【摘 要】
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牵引网-机车耦合系统低频振荡过电压问题频繁出现,严重影响铁路的安全稳定运行,因此亟待对其产生机制和抑制措施展开研究。由于动车组或电力机车脉冲整流器控制策略是影响低频振荡的关键因素,本文以振荡抑制为主要目标,结合模型预测控制在电力变流器控制方面的优势,首先设计了基于优化求解的模型预测控制,实现了机车更好的控制性能。随后设计了基于扩张状态观测器的模型预测控制,进一步提高了系统鲁棒性。并搭建了仿真和实验
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牵引网-机车耦合系统低频振荡过电压问题频繁出现,严重影响铁路的安全稳定运行,因此亟待对其产生机制和抑制措施展开研究。由于动车组或电力机车脉冲整流器控制策略是影响低频振荡的关键因素,本文以振荡抑制为主要目标,结合模型预测控制在电力变流器控制方面的优势,首先设计了基于优化求解的模型预测控制,实现了机车更好的控制性能。随后设计了基于扩张状态观测器的模型预测控制,进一步提高了系统鲁棒性。并搭建了仿真和实验平台,对所提算法的控制性能及对低频振荡的抑制能力进行了仿真和实验验证。首先,基于降阶原理及多导体传输线参数搭建牵引网降阶仿真模型。基于动车组牵引传动系统等效电路,推导出dq坐标系下动车组单相整流器数学模型。其次搭建RTLAB仿真平台及dSPACE半实物实验平台,基于牵引网-机车仿真模型及传统电流解耦控制再现了低频振荡现象,为下文与所提算法的对比分析创造了模型和实验条件。为了提高机车控制性能,基于dq坐标系下的单相整流器数学模型,推导出牵引变流器电流预测模型,并引入两步预测控制来消除延时误差。定义电流预测值与其参考值误差及控制电压变化量构建性能函数,通过对性能函数微分求解得到电压变化量,结合当前采样时刻控制电压,得到下一采样时刻最优控制电压。最后通过脉宽调制获得开关序列用于控制输出。通过仿真和实验对所提算法进行了评估。为了解决模型预测控制在系统存在严重模型失配或参数变化时,控制精度会显著降低的问题,结合状态观测器进一步提高了系统抗干扰性能。首先基于动车组脉冲整流器电流预测模型,将电路参数误差及系统未建模项引起的总系统扰动扩展为一个新的系统变量,构建线性状态观测器。其次,通过来估计系统总扰动,为预测控制算法计算得到的控制电压提供实时扰动补偿。最后基于带宽和传递函数的方法分析系统稳定性实现极点配置,并以此来确定观测器的增益系数。通过仿真和实验对所提算法进行了评估。
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