阅读说明：本技术 一种前馈电压补偿的轻量化控制策略 (A kind of lightweight control strategy of front feedback voltage compensation ) 是由 舒凌洲 施荣圳 吴金添 于 2019-08-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种前馈电压补偿的轻量化控制策略,包括以下步骤：步骤1：建立一种基于电容电流为0的控制策略；步骤2：基于电压前馈补偿的控制策略分析；步骤3：进一步考虑到微分算子对于控制系统的不良影响,建立了一种通过基于欧拉法预测模型的去微分方法：将发明所研究的补偿控制策略进行仿真验证,仿真结果证明了该控制策略的正确性,验证了在不同工况下稳定性算法和补偿控制策略的合理性。(The invention discloses a kind of lightweight control strategies of front feedback voltage compensation, comprising the following steps: step 1: establishing a kind of control strategy for being 0 based on capacitance current；Step 2: the control-Strategy analysis based on electric voltage feed forward compensation；Step 3: further contemplating adverse effect of the differential operator for control system, it establishes a kind of by removing differential method based on Euler method prediction model: studied Compensation Strategies will be invented and carry out simulating, verifying, simulation results show the correctness of the control strategy, demonstrates the reasonability in different operating condition stability inferior algorithms and Compensation Strategies.)

一种前馈电压补偿的轻量化控制策略

技术领域

本发明涉及电力电子控制的技术领域，具体涉及一种前馈电压补偿的轻量化控制策略。

背景技术

在交直交电路系统中，支撑电容和LC滤波电路构成了中间直流环节。支撑电容主要起到了储能和滤波的作用，由于整流器和逆变器工况的不同，需要储能元件在调制过程中交换无功功率和谐波；并且支撑电容有助于保持中间直流环节的电压稳定，减小直流侧电压纹波。而支撑电容的大小将直接影响牵引系统的成本和空间，而且与整个控制策略的可靠程度和动态响应相关，所以较小支撑电容的设计在动车牵引系统的研究中是十分重要的。针对传动系统的中间直流环节较小支撑电容设计，其核心思想是保持系统的稳定性，减小中间直流侧的输出整流电压的纹波,而当电容越小时，其中间直流侧电压纹波会越大。纹波含量的影响因素主要分为直流侧的电压或负载突变造成的电压纹波和牵引传动系统在稳定状态下运行下直流侧电压本身所含的纹波。Malesani L等人采用了通过假定中间直流环节中输入和输出电流一致，采用电流节点的前反馈补偿策略，从而使得支撑电容支路的电流值最小化，但由于控制方法需要系统运行在比较高的稳定状态下，所以需要对控制策略的算法进行一定的优化。JungJ等人在原来算法的基础上采用了基于预测模型的优化算法，但由于采样周期的延长，在实际工作中运用会有一定的局限性。Habetler T G通过优化预测算法的控制策略，通过超前一拍的控制方法调节节点电流，目的也是抑制动态控制带来的采样延迟，但存在由于网侧电压的波纹存在，无法将电流反馈量加到系统中的问题。本专利以交直交电路系统为研究对象，并结合其控制电路的结构特征和参数特点，研究一种轻量化的交直交系统控制策略。

发明内容

本发明公开了一种基于前馈电压补偿、针对电容轻量化的交直交系统控制策略。

本发明采用的技术方案是：基于前馈电压补偿的电容轻量化的交直交系统控制策略，包括以下步骤：

步骤1：一种基于电容电流为0的控制策略的分析；

图1展示了一种典型的交直交传动系统的配置，其中i_cap表示经过支撑电容的电流，i_con表示整流器到中间直流环节的输出电流，i_inv表示中间直流环节到逆变器的输入电流。

根据网侧牵引变流器数学模型，网侧对牵引传动系统主电路所提供的输出功率表示为：

U_s,i_s分别表示网侧的电压和电流，i_load表示负载电流，L_N表示网侧电感，t表示积分的时间，U_dc(U_dc也可以写成V_dc)表示直流侧的电压，C_d表示支撑电容的容值。

逆变器的输入功率P_inv采用dq模型将其展开，表示为：

i_d2和i_q2分别表示逆变器输入电流的d轴和q轴分量，v_d2和v_q2分别表示逆变器输入电压的d轴和q轴分量。

其中整流器输出电流i_con表示为：

逆变器输入电流i_inv表示为：

所以支撑电容器电流i_cap等于：

支撑电容器的支路电流i_cap的大小将直接影响直流中间回路的电压变化情况。因此，假设i_cap被调制为零，则直流中间回路的电压不会发生变化，即可实现其支撑电容最小化。通过研究i_cap＝0的控制策略，研究在该牵引系统中使用非常小的支撑电容器的控制方法。其目的是使脉冲整流器输出电流值i_con与逆变器输出电流值i_inv相同，以使i_cap＝0。在估计i_inv的值时我们可以使用电动机参数对其进行定量的求解。

步骤2：基于电压前馈补偿的控制策略分析；

电压电流的补偿控制思路是对负载电流前反馈的补偿方法，通过计算逆变器侧电流i_inv，并且从转换器侧馈送等量的电流以使i_cap＝0。在这种情况下，获得对应的转换器电流i₁，使得其中E₁为控制电路的给定电压，i_dc2为补偿电流。通过引入补偿电流i₁，来抵消出现在转换器块内的1/sC块之前的i_inv，SC和SL为两种微分模块。

但是由于电压限制和稳定性的关系，PI增益一般不会在实际运用中选的很高。另一方面，1/sL会产生动态延迟，由于开关频率选择大小的影响，产生的动态延迟将大大影响其控制性能，并且i_inv在速度反转的过程中也会急剧变化。这类控制策略在动车牵引系统中会产生如同阶跃函数变化的状况。补偿动作不够快，导致i_cap并不能完全匹配控制策略的进程，直流回路电压也会产生较大波动。根据交直交电路系统的相关特点(单相整流，三相逆变，低开关频率等)，针对以电压节点前馈补偿为控制核心的控制策略进行分析，如图2所示。

