[发明专利]一种基于多变量控制的高铁低频振荡过电压阻尼方法

说明书

技术领域

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

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。

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。Vojtěch Blahník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。

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

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。

本发明的目的是通过如下的手段实现的。

一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：

1)、电气量测量：由被控系统采集四个量，整流器受端电压u_N，交流电流i_N，直流电压u_d和直流电流i_d，其量测结果分别用u_Nm，i_Nm，u_dm，i_dm表示；其中i_Nm和u_dm组成量测向量y_m，即y_m＝(u_dm,i_Nm)^T；i_dm用于设置值计算；u_Nm用于前馈控制；

2)、控制启动时初始u_ab输入状态观测器得到估计的状态向量和估计的输出向量与y_m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；

3)、i_dm和u_ab初始值输入设置值计算模块得到状态设置向量x^*，x^*和求差后经过多变量反馈矩阵K得到输出驱动电压u_ab,fb，即

4)、u_Nm经过前馈控制运算得到输出的u_ab,ff与u_ab,fb叠加，得到驱动电压u_ab；

5)、u_ab一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。

本发明方法的提出是基于如下的思路和手段：