改进机车整流器滑模控制的牵引供电低频振荡抑制方法

技术领域

本发明涉及牵引供电技术领域，尤其涉及改进机车整流器滑模控制的牵引供电低频振荡抑制方法。

背景技术

低频振荡给牵引供电系统的稳定运行带来了巨大挑战，其造成的过电压可能引发列车停运、安全设备误动作等事故，危害电气化铁路的正常运行。

光伏引入牵引供电系统是研究新能源接入牵引供电系统安全运行的典型案例。目前许多专家学者针对牵引网低频振荡进行研究，普遍认为低频振荡是车网系统参数不匹配造成的。改变牵引网侧的参数有一定难度且不经济，因而改变动车组参数成为抑制低频振荡的主要手段。

瞬态电流控制是机车整流器的传统控制策略,它具有快速的响应能力且能够提高电动机的效率，但存有稳定性欠佳、易引发低频振荡的问题。滑模控制具有鲁棒性高、无超调量的特点，将其引入电流环控制器中，能有效地抑制低频振荡，然而传统滑模控制律所引发的抖振会导致直流侧电压幅值波动偏大，从而影响电网性能。

发明内容

本发明针对机车整流器现有滑模控制策略的不足，提出改进滑模控制方法，通过在电流环控制器引入平滑系数以降低系统抖振，经由遗传算法寻优切换面的速率以改进直流侧电压的稳态性能。

本发明所采用的技术方案是：改进机车整流器滑模控制的牵引供电低频振荡抑制方法包括以下步骤：

步骤一、构建含光伏牵引供电系统的数学模型及机车整流器dq数学模型；

进一步的，步骤一具体包括：

步骤11、设置整流器网侧交流电流，计算其在αβ坐标系中分量值；

步骤12、将αβ坐标系中分量值进行dq变换，得到对应d轴和q轴的网侧电流；

步骤13、根据基尔霍夫定律得到单相两电平整流器的数学模型；

步骤14、结合正交分量以及dq变换，得到整流器在dq变换下的状态方程。

步骤二、在dq坐标系下，选取机车整流器的输入单位功率因数和直流侧电压稳定作为控制目标，得到有功电流给定值，完成电压外环控制滑模面的求取；

进一步的，步骤二具体包括：

步骤21、构建直流侧输出电压滑模面和交流侧输入无功电流滑模面；

步骤22、计算dq坐标系下网侧电流得到有功电流给定值。

步骤三、将平滑系数引入基于双曲正切函数的指数趋近律；并采用遗传算法对切换面的速率进行寻优；将滑模面控制方程通过寻优后的双曲正切函数的指数趋近律与直流侧电压运算得到SPWM控制电压，完成电流环控制律的求取；

进一步的，平滑系数引入基于双曲正切函数的指数趋近律的公式为：

其中，α为运动点趋近于切换面的速率，β为平滑系数，α>0，k>0；k为控制律增益，s为电压滑模面，

进一步的，平滑系数β＝0.5。

进一步的，遗传算法对切换面的速率进行寻优包括：

设置切换面的速率的范围和初始化遗传算法的遗传代数、变异和交叉概率参数；利用适应度评价函数对速率不断寻优，找到切换面的速率最优值。

最终，可得电流环滑模控制律为：

其中，u

进一步的，改进机车整流器滑模控制的牵引供电低频振荡抑制系统，包括：存储器，用于存储可由处理器执行的指令；处理器，用于执行指令以实现改进机车整流器滑模控制的牵引供电低频振荡抑制方法。

进一步的，存储有计算机程序代码的计算机可读介质，计算机程序代码在由处理器执行时实现改进机车整流器滑模控制的牵引供电低频振荡抑制方法。

本发明的有益效果：

1、本发明在机车整流器的电流环控制器中，通过在基于双曲正切函数的指数趋近律中引入平滑系数，不仅保持了滑模控制鲁棒性高及无超调的特点，还有效地降低了系统抖振，相较于传统滑模控制具有更小的电压幅值波动；

2、本发明将指数趋近律中的切换面的速率经由遗传算法寻优以改进直流侧电压的稳态性能。

附图说明

图1为本发明光伏发电-牵引网-动车组的牵引供电光伏结构示意图；

图2为本发明CRH3型动车组的工作原理电路图；

图3为本发明CRH3型动车组网侧整流器拓补结构图；

图4为本发明电流环滑模控制器的结构框图；

图5为本发明基于改进电流环滑模控制器的机车整流器控制框图；

图6本发明基于遗传算法对改进滑模控制的切换面的速率α寻优流程图；

图7中(a)为本发明网侧电压、电流波形图；图7中(b)为本发明直流侧电压波形图；

图8中(a)为本发明基于遗传算法对切换面的速率α寻优结果图；图8中(b)为本发明电流环控制器分别采用传统滑模控制及改进滑模控制方法时的直流侧电压波形比较图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

