(jù)Matlab計(jì)算結(jié)果該點(diǎn)為(0.132,-28.5地），即補(bǔ)償系數(shù)K為 0.132時拍頻電流的補(bǔ)償效果最好。
[0102] 兼顧轉(zhuǎn)矩與電流補(bǔ)償效果，取二者最優(yōu)補(bǔ)償系數(shù)折中點(diǎn)，目化= 0.134。
[0103] 從圖7與圖8中可W看出經(jīng)過補(bǔ)償之后消除了脈動直流電壓引起的電機(jī)拍頻轉(zhuǎn)矩 和拍頻電流。
[0104] 控制器在數(shù)字系統(tǒng)中的控制性能依賴于離散化方法;通過對離散化方法進(jìn)行分 析，選用離散化精度高，且易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)的雙線性變換法TUS作為控制器的離散化方法，對 控制器進(jìn)行離散化處理。
[0105] 在本實(shí)施例中，取消了硬件二次濾波電路3,采用無拍頻控制算法消除直流側(cè)二次 脈動電壓對變流器輸出側(cè)的影響，減輕了重量，降低了成本。
[0106] 最后應(yīng)說明的是：W上實(shí)施例僅用W說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制;盡管 參照前述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:其依然可 W對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換； 而運(yùn)些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種動車組牽引變流器無拍頻控制策略，其特征在于，包括以下步驟： (1)根據(jù)整流器輸入輸出功率平衡推導(dǎo)得到脈動直流電壓表達(dá)式：其中，Id。為直流側(cè)穩(wěn)態(tài)電流分量，C為直流側(cè)電容，L/(t為脈動直流電壓，ω _為電網(wǎng)角 頻率，φ為整流器功率因數(shù)角，t為時間變量； 并采用串聯(lián)高、低通濾波器對脈動直流電壓進(jìn)行濾波以獲取脈動分量，并應(yīng)用幅值、相 位補(bǔ)償及離散化誤差補(bǔ)償對脈動直流電壓進(jìn)行精確采樣； ⑵根據(jù)電機(jī)拍頻小信號模型，推導(dǎo)得到d_q坐標(biāo)系下拍頻電流增量與拍頻電壓增量以 及轉(zhuǎn)差頻率增量的關(guān)系：其中式(2)為拍頻電流增量與拍頻電壓增量的關(guān)系，式(3)為拍頻電流增量與轉(zhuǎn)差頻率 增量的關(guān)系； 其中4和4為電機(jī)定子d、q軸電流脈動分量，Isd〇和IsqQ為電機(jī)定子d、q軸電流穩(wěn)態(tài)分 量，其中4和（.丨.為電機(jī)轉(zhuǎn)子d、q軸電流脈動分量，IrdO和IrqO為電機(jī)轉(zhuǎn)子d、q軸電流穩(wěn)態(tài)分 量，G與為電機(jī)定子d、q軸電壓脈動分量，尤f為電機(jī)轉(zhuǎn)差頻率脈動分量，Z(s)與B為矩 陣； (3)對拍頻現(xiàn)象進(jìn)行建模： 根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式和拍頻小信號模型，得到拍頻轉(zhuǎn)矩關(guān)于脈動直流電壓的傳遞函數(shù) 表達(dá)式：其中m為調(diào)制深度，p為電機(jī)極對數(shù)，Lm為激磁電感； 由電機(jī)電流表達(dá)式和拍頻小信號模型，得到拍頻電流關(guān)于脈動直流電壓的傳遞函數(shù)表 達(dá)式： (4) 對步驟(3)所建模型在脈動頻率點(diǎn)〇^_1(3處進(jìn)行頻譜分析，得到幅相特性曲線;對 幅相特性曲線進(jìn)行分析可得，當(dāng)系統(tǒng)工作頻率在脈動頻率點(diǎn)《 ripplJ寸，拍頻轉(zhuǎn)矩和拍頻電 流幅值增益都達(dá)到最大；(5) 拍頻轉(zhuǎn)矩和拍頻電流關(guān)于轉(zhuǎn)差頻率增量的傳遞函數(shù)如下：其中式(6)為拍頻轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差頻率增量的傳遞函數(shù)，式(7)為拍頻電流與轉(zhuǎn)差頻率增量 的傳遞函數(shù)； (6) 經(jīng)過補(bǔ)償后，拍頻轉(zhuǎn)矩和拍頻電流關(guān)于脈動直流電壓的傳遞函數(shù)表達(dá)式為：其中式(8)為拍頻轉(zhuǎn)矩與直流脈動電壓的傳遞函數(shù)，式(9)為拍頻電流與直流脈動電壓 的傳遞函數(shù)； (7) 基于上文分析，拍頻現(xiàn)象在脈動頻率點(diǎn)coripple處最為嚴(yán)重，為了使得脈動頻率點(diǎn) c〇ripple處的拍頻轉(zhuǎn)矩和拍頻電流盡可能小，設(shè)置無拍頻控制器Gjs)的表達(dá)式為：確定無拍頻控制器的參數(shù)，補(bǔ)償系數(shù)K的理想取值應(yīng)使得拍頻轉(zhuǎn)矩和拍頻電流的傳遞 函數(shù)幅值增益均達(dá)到最小，經(jīng)過仿真計(jì)算得到補(bǔ)償系數(shù)、電壓角度與拍頻轉(zhuǎn)矩幅值增益的 關(guān)系，以及補(bǔ)償系數(shù)、電壓角度與拍頻電流幅值增益的關(guān)系，確定補(bǔ)償系數(shù)K = 0.134; (8) 控制器在數(shù)字系統(tǒng)中的控制性能依賴于離散化方法;通過對離散化方法進(jìn)行分析， 選用離散化精度高，且易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)的雙線性變換法TUS作為控制器的離散化方法，對控制 器進(jìn)行離散化處理。2. 如權(quán)利要求1所述的動車組牽引變流器無拍頻控制策略，其特征在于，步驟(2)中所 述的矩陣B為：3. 如權(quán)利要求1所述的動車組牽引變流器無拍頻控制策略，其特征在于，步驟(2)中所 述的矩陣Z(s)為：4. 如權(quán)利要求1所述的動車組牽引變流器無拍頻控制策略，其特征在于，步驟(3)中所 述的電機(jī)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為：5. 如權(quán)利要求1所述動車組牽引變流器無拍頻控制策略，其特征在于，將電機(jī)電流寫成 穩(wěn)態(tài)分量和脈動分量的形式，兩邊平方再進(jìn)行化簡得到步驟(3)中所述的電機(jī)電流表達(dá)式 為： Ι = Ιο+ΙΔ (24)〇
【文檔編號】H02P21/22GK106059433SQ201610380256
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月1日
【發(fā)明人】刁利軍, 董侃, 陳奕舟, 唐敬, 尹少博, 劉志剛
【申請人】北京交通大學(xué), 北京千駟馭電氣有限公司