王穎杰, 邢 濤, 焦嵐軼, 秦 超, 倪春明
(1.中國礦業(yè)大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇 徐州 221008;2.大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車系統(tǒng)集成國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 株洲 421001;3. 國網(wǎng)山西省電力公司 晉城供電公司,山西 晉城 048000;4.中煤科工集團(tuán)上海有限公司 檢測技術(shù)研究中心,上海 201401)
隨著電氣化鐵路的快速發(fā)展,機(jī)車功率和密度的逐漸提升,隨之出現(xiàn)了一系列問題,如高頻諧振和低頻振蕩事故,因此如何維持其穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。2008年,大秦線湖東機(jī)務(wù)段多臺(tái)HXD1B型號(hào)機(jī)車啟動(dòng)時(shí),牽引網(wǎng)電壓出現(xiàn)低頻振蕩現(xiàn)象,機(jī)車無法正常入庫;2010年,北京、鄭州等多地的CRH5型動(dòng)車組發(fā)生牽引封鎖,動(dòng)車組無法正常啟動(dòng);2016年,徐州供電段低頻振蕩現(xiàn)象發(fā)生158次[1-5],作為我國最繁忙的鐵路樞紐之一,該類型事故嚴(yán)重影響了鐵路正常運(yùn)行。低頻振蕩是指多列機(jī)車同時(shí)輕載啟動(dòng)時(shí),牽引網(wǎng)電壓出現(xiàn)3~10 Hz的振蕩現(xiàn)象[6]。該振蕩現(xiàn)象可能造成牽引封鎖,使得機(jī)車無法正常開出,嚴(yán)重影響列車秩序,威脅列車運(yùn)行安全[7]。
目前,低頻振蕩問題在產(chǎn)生機(jī)理和抑制方法兩個(gè)方面得到了國內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛關(guān)注[8]。車網(wǎng)耦合系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低會(huì)造成低頻振蕩,分析低頻振蕩的方法主要分為三類:(1)在網(wǎng)側(cè)加入阻抗后建立四象限變流器數(shù)學(xué)模型分析其穩(wěn)定性[9];(2)根據(jù)阻抗模型分析車網(wǎng)耦合系統(tǒng)的穩(wěn)定性[10];(3)利用非線性理論分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性[11]。
現(xiàn)有的低頻振蕩抑制方法可分為兩類。一類是改善牽引供電系統(tǒng)中的設(shè)備,比如文獻(xiàn)[12]提出減小系統(tǒng)等效阻抗可以通過更換大容量的牽引變壓器來實(shí)現(xiàn),徐州機(jī)務(wù)段已使用該方法很好地抑制了低頻振蕩現(xiàn)象的發(fā)生。文獻(xiàn)[13]提出在牽引變電所增設(shè)穩(wěn)壓裝置,可以有效抑制網(wǎng)壓波動(dòng)。這類方法特點(diǎn)是投資較大,不適合大范圍推廣使用,因此有學(xué)者提出在機(jī)車側(cè)進(jìn)行改進(jìn),如文獻(xiàn)[14]分析了影響車網(wǎng)耦合系統(tǒng)穩(wěn)定性的各個(gè)參數(shù),并得到通過減小變流器參數(shù)Kp抑制網(wǎng)壓振蕩的結(jié)論,但減小Kp降低了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。也有學(xué)者改進(jìn)了傳統(tǒng)的瞬態(tài)直接電流控制策略[15],如在變流器的控制策略中加入功率振蕩環(huán)節(jié),取得較好效果[16];文獻(xiàn)[17]將非線性控制方法代替電壓環(huán)的常規(guī)PI控制器,可以有效抑制低頻振蕩現(xiàn)象,但控制技術(shù)的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜,提高了成本。