所提出的控制器的主要区别在于，将补偿值应用在节点电压v^*上。

其中k_p1和k_i1为整流器的两个闭环pi控制参数，为给定的电容电流补偿值。

在图2中，由于从节点α到β的前馈增益是统一的，因此利用补偿项v_1ff完全抵消i_inv。因此，该控制系统的优点在于不需要PI控制器再到补偿模块进行作用，因此可以避免与PI控制器相关联的响应延迟。

步骤3：基于欧拉法预测模型的去微分方法

在所提出的控制器中由于PI调节器的作用产生了微分算子，但由于算法中的微分算子会在连续的控制运行中生成不连续的点，而不连续点会直接影响动态系统的稳定性，所以需要对其进行去微分。

逆变器中感应电动机动力学的定子电流方程式可以表示为：

其中L_m,L_s,L_r,R_s,ω_e,分别表示逆变器电机中的互感电感，定子电感，转子电感，总漏电系数，定子电阻，电机角频率和d轴转子磁通。

利用PWM占空比用于表示逆变器电压：

[v_d2(t) v_q2(t)]^T＝[d_d2(t) d_q2(t)]^TV_dc(t) (8)

其中d_d2和d_q2分别是逆变器的d-q轴占空比。

由于假定电网提供的源电压Us为恒定值，因为中，只有当V_dci_dc2发生变化时，转换器电流i₁才会改变。在这里引入欧拉法，通过将系统离散化，对控制器模块进行去微分。为了方便计算，使V_dc(kTs)＝V_dc(k)，并将其假设应用于其他变量。在t＝kTs时，利用欧拉法将i_dc2(k)，V_dc(k)等因子离散化。

首先将在t＝kTs的时间进行展开：

其中和分别是在t＝kTs时的V_dc和i_dc2的预测值。由于在直流电压V_dc参数值在仿真运行中可以被实时获取和记录，所以V_dc(k)的测量值可以作为已知参数。

同理转换器电流的数值也可以被实时获取，因此可以得到逆变器直流侧输入电流i_dc2(k)。

基于上式，可以得到i_dc2(k)在k+1时刻的预测值

其中和分别是i_d2(k+1)和i_q2(k+1)的估计值。在上式中，利用逆变器的PWM占空比得到k+1时刻的和可以假定在短暂时间的k时刻的和不发生变化，因此可以在第k时刻中获得其值。

在逆变器中感应电动机动力学的定子电流方程式中同样运用欧拉法，可以得到预测方程：

根据上式的结果，可以将和带入到式(4-5)的中。

因为V_dc＝i_cap/C，最后将V_dc(k)运用欧拉法，得到预测方程为：

最终可以得到微分算式的基于预测的离散化方程：

其中整流器输出和逆变器输入电压在每一个运行控制策略的时间点上都被实时获取和调用，因此上式中所有t＝kTs项的数值都是可用的。

本发明的有益效果是：

(1)本发明与现有技术相比能够有效减少电容的容值，实现控制系统的轻量化；

(2)本发明适用于大功率控制系统，对于系统的多工况运行有较好的控制效果；

(3)本发明可有效的排除了控制器中微分的干扰。

附图说明

图1为本发明实施例采用的单相交直交传动系统

图2为本发明实施例的电压前馈补偿法控制框图

图3为本发明实施例中正常支撑电容的直流侧电压波形

图4为本发明实施例中减小支撑电容的直流侧电压波形

图5为本发明实施例中加入控制策略的直流侧电压波形

具体实施方式

下面将结合附表参数，对本发明实施例中的效果进行展示，显然，所描述的实施例仅是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

该发明的轻量化交直交系统控制策略设定编程环境为MATLAB/Simulink，编程语言为MATLAT/Simulink自身的C语言。

以高速铁路中CRH3系列两电平动车组牵引传动系统的交直交系统控制策略为例，采用引表1的参数进行仿真测试。

为了模拟使用电容轻量化控制策略，不同各种工况对其的影响，采用了引表2的测试的工况设置，分别让系统达到稳态运行状况下，通过运行速度与负载的给定值突变运行状况下进行性能测试。仿真模拟了在牵引运行工况及再生制动运行工况间的相互切换情况，并考虑了列车运行阻力的影响。

取支撑电容Cd＝5mF，此时直流侧电压波形如图3所示。此时直流侧电压在启动阶段超调(约3300V)较小，各个工况切换的时间较短，产生的脉动冲击较小，在稳定区间的纹波电压(约±20V以内)在合理的范围以内，说明此时系统是稳定的。

而当减小支撑电容Cd＝1mF时，此时直流侧电压波形如图4所示。此时直流侧电压在启动阶段超调(约4000V)较大，各个工况切换的时间较长，产生的脉动冲击很大，并且在稳定区间的纹波电压(约±40V)较大，说明此时系统是不稳定的。

根据该发明的轻量化交直交系统控制策略，在原有的仿真模型的基础上，搭建前馈补偿的电容轻量化的控制策略模块。同样减小支撑电容，Cd＝1mF时，此时直流侧电压波形如图5所示。此时直流侧电压在启动阶段超调(约3400V)，各个工况切换的时间和脉动冲击基本满足正常运行情况，虽然在加速工况阶段产生了一定的脉动冲击，但较快恢复稳定。在稳定区间的纹波电压(约±20V以内)较小，说明加入后控制策略系统是稳定的。

引表1牵引传动系统参数

引表2测试的工况设置