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西南交通大学-基于模糊观测器的高速列车牵引双整流器控制方法

用户与研究成果简介:

西南交通大学刘志刚教授的科研团队提出了一种基于模糊观测器的高速列车牵引双整流器控制方法,该方法将模糊控制器和模糊观测器结合,构建FOC控制,解决直流侧电压控制器与牵引变流器电路参数相互作用引起的低频振荡问题。该方法具有瞬态快、阻尼大、超调小等优点。此外,该方法还能在系统受到外界干扰时保持系统的稳定性;本研究利用上海远宽的StarSim电力电子小步长实时仿真器进行实验,通过实验结果验证了所提出的FOC控制正确性与有效性,并把成果总结发表于《IEEE Transactions on Vehicular Technology》:

I. A. Tasiu, Z. Liu, Q. Yan, H. Chen, K. Hu and S. Wu, "Fuzzy Observer-Based Control for the Traction Dual Rectifiers in High-Speed Train," in IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 70, no. 1, pp. 303-318, Jan. 2021, doi: 10.1109/TVT.2020.3047663. 已发表。


课题研究背景



牵引变流器控制研究意义与现状

高速列车低频振荡是影响铁路稳定、平稳和安全运行的重要因素之一。动车组或电力机车将整流负载连接到单相馈线上,消耗虚轴功率或正交功率,向牵引供电系统注入负序电流,产生低频振荡。牵引双变流器(Traction Dual Rectifiers, TDR)确保车辆侧接近正弦交流电和统一功率因数。然而,它们在正弦脉宽调制下的工作产生的边带谐波在载波频率附近。如果注入牵引供电系统的负序电流意外地与其谐振频率重合,低频振荡就会被激发,在电压和电流两方面产生不必要的失真,从而干扰通信渠道和激活保护装置,导致牵引封锁。综合考虑成本、时间和效率,优化控制算法是最佳选择。


本文提出的基于模糊观测器的模糊控制(Fuzzy Observer-Based Control, FOC)与TDR其他控制主要区别在于,不像模型预测控制(Model Predictive Control, MPC)和滑模控制(Sliding Mode Control, SMC),FOC控制不需要系统的精确数学模型。另一个优点是我们通过部署一个模糊状态观测器来检查系统模型中的误差来考虑系统的不确定性,同时将观测器与控制器配合,可以对扰动进行衰减。


研究重要内容和创新点



FOC控制结构与原理

该方法提出的模糊观测器通过估计系统的前提变量,并不断调整观测器增益来检查系统模型的误差,从而导致直流侧电压的波动。然后,模糊控制器通过不断调整控制器增益来精确地补偿估计变量,消除低频振荡的影响。该观测器和控制器的增益可以用凸规划方法推导出来。利用李亚普诺夫稳定性理论(Lyapunov stability theory, LST)对所设计的FOC进行稳定性检验,并利用平方和(a sum of squares, SS)确定稳定性条件。因此,为了获得凸SS稳定性条件,我们采用了同余变换和矩阵解耦技术。同时为了减少计算量,所提出的方法采用了一步Takagi-Sugeno模糊逻辑模型设计过程,该方法利用凸规划方法,可以一步推导出控制器增益和观测器增益。


该方法具有调整时间短、阻尼大、线电流波动小等优点。


在此研究中,控制模型如图所示:

 

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控制方法对比实验设计与结果

针对牵引双变流器各种控制的效果及参数敏感性的测试,西南交大刘志刚团队提出的FOC控制方法综合考虑了参数和系统的不确定性,通过改变不同牵引变流器的数量和多车系统进行分析,得到各类情况的电压电流波形。


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在单台牵引双变流器运行时直流侧输出电压Udc的波形如上所示;所提出的FOC方法具有最优的动态性能。在单台牵引双变流器运行时,线电压和线电流具体如下图所示,所提出的FOC方法具有最小的THD和更小的电流波动。


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注:其它数量下动车组运行情况和具体控制算法表达式详细推导详见西南交通大学科研团队发表的文章。


基于实时仿真器的算法验证



基于任意拓扑小步长实时仿真的控制方法验证

研究在实验验证阶段,模拟了在动车组数量逐渐增加情况下,网侧电压、电流、直流侧电压的变化情况,并验证了所提FOC方法的可行性和鲁棒性。一般来说,动车组数量递增这种实验一般较难在实物系统上实现;纯软件仿真又有无法接入真实控制器的缺点,较难反应出真实控制器中的延迟和有限精度。实时仿真器可以同真实控制器连接,又不会有故障实验危险的问题,是各种牵引变流器控制方法验证的理想测试设备。


任意拓扑小步长实时仿真对于牵引变流器控制方法验证的重要性

电力电子系统通常含有高速动作的开关元件,其实时仿真有一定挑战,通常有两种方法来实现电力电子系统的实时仿真,一种是基于PWM占空比测量的平均值大步长方法,一种是基于细节模型的小步长实时仿真。


同时实时仿真器要能够仿真各种参数变化工况,或者说任意的拓扑组合;一些只能仿真正常工况的实时仿真器也不适用。


远宽能源(www.modeling-tech.com)提供的StarSim实时仿真器,基于电力电子器件的细节模型,利用最新的FPGA技术,可以实现1微秒步长、任意拓扑、任意工况的电力电子系统实时仿真,被广泛应用于牵引供电系统故障诊断、控制策略验证、可再生能源并网、电机驱动等的实时仿真中;西南交通大学的科研团队就采用了StarSim电力电子实时仿真器来验证所提出的基于模糊观测器的高速列车牵引双整流器控制方法正确性。  


下图是HIL+RCP测试平台示意图,其包括实时仿真系统HIL和快速原型控制器RCP, 其中电力电子系统是利用StarSim FPGA Solver按1微秒的步长实时仿真;控制算法模型运行在RCP控制器上,实时仿真器和快速原型控制器通过真实的物理IO互连。


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下图为在小步长实时仿真实验平台上不同动车组数量情况下的网侧电压电流、直流侧电压的实验波形。


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(a) PIC控制下电压电流波形


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(b) PC控制下电压电流波形


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(c) 所提出FOC控制下电压电流波形


由图(a),(b)和(c)可以看出,所提出的FOC在系统受到外界干扰时具有干扰监测能力,且PC直流侧电压会略有下降,FOC没有,验证了所提出FOC方法的优越性。

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