針對(duì)以上研究的不足,引入模糊控制器[18],提出一種基于模糊控制的低頻振蕩抑制策略。該控制方法有著設(shè)計(jì)簡單、控制性能好和系統(tǒng)魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)模糊PI控制器,將其引入瞬態(tài)電流控制策略的電壓外環(huán)控制中。
本文采用基于阻抗比的穩(wěn)定性分析法,首先推導(dǎo)機(jī)車的等效阻抗,對(duì)車網(wǎng)耦合系統(tǒng)的低頻振蕩現(xiàn)象進(jìn)行理論解釋,在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種基于模糊控制抑制低頻振蕩的方法。最后,通過對(duì)比仿真和硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了本文所提方法的有效性。
CRH系列動(dòng)車組或HXD系列重載機(jī)車內(nèi)的牽引變流器大多采用的是交直交結(jié)構(gòu)[19],該類型變流器有著高功率因數(shù)和低諧波含量的優(yōu)點(diǎn)。牽引變流器通過車載變壓器接收牽引網(wǎng)的25 kV的單相交流電,經(jīng)過四象限變流器整流成3 000 V的直流電,再通過逆變器和電機(jī)部分將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。四象限變流器通過車載變壓器直接與牽引網(wǎng)接觸,承擔(dān)了機(jī)車與牽引供電系統(tǒng)交互耦合的任務(wù)。在研究車網(wǎng)耦合系統(tǒng)問題時(shí),一般將機(jī)車等效成四象限變流器,由于機(jī)車和動(dòng)車組有著相同的內(nèi)部結(jié)構(gòu),可以統(tǒng)一用變流器組來代表機(jī)車和動(dòng)車組,逆變器和牽引電機(jī)用等效負(fù)載代替,四象限變流拓?fù)湟妶D1。圖1中,us、is、分別為變壓器二次側(cè)輸出電壓、電流;Ls、Rs分別為車載變壓器側(cè)等效電感、電阻;udc、idc分別為直流側(cè)電壓、電流;Rd為四象限變流器輸出等效負(fù)載;Cd為直流穩(wěn)壓電容;iL為負(fù)載電流。
圖1 四象限變流器拓?fù)?/p>
根據(jù)基爾霍夫定律可得四象限變流器主電路數(shù)學(xué)模型為
(1)
四象限變流器的狀態(tài)空間模型為
(2)
式中:Sa、Sb分別為理想開關(guān)函數(shù);uab為四象限變流器的輸入電壓。
四象限變流器采用的是瞬態(tài)直接電流控制,其中內(nèi)環(huán)采用比例調(diào)節(jié)器,外環(huán)采用比例積分調(diào)節(jié)器,瞬態(tài)電流控制策略見圖2。該策略將常規(guī)的雙閉環(huán)控制與前饋控制結(jié)合,得到了較好的控制效果,在高速動(dòng)車組和重載機(jī)車中有較多的采用。瞬態(tài)電流控制策略的數(shù)學(xué)表達(dá)式為
(3)
圖2 瞬態(tài)電流控制策略
車網(wǎng)耦合系統(tǒng)中,同時(shí)處于整備階段的多個(gè)變流器組可能會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)電壓低頻振蕩和不穩(wěn)定,因此該問題的重點(diǎn)在于系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析。車網(wǎng)耦合系統(tǒng)是一個(gè)典型的級(jí)聯(lián)系統(tǒng),其穩(wěn)定性分析常用阻抗分析法,本文也是通過牽引供電系統(tǒng)和變流器組的等效阻抗來分析低頻振蕩問題。車網(wǎng)耦合系統(tǒng)等效示意圖見圖3。圖3中,Zs(s)為牽引網(wǎng)等效阻抗;us(s)為牽引網(wǎng)電壓;ZL(s)為多個(gè)四象限變流器并聯(lián)運(yùn)行的等效輸出阻抗。
