[发明专利]一种基于SMC的车网系统多工况运行下的性能改善方法

说明书

本发明公开了一种基于SMC的车网系统多工况运行下的性能改善方法，首先，推导了一个动车组牵引传动单元的d‑q轴数学模型；然后，详细介绍了滑模变结构控制策略在动车组牵引线侧变流器中的应用，包括外环电压滑模面和内环电流控制律的设计。本发明不依赖于精确的数学模型，对复杂系统有很好的适应性；与PI控制相比，滑模控制具有更好的控制性能，如在多种工况下牵引线侧电流的总谐波畸变较小，制动时的电压波动较小，对系统参数变化具有更好的抗干扰能力；并能有效抑制在动车组运行过程中产生的低频振荡现象。

技术领域

本发明涉及电气化铁路动车组技术领域，具体为一种基于SMC的车网系统多工况运行下的性能改善方法。

背景技术

近年来，中国的高速铁路发展迅速，大力发展了交流－直流－交流(alternatingcurrent-direct current-alternating current,AC-DC-AC)列车。AC-DC-AC列车具有电网侧谐波含量低，功率因数高的特点，因此被广泛应用于铁路运输行业。对于电力电子多单元(electric multiple units,EMUs)，电网侧电流的低次谐波主要是奇次谐波，例如3次，5次，7次和9次谐波。当EMUs在牵引或制动条件下运行时，它的牵引功率会发生变化，并且电网侧电流的总谐波失真(total harmonic distortion,THD)也将随之变化。功率越小，电网侧电流的THD越大。此外，EMUs还具有启动时超调量大，系统鲁棒性差的缺点。

如今，牵引网的低频振荡(low-frequency oscillation,LFO)现象频发，这引起了研究人员的关注。可以认为，LFO本质上是由牵引网络的参数与网侧变流器(line-sideconverter,LSC)的控制参数之间的不匹配引起的。目前，有很多抑制LFO的方法。在实际工程中，最简单的方法就是改善LSC的控制策略。刘志刚提出了基于扩展状态观测器滑模控制(sliding mode control,SMC)和扩展状态观测器模型预测控制的两种LSC控制策略，提高了LSC的性能，并成功抑制了LFO。耿照照采用H∞控制以获得更好的动态和静态性能并有效地抑制LFO。LFO现象主要发生在多EMUs在铁路仓库停顿并抬起受电弓的情况下，尽管还没有关于EMUs在运行过程中发生LFO的报道，但一些研究指出了它的可能性。在这种情况下，会给车网系统甚至乘客造成严重危害，因此有必要对这种低频振荡进行研究。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于SMC的车网系统在多工况运行下的性能改善方法，能够有效降低EMUs在多种工况下牵引线侧电流的THD，使得制动时的直流侧电压波动更小，对系统参数的变化具有更好的抗干扰能力，并且可以有效地抑制EMUs在多种工况下发生的LFO。技术方案如下：

一种基于SMC的车网系统多工况运行下的性能改善方法，包括以下步骤：

将电机等效为一个星形连接的三相对称电路，其中每一相均由R-L串联负载和交流电源e_k串联构成，设电路的三相相电压为u_k，三相相电流为i_k，k＝1,2,3；逆变器侧的直流等效电路用一个直流源来替代，直流侧电流计算公式如下：

式中：U_dc为中间直流侧电压；i_l为直流侧电流；R和L是逆变器交流侧的三相等效电路中的一相等效电阻和电感；m是逆变器的脉冲宽度调制比；θ是u_k和e_k的向量之间的夹角；τ是瞬态分量的时间常数；ρ是交流反电动势幅度因子；ω为EMUs网侧电压基波角频率；为i_k和e_k的向量之间的夹角；

对逆变器和电机进行等效之后，根据一个单重化EMU单元的拓扑图，通过对交流侧、直流侧分别列写基尔霍夫第一、第二定律KCL、KVL方程，得到EMU LSC的d-q坐标系下的数学模型：