本发明以CRH3型动车组为例；

改进机车整流器滑模控制的牵引供电低频振荡抑制方法包括以下步骤：

步骤一、构建含光伏牵引供电系统的数学模型及机车整流器dq数学模型；

首先，为了简化对低频振荡问题的分析，将牵引网视为一个理想电压源和一个等效的线路阻抗，与光伏发电模块、机车构成完整的车网耦合系统，其系统电路如图1所示。

假设整流器网侧交流电流i

其中，I

令i

其中，i

将i

其中，i

同理，整流器网侧电压u

采用CRH3型动车组，其工作原理如图2所示,列车处于空载或轻载状态时，三相逆变器和牵引电机不会运行；通常当发生低频振荡时，受电弓处在升弓整备状态，在这种情况下建模可以忽略列车逆变器和交流电机的影响，将他们视为一个等效负载。

如图3根据基尔霍夫定律可得单相两电平整流器的数学模型可表示为：

式中，S

结合正交分量以及dq变换，得到整流器在dq系下的状态方程：

式中，L和R分别是网侧电感和电阻；C

步骤二、在dq坐标系下，选取机车整流器的输入单位功率因数和直流侧电压稳定作为控制目标，得到有功电流给定值，完成电压外环控制滑模面的求取；

通过dq系下整流器状态方程，对滑模面进行求取，选取直流侧电压U

设直流侧电压U

由于整流器的控制目标是输入单位功率因数及确保直流侧电压稳定。

为了保证闭环系统的鲁棒性，建立如下滑模面表达式：

其中，S

根据相应控制输出，建立直流侧输出电压滑模面为：

联列式子并整理可得输出电压滑模面如下：

假设在理想滑动下，即

因此，整理可得电压外环滑模面表示为：

整理可得：

综上，i

式中，μ

步骤三、将平滑系数引入基于双曲正切函数的指数趋近律；并采用遗传算法对切换面的速率进行寻优，将滑模面控制方程通过双曲正切函数的指数趋近律与直流侧电压运算得到SPWM控制电压，完成电流环控制律的求取；

将滑模控制应用到含光伏牵引供电系统，令s＝[s

为了在系统中实现较好的动态性能和稳态性能，通常选择指数趋近率来设计系统的滑模控制率，其形式为：

可通过双曲正切函数连续光滑的性质，来减少滑模控制中抖振问题，建立趋近律如下：

但是，由于双曲正切函数的光滑性，会导致直流侧电压稳态后会存在问稳态误差，无法达到电网运行要求。

然而采用双曲正切函数会导致直流侧电压存在稳态误差，无法达到电网运行要求。本发明所构建的基于电流环控制器的改进滑模指数趋近律如图4所示，其表达式如下：

其中，α为运动点趋近于切换面的速率，β为平滑系数，α>0，k>0。

因此，可得趋近律为：

接着，选取平滑系数β为0.5，采用遗传算法对切换面的速率α进行参数寻优，如图6所示，包括如下步骤：

步骤1、随机生成NP个染色体，NP＝2，3，4…，组成初始化种群1，设置遗传代数、变异和交叉概率等参数值，确定切换面的速率α的取值范围以及适应度评价函数；

步骤2、根据步骤1中适应度评价函数，计算初始化种群1中每个染色体的适应度值；

步骤3、根据最小性原则，对最小适应度进行遍历筛选，挑选出历代最小适度值及其对应的基因；

步骤4、对整个种群的所有染色体NP进行选择、交叉和变异等遗传算法操作；

步骤5、将步骤4得到的个体更新成新种群，并且采用边界控制中的参数重置法对新个体的基因进行淘汰，获得满足参数边界条件的第G次迭代的新种群，基于该新种群计算各个染色体的适应度值；

步骤6、判断终止条件，若不满足则遗传代数加1，返回步骤4；

最终，可得电流环滑模控制律为：

将u

仿真结果：

图7中(a)是网侧电压、电流的波形图，可见采用改进滑模控制能有效地抑制低频振荡，且由图7中(b)所示的直流侧电压波形可知电压无超调且响应速度较快。

设置平滑系数β为0.5，采用遗传算法对切换面的速率α进行寻优，设置被优化变量速率范围为0～2、染色体数目为4、最大遗传代数为60、交叉概率和变异概率分别为0.8和0.1；利用遗传算法寻优结果如图8中(a)所示，可知在第46次迭代时系统收敛，直流侧电压稳态误差为1.3，此时速率α取值为1.8051；图8中(b)为电流环控制器分别采用传统滑模控制及改进滑模控制方法时的直流侧电压波形，可以看出引入平滑系数β可以降低系统抖振，相较于传统滑模控制具有更小的电压幅值波动；经由遗传算法对切换面的速率α寻优改进了直流侧电压的稳态性能。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。