圖3 車網(wǎng)耦合系統(tǒng)等效示意圖
級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性根據(jù)阻抗比N(s)來判定:若要保證該系統(tǒng)穩(wěn)定,需滿足Middbrook穩(wěn)定判據(jù),即阻抗比N(s)?1,則系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)[20]。車網(wǎng)耦合系統(tǒng)的阻抗比N(s)表達(dá)式為
(4)
1.2.1 供電系統(tǒng)阻抗計(jì)算
牽引供電網(wǎng)、電力系統(tǒng)和牽引變壓器構(gòu)成供電系統(tǒng)的阻抗。電力系統(tǒng)的阻抗表達(dá)式為
(5)
式中:Rsc、Xsc分別為區(qū)域電網(wǎng)在牽引變電站處的短路電阻、電抗;Ssc為區(qū)域電網(wǎng)在牽引變電站處的短路容量;kX/R為電力系統(tǒng)參數(shù);UB為基準(zhǔn)電壓。
牽引變電所采用的是非阻抗匹配平衡變壓器,牽引變壓器是牽引變電所中主要電氣元件,將變壓器阻抗歸算到低壓側(cè),其阻抗為
(6)
得復(fù)線牽引網(wǎng)的等效阻抗為[9]
(7)
式中:l為牽引網(wǎng)變電所出線牽引網(wǎng)長度;r為單位長度的牽引網(wǎng)等效阻抗,ψ為阻抗角;ST為變壓器容量;Pk為開路試驗(yàn)測得的功率損耗;Ud%為開路電壓百分比;RT、XT分別為變壓器的電阻、電抗;RJ、XJ分別為復(fù)線牽引網(wǎng)的電阻、電抗。
則牽引供電系統(tǒng)的阻抗為
Zs=Rsc+RT+RJ+j(Xsc+XT+XJ)
(8)
1.2.2 變流器組阻抗計(jì)算
由于變流器組非線性特點(diǎn),其等效阻抗無法用電路定理求得,采用四象限變流器的控制框圖對(duì)其進(jìn)行推導(dǎo)。HXD2B機(jī)車中的四象限變流器采用瞬態(tài)電流控制,該策略屬于雙閉環(huán)控制,因此得到其控制框圖,見圖4。圖4中,L2、C2為二次濾波回路的電感、電容;G1(s)、G2(s)分別為電壓PI環(huán)節(jié)、采樣延遲環(huán)節(jié);G3(s) 為電流比例環(huán)節(jié);G4(s) 為PWM調(diào)制的傳遞函數(shù);G5(s)為阻抗參數(shù);G6(s)變流器開關(guān)函數(shù);G7(s)為高階濾波函數(shù);uL為四象限變流器輸入電壓;Td為載波信號(hào)周期;Tv、Ti分別為電壓環(huán)、電流環(huán)采樣周期;Sab為理想開關(guān)函數(shù)Sa與Sb之差的平均值,分析時(shí)取0.5。
圖4 雙閉環(huán)控制框圖
四象限變流器的阻抗表達(dá)式為
(9)
1臺(tái)動(dòng)車組內(nèi)有4個(gè)并聯(lián)運(yùn)行的變流器,為1個(gè)變流器組,同時(shí)啟動(dòng)的變流器組也并聯(lián)運(yùn)行。n臺(tái)該類型的變流器組同時(shí)啟動(dòng)時(shí),車網(wǎng)耦合系統(tǒng)的阻抗比N(s)為
(10)
式中:k為牽引變壓器的變比。在基準(zhǔn)參數(shù)下,改變同時(shí)運(yùn)行的變流器組數(shù)目n,得到多個(gè)變流器組輕載啟動(dòng)時(shí)的阻抗比伯德圖見圖5??梢钥闯?,隨著同時(shí)運(yùn)行的變流器組數(shù)目增多,車網(wǎng)耦合系統(tǒng)的阻抗比增大,逐漸靠近0 dB,見圖5(a),這會(huì)造成系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。
圖5 多個(gè)變流器組輕載啟動(dòng)時(shí)的車網(wǎng)耦合系統(tǒng)阻抗比伯德圖
