一種基于滑模觀測器的動車組整流器控制策略研究

王浩宇，張雨婷,2，張 喬，劉志剛

一種基于滑模觀測器的動車組整流器控制策略研究

王浩宇1，張雨婷1,2，張 喬1，劉志剛1

(1.西南交通大學電氣工程學院，四川 成都 611756；2.無錫市軌道建設設計咨詢有限公司，江蘇 無錫 214000)

為改善車網耦合系統在多工況運行下的直流電壓抗干擾能力，提出了一種基于滑模觀測器的動車組網側整流器滑?？刂撇呗?sliding mode control method based on sliding mode observer, SMO+SMC)。首先，通過建立CRH3型動車組在坐標系下的數學模型，推導了滑模觀測器的設計方程。接著，利用滑模觀測器實時觀測牽引電機輸出功率后間接得到整流器直流側電流，將滑模觀測器的輸出提供給滑?？刂频耐猸h電壓控制模塊，實現滑模觀測器和滑?？刂频慕Y合。最后，將PI、滑?？刂坪蚐MO+SMC策略分別應用于CRH3型動車組仿真模型，對多工況下整流側直流電壓控制效果進行分析驗證，并基于HIL小步長實時仿真測試平臺進行了半實物實驗。仿真和實驗結果表明，SMO+SMC策略可以提高動車組運行速度改變時的直流電壓抗干擾能力和車網耦合運行時網側電流的穩定性。

電氣化鐵路；動車組-牽引網耦合系統；多工況運行；滑模觀測器

0 引言

隨著高速鐵路的飛速發展，交-直-交型動車組大量投入使用，使牽引供電系統具有強烈的非線性和沖擊性，此外動車組在運行過程中還伴隨著不同的工況(牽引、制動、惰行等)，最終將導致牽引網-動車組耦合系統[1-4]供電電能質量問題，如啟動超調量大、牽引網側電流總諧波失真率增大、制動時直流側電壓波動大、負載突變時直流電壓波動大等[2]。因此，如何提高動車組-牽引網耦合系統在不同運行工況下的電能質量，保障動車組在復雜路況中的安全高效運行具有重大意義。

不同網側整流器(line side converter, LSC)控制策略對動車組-牽引網耦合系統的控制效果不同[5-7]。文獻[8]將無源控制和傳統解耦控制以及基于互連和阻尼分配的無源控制進行了對比分析，得出了基于互連和阻尼分配的無源控制時，網側電流具有最小的總諧波失真率(total harmonic distortion, THD)、整流器直流輸出電壓波動最小且響應速度最快，實現了對升弓整備過程中，牽引網電壓發生的低頻振蕩(low-frequency oscillation, LFO)現象的抑制等結論。文獻[9]提出了一種基于擴張觀測器(extended state observer, ESO)的非線性控制策略來抑制低頻振蕩，并與PI控制和滑?？刂?sliding mode control, SMC)控制進行了比較，分析了其控制效果，并在車網耦合系統dSPACE半物理平臺上驗證了LFO的抑制效果。然而，以上研究成果的研究對象都是處于升弓整備狀態時的動車組，且逆變器和電機被等效為一個純電阻，沒有考慮動車組在實際運行過程中的不同工況。

此外，車網耦合系統的性能與動車組運行工況也有一定關系，動車組發生再生制動時會對動車組整流器直流側輸出電壓產生影響，嚴重情況下會出現過電壓現象，對電網和動車組產生沖擊。綜合上述幾點，本文嘗試提出一種基于滑模觀測器的動車組網側整流器滑?？刂撇呗詠硪种栖嚲W耦合系統在不同工況下的電壓和電流波動。

1 電力牽引傳動單元建模

CRH3型動車組由4個牽引傳動單元組成，牽引傳動單元是由車載變壓器、雙重化四象限整流器、中間直流環節、逆變器以及4臺三相異步電動機構成[10]。其中，兩個整流器并聯連接，并采用相同的控制方式和電氣量參考值。CRH3型動車組整流器的控制策略一般采用傳統比例積分(proportional integral, PI) 控制；牽引逆變器一般采用空間矢量調制和轉子磁鏈定向控制策略[10-11]。

