一种动车组网侧变流器的动态性能优化控制算法

张 杰 宋文胜 王顺亮 王雨琦



一种动车组网侧变流器的动态性能优化控制算法

张 杰 宋文胜 王顺亮 王雨琦

（西南交通大学电气工程学院 成都 610031）

以我国CRH系列动车组网侧变流器为研究对象，以提高其控制系统动态响应性能为目的，首先分析了网侧变流器工作原理和数学模型；然后对其瞬态直接电流控制和DQ电流解耦控制两种常用算法进行了对比分析，尤其是两者在负载突变情况下的动态响应性能；在此基础上，结合两者优点，给出了一种兼备两种控制算法优点的混合型优化控制算法。最后，分别对三种控制算法进行了计算机仿真和半实物实验测试，仿真和实验结果表明，与瞬态直接电流控制和DQ电流解耦控制相比，混合优化控制算法具有最佳的直流侧电压动态调节能力。

网侧变流器 瞬态直接电流控制 DQ电流解耦控制 动态响应 混合优化控制

0 引言

由于PWM整流器具有输入电流正弦度高、谐波含量小、功率因数近似为1、直流侧电压稳定且鲁棒性强和能量可双向流动等优点[1,2]，自德国学者A. Busse等于1982年提出基于可关断器件的三相全桥PWM整流器拓扑结构以来[2]，PWM整流器已在工业领域得到广泛应用，尤其是在铁路牵引领域，电力机车和动车组的网侧变流器均采用单相脉冲整流器拓扑结构。目前其控制算法较多且较成熟，常见的控制算法有间接电流控制法[3,4]、滞环电流控制法[5]、瞬态直接电流控制法[6-8]、预测电流控制法[9]、直轴交轴（Direct-axis Quadrature-axis，DQ）电流解耦控制法[10-12]和直接功率控制法等[13-19]。

文献[4,5]提出并研究了间接电流控制，对线性平均控制与反馈线性控制两种算法进行了对比研究，重点对脉冲扰动的消除与负载突变时的响应性能进行了分析对比。但间接电流控制算法由于无电流控制环，存在系统动态响应慢和抗干扰能力差的缺点。文献[6,7]介绍了电力牵引系统网侧变流器中常用的瞬态直接电流控制算法，该算法是基于直流侧电压外环和网侧电流内环的双闭环控制框架，其中电流内环采用比例控制器或者比例积分（Proportional-Integral，PI）控制器，该算法动态响应快，但容易出现稳态误差。因此，文献[8]针对传统瞬态直接电流控制算法中电流内环 PI 控制器对正弦指令电流跟踪不准确和存在稳态误差的问题，提出电流内环采用比例谐振（Proportional-Resonant，PR）控制器的方案，但PR控制存在稳定裕度小的缺点，为消除附加电流预测环节与高增益可能导致的不稳定，该文献提出了如何选择PR控制器增益的方法。文献[16]对多种形式的电流控制算法的动态响应特性、稳态特性和控制系统复杂性进行了实验对比，总结了各种算法的优缺点。综上所述，各种算法都存在相应的优点和缺陷，在满足基本控制要求的情况下，能否寻求一种具有多种算法动态响应优点的控制策略值得进一步深入研究和探讨。

本文以我国CRH动车组网侧变流器为研究对象，以改善其动态控制性能为目的，首先对经典的瞬态直接电流控制与DQ电流解耦控制算法进行了对比分析，重点对比两者在负载突变情况下的动态响应性能。然后，在此基础上，结合两者优点，给出了一种兼备两种控制算法优点的混合优化控制算法。最后，分别对三种控制算法进行了计算机仿真和半实物实验测试，进一步对比和验证这三种算法的性能和特点。

1 动车组网侧变流器工作原理

CRH系列动车组的网侧变流器主要有两种拓扑：单相两电平和单相三电平结构，以两电平拓扑为例，如图1所示，其中N和N分别为网侧等效电阻和网侧漏电感，带有续流二极管的IGBT器件VT1、VT2、VT3和VT4构成全控桥臂，直流侧由储能电容d构成，通常两电平拓扑还包括串联电感、电容滤波结构，如图1中滤波电感2和滤波电容2。