變流器內(nèi)部參數(shù)決定變流器組的等效阻抗,可以通過改變變流器的電壓環(huán)參數(shù)來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在基準(zhǔn)參數(shù)下,改變電壓環(huán)中的Kp參數(shù),得到多個(gè)變流器組同時(shí)輕載啟動(dòng)時(shí)車網(wǎng)耦合系統(tǒng)的阻抗比伯德圖,見圖6??梢钥闯觯瑴p小Kp參數(shù)可以將阻抗比幅頻特性曲線的尖峰下移,見圖6(a),車網(wǎng)耦合系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了提高。
圖6 Kp取不同值時(shí),車網(wǎng)耦合系統(tǒng)阻抗比伯德圖
圖6中的pu表示標(biāo)幺值,在基準(zhǔn)參數(shù)下改變電壓外環(huán)參數(shù)KP大小。
變流器組不僅需要在整備階段穩(wěn)定工作,而且需要在額定負(fù)載時(shí)得到較好的控制效果。取不同的Kp值,得到額定負(fù)載下四象限變流器的閉環(huán)伯德圖,見圖7??梢钥闯鲭S著Kp值取值變小,極大地減小了系統(tǒng)的帶寬,使得其動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢,見圖7(a)。因此通過減小Kp雖然提高了輕載工況下車網(wǎng)耦合系統(tǒng)的穩(wěn)定性,但是會(huì)降低額定負(fù)載工況下四象限變流器的動(dòng)態(tài)性能。
圖7 Kp取不同值時(shí),四象限變流器的閉環(huán)伯德圖
變流器組是一個(gè)非線性、多變量、強(qiáng)耦合系統(tǒng),對(duì)參數(shù)的變化比較敏感,而電壓外環(huán)采用PI控制無法滿足不同工況下變流器組運(yùn)行的要求。模糊PI控制器不需要控制對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型,而且有較好的魯棒性,因此可以將模糊PI控制器引入到瞬態(tài)電流控制策略的電壓外環(huán)控制中。
本文設(shè)計(jì)了一種基于模糊控制的瞬態(tài)電流控制策略,即采用模糊PI控制器替代瞬態(tài)電流控制外環(huán)中的PI控制器。由于機(jī)車和動(dòng)車組中變流器的結(jié)構(gòu)相同,與變電所的接線形式相同,所以此方法可以用于機(jī)車和動(dòng)車組中來抑制牽引網(wǎng)中的低頻振蕩現(xiàn)象,見圖8。
圖8 基于模糊PI的瞬態(tài)電流控制框圖
由圖8可見,模糊PI控制器的輸入為直流側(cè)電壓誤差e和誤差變化率de/dt,輸出為PI參數(shù)的調(diào)整量ΔKp、ΔKi。模糊PI控制器可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)PI參數(shù),使得系統(tǒng)得到較好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。
模糊PI控制器的基本結(jié)構(gòu)圖見圖9,分為模糊化、模糊推理和去模糊化三部分。圖9中,e、ec分別為誤差、誤差變化率;Kp、Ki分別為比例、積分參數(shù); ΔKp、ΔKi分別為比例、積分參數(shù)的變化量;Kp0、Ki0分別為比例、積分參數(shù)的給定值。模糊PI控制器選擇統(tǒng)一模糊論域的范圍為[-3,3],其隸屬度函數(shù)由S型隸屬度和三角形隸屬度函數(shù)共同構(gòu)成,見圖10。圖10中,NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB分別表示負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中和正大。
圖9 模糊PI基本結(jié)構(gòu)圖
圖10 隸屬度函數(shù)圖
模糊推理規(guī)則是模糊控制器的核心,確定合適的模糊推理規(guī)則對(duì)控制效果至關(guān)重要。其推理規(guī)則的設(shè)計(jì)主要依據(jù)以下兩點(diǎn):