動車組4臺牽引傳動單元的等效拓撲結構如圖1所示。在后文進行理論分析時，將逆變器和電機等效為一個電阻和非恒定直流電壓源串聯的電路[12-13]。

圖1 CRH3型動車組單個牽引傳動單元等效電路

圖2 CRH3型動車組拓撲結構圖

結合式(1)—式(5)，可以得到旋轉坐標系中動車組的數學模型為

2 基于滑模觀測器的滑?？刂品椒ń?/h2>

圖3 基于SMC+SMO 4臺牽引傳動單元控制框圖

3.1 外環電壓模塊設計

1) 首先，對滑模觀測器進行數學建模。將式(6)中第3個式子等式兩邊分別乘以dc后可得

進一步化簡可得

根據基爾霍夫電壓定律定理可得

根據式(6)可得

根據式(21)可搭建外環電壓控制模塊框圖，如圖5所示。

3.2 滑模觀測器穩定性分析

將式(9)和式(10)相減，可以得到

定義李雅普諾夫函數為

3.3 內環電流模塊的設計

為保證車網系統具有較好的動、靜態性能，本文選用指數控制律，如式(30)所示。

式中：?項在系統狀態遠離滑模表面時起主要作用，它可使系統狀態迅速接近滑模表面；sign()項在系統狀態接近滑模表面時起主要作用，減慢系統狀態的逼近速度，避免劇烈的顫動；和是常數，可在 600 ≤≤1000、≤105中取值；sign()為符號函數，如式(31)所示。

代入式(6)可得

整理式(35)并將式(32)代入，可得開關函數的表達式，如式(36)所示。

從而推導出輸入到PWM模塊的兩個電量的表達式，如式(37)所示。

圖6 內環電流控制模塊框圖

4 車網系統多工況運行性能仿真驗證

4.1 牽引電機轉速改變時的性能比較

根據式(39)計算可得轉動慣量的值為1000 kg·m2。

表1 整流器仿真模型主要參數

表2 SMO+SMC控制參數

圖9 列車運行速度改變3種控制策略下波形圖

表3 列車增速時3種控制策略下直流側電壓性能指標

表4 列車減速時3種控制策略下直流側電壓性能指標

4.2 車網耦合模型網側電流波動比較

為驗證基于SMO+SMC控制的CRH3型動車組網側單相整流器的控制策略抑制網側電壓電流波動的效果，采用降階法建立25 km牽引網模型，與基于傳統PI控制、SMC控制、SMO + SMC控制策略的4個牽引傳動單元并聯，構成相互耦合的級聯系統。根據工程實際情況進行了仿真試驗：列車在0 s時刻接入牽引網并以20 rad/s的速度勻速運行，在100 s時牽引電機轉速由20 rad/s增加到100 rad/s、280 s時牽引電機轉速減小到50 rad/s。

根據圖10—圖12、表5和表6可看出，在面對列車運行速度改變時，基于SMO+SMC控制的CRH3型車單相整流器的控制效果優于SMC控制或PI控制，網側電流在車輛運行速度改變的瞬間，即100 s、280 s時產生了較小的波動，并迅速恢復穩定，以上對比說明SMO+SMC控制策略能夠增加牽引網側電流的穩定性，保證牽引網-動車組復雜耦合系統的穩定性且在3種策略中表現最佳。

圖10 車網耦合系統基于PI控制牽引網側電壓與電流仿真結果

圖11 車網耦合系統基于SMC控制牽引網側電壓與電流仿真結果

圖12 車網耦合系統基于SMO+SMC控制牽引網側電壓與電流仿真結果

表5 列車速度增加時3種控制策略下牽引網側電流性能指標

表6 列車速度降低時3種控制策略下直流側電流性能指標

5 半實物驗證

5.1 整流器直流側輸出電壓實驗驗證

仿真測試平臺上對仿真結果進行實驗驗證，測試平臺示意圖如圖13所示。將CRH3型動車組4個牽引傳動單元及車網耦合系統的仿真模型依次分為主電路和控制電路，主電路模型在基于NI-PXIe- FPGA-7868R的硬件在環測試系統HIL上運行，控制電路在CPU上運行。IO板包含許多IO通道，可以實現HIL和RCP之間的通信。示波器用于觀測各電氣量。主控機操作平臺用于對整個平臺進行操控。主電路和控制電路的相關參數都與Matlab/ Simulink平臺上的仿真參數一致。