图1 两电平PWM整流器拓扑

为便于分析，针对图1所示的两电平PWM整流器，定义其理想开关函数A、B分别为

显然，对应于开关函数AB有4种不同的状态，即AB=00、01、10、11。在这些开关状态下，输入端电压AB有三种不同值即直流侧电压d、0、-d，且AB可表示为

2 网侧变流器控制算法

动车组的网侧变流器，不论是两电平拓扑还是三电平拓扑，其等效电路都可简化如图2所示电路。

图2 脉冲整流器等效电路

在只考虑电压、电流基波分量的情况下，脉冲整流器的电压相量平衡方程为

式中，N为网侧电流相量；AB为整流器输入电压相量。

等效电路相量如图3所示。由电压相量图可知，当相量N一定时，相量N的幅值和相位仅由相量AB的幅值及其与N的相位差决定。即PWM整流器交流侧的电流大小和相位，可通过改变其输入电压相量AB幅值的相位加以控制。PWM整流器的控制原理是通过不同的控制方法，适当调节相量AB的幅值来调节脉冲整流器输入电流的相位，以控制系统的功率因数；调节AB的相位，可调节输入电流的大小，以控制输入脉冲整流器的能量，也就可以控制直流侧输出电压。

图3 整流器电路相量

2.1 瞬态直接电流控制算法

瞬态直接电流控制算法框图如图4所示。

图4 瞬态直接电流控制算法

瞬态直接电流控制采用电压、电流双闭环的控制结构。电压外环通过反馈直流侧电压d与参考电压比较，通过PI控制器调节生成电流调节量N1。结合直流侧电流d以及交流侧电压N的有效值N，根据功率平衡，求出交流侧电流N2。N1与N2相加生成参考电流值。

式中，Kp为电压外环PI控制器比例参数；Ki为电压外环PI控制器积分参数。

电流内环采用比例控制调节器，通过比较电流瞬态值N与参考电流瞬态值sin形成电压调节量，得到整流器交流侧输入电压为

式中，Kp为电流内环P控制器比例参数。

2.2 DQ电流解耦控制算法

DQ电流解耦控制方法的本质，是将电压、电流信号按照坐标变换的方法分解成为有功与无功分量，通过闭环控制使有功、无功分量分别达到给定值。

将网侧输入电压信号N视为两相静止坐标系下的电压信号a和b，即

同理，对于输入电流N，可分解为两相静止坐标系下的电流信号Nα和Nβ，即

对式（4）进行Park变换，设变换矩阵

可得

由

可得

将式（13）代入式（12）可得

式中

即

式中，Nd和Nq分别为输入电流N在两相同步旋转坐标系下的dq轴分量。

将式（15）代入式（14）化简得到网侧输入电压信号N在两相同步旋转坐标系下的dq轴分量Nd、Nq分别为

则整流器输入电压信号AB在两相同步旋转坐标系下的dq轴分量AB-d、AB-q分别为

假设网侧输入电压为理想正弦波，则在理想情况下，输入电流基波也是理想正弦波，则

式中，Nm为网侧输入电压的峰值；为d轴指令电流。

引入预测电流控制原理[4]，令NdN/d=N(-N)/s。其中，s表示开关周期；表示输入电流指令。

可将式（17）进一步化简，得到

根据式（19），得到整个控制系统框图如图5所示。

图5 DQ电流解耦控制框图

2.3 混合优化控制算法

通过分析以上两种控制算法可发现，DQ电流解耦控制与瞬态直接电流控制各有优缺点。显然，控制方式的不同将直接影响控制效果，两种控制方式都源于式（4），通过计算获得调制信号AB。仔细分析两种控制算法可发现，其差别主要表现在以下三个方面：