(1)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能由比例環(huán)節(jié)決定。一旦當(dāng)電壓誤差e產(chǎn)生,P環(huán)節(jié)會(huì)立即產(chǎn)生作用來抑制偏差。比例參數(shù)越大,控制輸出量越大,則系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)越靈敏;比例參數(shù)取值過小會(huì)使得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能變差。注意, 比例參數(shù)不能過大,否則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。
(2)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差主要通過積分環(huán)節(jié)來消除。積分參數(shù)越大,消除穩(wěn)態(tài)誤差的速度越快;反之,積分參數(shù)過小,達(dá)到給定值的時(shí)間增加。積分參數(shù)過大會(huì)使響應(yīng)超調(diào)過大甚至系統(tǒng)失穩(wěn)。
考慮到PI參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響,總結(jié)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)并進(jìn)行大量仿真調(diào)試后得到了ΔKp和ΔKi模糊推理規(guī)則,分別見表1、表2。
表1 ΔKp模糊規(guī)則表
表2 ΔKi模糊規(guī)則表
本文的研究對(duì)象選取的是CRH3型動(dòng)車組,其仿真的相關(guān)參數(shù)見表3。
表3 仿真參數(shù)表
本文在SIMULINK平臺(tái)的基礎(chǔ)上搭建了車網(wǎng)耦合系統(tǒng)模型,并進(jìn)行了變流器組額定負(fù)載運(yùn)行和模擬整備工況即輕載運(yùn)行的仿真,見圖11。
圖11 額定負(fù)載仿真
首先做額定負(fù)載下變流器組運(yùn)行的仿真,仿真中用10 Ω電阻來模擬負(fù)載。圖11為采用瞬態(tài)電流控制策略的變流器組在額定負(fù)載下,四象限變流器的直流側(cè)電壓波形和交流側(cè)電壓、電流波形。最終,直流側(cè)電壓在0.3 s達(dá)到基本穩(wěn)態(tài),且交流側(cè)電壓和電流同相位,可以保持單位功率因數(shù)運(yùn)行。
低頻振蕩事故一般發(fā)生在變流器組的靜置整備階段,變流器組處于空載或帶輔助系統(tǒng)運(yùn)行的小功率階段,該階段機(jī)車內(nèi)部逆變器和電機(jī)均不工作。本文做了1個(gè)變流器組和多個(gè)變流器組的輕載啟動(dòng)仿真用以模擬機(jī)車的整備階段,仿真中設(shè)置負(fù)載電阻為1 000 Ω,仿真結(jié)果見圖12。
圖12 輕載運(yùn)行仿真結(jié)果
圖12(a)是1個(gè)變流器組輕載啟動(dòng)時(shí)機(jī)車側(cè)的電壓和電流波形,可以看出電壓和電流在啟動(dòng)初期出現(xiàn)振蕩,但電壓在1 s內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)定,變流器組可以穩(wěn)定運(yùn)行。但是輕載仿真中,無法保證同相位,此時(shí)基波電流幅值為160 A左右。圖12(b)是6個(gè)變流器組輕載啟動(dòng)時(shí)機(jī)車側(cè)的電壓和電流波形,可以看出電壓和電流出現(xiàn)振蕩且3 s內(nèi)振蕩沒有衰減,此時(shí)可能使得變流器組發(fā)生牽引封鎖。
將基于模糊PI的瞬態(tài)電流控制應(yīng)用在變流器組的四象限變流器控制中,作為對(duì)比,同樣做了額定負(fù)載和輕載工況下的仿真,見圖13、圖14。圖13為額定負(fù)載下,1個(gè)變流器組中四象限變流器的直流側(cè)電壓波形和交流側(cè)電壓、電流波形。最終,直流側(cè)電壓在0.1 s基本穩(wěn)定,且交流側(cè)電壓和電流同相位,可以保持單位功率因數(shù)運(yùn)行。