圖13 半實物測試平臺示意圖

圖14 牽引電機轉速改變時半實物實驗圖

圖15 基于不同控制策略牽引電機轉速改變時實驗圖

5.3 車網耦合網側電壓電流實驗驗證

車網耦合模型的網側電壓電流的實驗波形圖如圖16所示，實驗結果表明PI、SMC、SMO控制下列車運行速度改變時，網側電流波動明顯SMC+ SMO控制策略下的網側電流在列車運行速度改變時的幅值最小，這與仿真結果基本一致，實驗可以說明在車網耦合模型中列車速度改變時SMO+SMC策略比PI控制和SMC控制的抗干擾能力更強。

6 結論

為提高車網耦合系統在多種運行工況下的電能質量，本文提出一種改善動車組整流器側控制策略的方法。本文基于SMC和滑模觀測器的相關理論知識，結合CRH3型動車組整車拓撲結構，設計了SMO+SMC控制策略，在Matlab/Simulink仿真平臺、HIL半實物驗證平臺將兩種控制策略和PI控制策略在多工況運行下的性能進行對比分析，主要結論如下：

1) 傳統PI控制對系統多工況運行時動、靜態性能的控制存在缺陷，例如啟動時存在超調、響應速度慢、電壓波動大以及負載變化時恢復至穩態的時間長等等。

2) 在列車運行速度發生變化時，基于SMC策略的CRH3動車組整流器輸出直流電壓波動較大，本文嘗試將SMC算法與滑模觀測器結合以改善SMC的控制缺陷，仿真和半實物結果表明SMO+SMC策略可以改善SMC在負載突變時魯棒特性弱的缺點。

3) 在車網耦合系統中，列車運行速度發生變化時，仿真和半實物結果表明SMO+SMC策略可以有效改善牽引網側電流在牽引電機轉速改變時波動大的缺點。

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A control strategy for EMUs rectifier based on sliding mode observer

WANG Haoyu1, ZHANG Yuting1, 2, ZHANG Qiao1, LIU Zhigang1

(1. School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China;2. Wuxi Rail Construction Design Consulting Co., Ltd., Wuxi 214000, China)

To improve the DC voltage anti-interference ability of a vehicle-grid coupling system under multi-operating conditions, a sliding mode control strategy of EMUs grid side rectifier based on a sliding mode observer (SMO+SMC) is proposed. First, through building the mathematical model of CRH3 EMUs in a dq coordinate system, the design equation of the sliding mode observer is derived. Then, the sliding mode observer is used to observe the output power of the traction motor in real time, and the voltage control module of the outer loop of the sliding mode control is supplied to realize the combination of the sliding mode observer and the sliding mode control. Finally, PI, sliding mode control and SMO+SMC are applied to the simulation model of CRH3 EMUs. In addition, the DC voltage control effect of the rectifier side under multiple working conditions is analyzed and verified, and then a semi-physical experiment is carried out based on the HIL small step real-time simulation test platform. The simulation and experimental results show that the SMO+SMC strategy can improve the DC voltage anti-interference ability and the stability of grid side voltage and current when multiple vehicles are connected to the grid.

electrified railway; EMUs-traction network coupling system; multi-condition operation; sliding mode observer

10.19783/j.cnki.pspc.220153

國家自然科學基金高鐵聯合基金重點項目資助 (U1434203)

This work is supported by the Key Project of High Speed Rail Joint Foundation of National Natural Science Foundation of China (No. U1434203).

2022-02-09；

2022-03-25

王浩宇(1998—)，男，碩士，研究方向為軌道交通電氣化與自動化；E-mail: 1102012570 @qq.com

張雨婷(1996—)，女，碩士，研究方向為軌道交通電氣化與自動化；E-mail: 1437149530 @qq.com

張 喬(1994—)，男，通信作者，博士研究生，研究方向為軌道交通電氣化與自動化。E-mail: zhangqiao_jq@ 163.com

(編輯 周金梅)