（1）瞬态直接电流控制采用参考电流代入式（4）计算，DQ电流解耦控制用实时电流值代入式（4）计算。

（2）对比图4和图5可知，瞬态直接电流控制的参考电流量中通过引入实时功率计算的参考电流分量N2，同时在求得AB后，引入参考电流与实时电流的差作为AB的调节量。

（3）瞬态直接电流控制的本质是基于实时电流的控制，而DQ电流解耦控制是基于稳态电流的控制。因此，可推测瞬态直接电流控制的动态响应性能较好，而DQ电流解耦控制直流侧电压稳态时的波动较小。

为兼得两种算法的优点，将两种控制算法相结合，得到一种混合优化控制算法，图6给出了混合优化控制的原理框图。

该混合控制算法，以DQ电流解耦控制算法为框架，参考瞬态直接电流控制算法，首先根据输入、输出功率平衡，在DQ电流解耦控制算法计算d轴电流参考值时，加入交流电流分量N2，获得并作为d轴电流参考值，在2r-2s旋转变换获得AB-a之后，再次结合瞬态直接电流控制算法，通过电流瞬态值N与参考电流瞬态值sin比较形成电压调节量，调节AB-a形成调制信号AB。

2.4 动态响应特性分析

单相脉冲整流器的动态响应特性分析主要是以其数学模型为基础而开展，而对单相脉冲整流器的线性化数学模型以及从传递函数的角度对脉冲整流器的分析已有许多研究成果[20,21]。根据单相脉冲整流器的数学模型及控制器设计理论[20]，瞬态直接电流控制与DQ电流解耦控制算法均可概括为双闭环控制，其控制算法结构如图7所示。其中，G()表示电压外环控制器的传递函数；G()表示电流内环控制器的传递函数；pwm()表示由于调制引起的小惯性环节的传递函数；G()表示开关函数的简化等效传递函数；表示采样引起的惯性环节；N表示网侧电感，取值2.2mH；N表示网侧等效电阻，取值0.1W。

图7 简化的传统控制算法结构

根据瞬态直流电流控制与DQ电流解耦控制算法原理，将主电路参数及最佳整定法[20]确定的电压外环控制器PI参数代入，得到简化后的瞬态直接电流控制与引入预测电流控制的DQ电流解耦控制的传递函数分别为

式中，表示简化的系统采样控制周期；Kp表示电流内环P控制参数。

混合优化控制算法的结构如图8所示，图中L()表示负载电流信号反馈给电流控制器的传递函数。负载为纯电阻负载，通过增加负载电流作为反馈量，结合网压的前馈控制，使得系统的动态响应速度加快。同时，结合预测电流控制的原理，将电流内环控制器简化为比例控制器，即少了一个惯性环节，降低了系统的复杂程度，大大提高系统的响应速度。

图8 简化的混合控制算法结构

根据图8所示混合控制算法的结构图，代入各环节的传递函数，化简得出混合控制算法的传递函数为

式中，L表示负载电阻。

根据三种控制算法的传递函数对其动态响应性能作定量分析。图9是三种控制算法的单位阶跃响应，由图可知，混合控制算法的动态响应性能明显优于传统的控制策略，超调量与响应时间都有明显改善。

图9 三种控制算法单位阶跃响应

3 仿真对比

为进一步对比和验证瞬态直接电流控制、DQ电流解耦控制和混合优化控制三种算法的性能，在Matlab/Simulink环境下搭建了单相脉冲整流器及其控制系统的仿真模型。模型参数如下：网侧电源电压有效值Nm=1500V，网侧电感N=2.2mH，网侧等效电阻N=0.1W，直流侧电容d=2mF，直流电压给定值=3 000V，负载突变前电阻L=15W，负载突变后L=7.5W，开关频率s=1.25kHz。直流侧采用串联电感、电容滤波环节，参数为2=0.84mH，2=3mF。

图10为混合控制算法负载突变时网侧电压、电流的计算机仿真波形图。由图10可知，混合优化控制方式能够很好地实现网侧变流器的控制目标，同时在负载变化（0.5s时负载从15W跳到7.5W）时，电流能够快速跟踪电压相位。