圖13 額定負(fù)載運(yùn)行仿真結(jié)果
圖14是6個(gè)變流器組同時(shí)輕載啟動(dòng)時(shí)牽引網(wǎng)的電壓和電流波形??梢钥闯鼍W(wǎng)側(cè)電壓和電流的低頻振蕩現(xiàn)象得到明顯抑制,仿真中繼續(xù)添加變流器組,8個(gè)變流器組仍可保持穩(wěn)定。
圖14 6個(gè)變流器組輕載啟動(dòng)仿真
由于車網(wǎng)耦合系統(tǒng)中包含大量的電力電子器件,實(shí)物實(shí)驗(yàn)不太現(xiàn)實(shí)。因此本文基于RT-LAB實(shí)時(shí)仿真器和NI-Crio 9030控制器搭建了硬件在環(huán)半實(shí)物仿真平臺(tái)。
仿真平臺(tái)主要設(shè)備有:RT-LAB半實(shí)物仿真器、示波器、PC機(jī)、NI Crio-9030控制器、9220采樣板卡、9 401發(fā)波板卡、DB37轉(zhuǎn)接板等。其中RT-LAB仿真器模擬了車網(wǎng)耦合系統(tǒng)的拓?fù)洳糠郑籒I-Crio9030控制器實(shí)現(xiàn)四象限變流器的控制環(huán)節(jié)。
在硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)的基礎(chǔ)上,本文分別做了常規(guī)的瞬態(tài)電流控制策略下、基于模糊PI的瞬態(tài)電流控制策略下多個(gè)變流器組輕載啟動(dòng)的實(shí)驗(yàn)。圖15(a)是常規(guī)的瞬態(tài)電流控制策略下,6個(gè)變流器組輕載啟動(dòng)時(shí)機(jī)車側(cè)電壓、電流波形,可以看出交流電壓有明顯的振蕩,大約為7 Hz。
圖15 6個(gè)變流器組輕載啟動(dòng)的機(jī)車側(cè)電壓、電流波形
圖15(b)是基于模糊PI的瞬態(tài)電流控制策略下,6個(gè)變流器組輕載啟動(dòng)時(shí)機(jī)車側(cè)電壓、電流波形,此時(shí)機(jī)車側(cè)電壓的波動(dòng)得到抑制,基本處于正常范圍內(nèi),不會(huì)發(fā)生牽引封鎖現(xiàn)象,保證了變流器組運(yùn)行的穩(wěn)定,實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文提出的振蕩抑制方法的有效性。
本文對(duì)車網(wǎng)耦合系統(tǒng)中的低頻振蕩問題進(jìn)行了研究,提出了一種基于模糊PI的牽引網(wǎng)低頻振蕩抑制方法。首先用基于阻抗比的穩(wěn)定性分析方法對(duì)車網(wǎng)耦合系統(tǒng)進(jìn)行了分析,得出常規(guī)的PI控制器無法解決機(jī)車在多車升弓整備下運(yùn)行的實(shí)際需要。在此基礎(chǔ)上,本文使用模糊PI控制器代替電壓環(huán)的PI控制器,設(shè)計(jì)了基于模糊PI的瞬態(tài)電流控制策略,并介紹了模糊PI控制器的設(shè)計(jì)方法。最后通過仿真和實(shí)驗(yàn)分別驗(yàn)證了該策略的有效性。
(1)多個(gè)變流器組同時(shí)整備運(yùn)行時(shí),機(jī)車側(cè)的等效阻抗減小,導(dǎo)致車網(wǎng)耦合系統(tǒng)的阻抗比幅頻曲線接近0 dB,系統(tǒng)穩(wěn)定性變差,出現(xiàn)了低頻振蕩現(xiàn)象。
(2)由于變流器組需要在不同工況下運(yùn)行,這使得常規(guī)PI控制器無法既保證系統(tǒng)的快速性能,又滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的要求。
(3)基于模糊PI的瞬態(tài)電流控制策略有著較好的魯棒性能,能夠在不同工況下保證車網(wǎng)耦合系統(tǒng)的運(yùn)行要求。