图10 负载突变时网侧电压、电流仿真波形

图11给出了加载情况下三种控制算法的直流侧电压波动动态响应仿真结果。其中，图11a为DQ电流解耦控制算法，图11b为瞬态直接电流控制算法，图11c为混合优化控制算法。仿真结果表明，DQ电流解耦控制直流侧电压超调量远大于瞬态直接电流控制，瞬态直接电流控制算法的动态调节时间则长于DQ电流解耦控制。而混合优化控制算法在电压超调与调节时间方面，与以上两种控制算法相比有明显改善。表1是三种控制算法下的动态响应仿真结果对比数据。

表1 三种算法的动态响应性能仿真数据对比

图11 突加负载时直流侧电压仿真波形

4 实验验证

为进一步验证混合优化控制算法的动态响应性能优于DQ电流解耦控制与瞬态直接电流控制，本文基于TMS320F2812编写了三种控制算法的程序，并基于OPAL-RT公司的RT-LAB半实物仿真平台进行了半实物（Hardware In the Loop，HIL）测试实验。

实验系统结构如图12所示，主电路由RT-LAB半实物仿真平台搭建的两电平脉冲整流器构成，实验电路采用与计算机仿真完全一致的参数。控制电路采用DSP为主控制芯片，采用CBPWM脉冲生成方式。RT-LAB模拟板卡或数字板卡与DSP进行数据交换，上位机通过网络连接实验系统，进行实时观测及参数设置，实验波形通过示波器实时显示，20mV/格。其中直流电压采样比为1∶20 000。

图12 半实物实验系统结构

图13为网侧电压、电流与直流侧电压在负载突变前后的波形，由图可知，网侧电压与电流同相位，电流正弦度较高，直流侧电压平稳。

图13 网侧电压、网侧电流和直流侧电压的半实物实验波形

图14给出了突加负载时直流侧电压的半实物实验测试波形，其中图14a为DQ电流解耦控制算法，图14b为瞬态直接电流控制算法，图14c为混合优化控制算法。

表2给出了半实物测试时，三种控制算法在突加负载情况下的直流侧电压动态响应性能测试数据。

表2 三种算法的动态响应性能半实物测试数据对比

对比表1和表2可知，半实物实验测试结果与计算机仿真结果基本一致，仿真结果与半实物测试实验都很好地证明了混合优化控制算法具有良好的动态响应性能。

5 结论

动车组网侧变流器所采用的两种控制方式，瞬态直接电流控制与DQ电流解耦控制算法均能满足网侧变流器控制性能，但在动态响应性能上具有明显的区别。瞬态直接电流控制算法在电压超调上优于DQ电流解耦控制算法，DQ电流解耦控制的调节时间明显小于瞬态直接电流控制算法。另外，在稳态时直流侧电压波动的控制上，瞬态直接电流控制算法具有一定的优势。

本文综合两种控制算法的优点，给出了一种混合优化控制算法，在相同的控制系统参数下，理论分析、计算机仿真和半实物测试实验都很好地证明混合优化控制方式具有更小的电压超调量和更快的调节时间，系统动态性能优越。

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An Optimal Control Method of Grid-Side Converters of EMUs for Improving Dynamic Response

（Southwest Jiaotong University Chengdu 610031 China）

In order to enhance dynamic performance features of the grid-side converters of CRH EMUs traction control system in China, the operating principle and mathematic model of the grid-side converter are firstly analyzed. Secondly, instantaneous current control and DQ current decoupling control schemes are illustrated and compared, especially the comparison of dynamic performance against load variation. Meanwhile, an optimal hybrid control scheme is proposed with both advantages of these schemes. Finally, these three schemes are tested and compared in computer simulation and hardware in loop experimental platform. Simulation and experimental results show that the dynamic performance of DC-link voltage of the hybrid control scheme is better than that of either instantaneous current control or DQ current decoupling control scheme.

Grid-side converter, instantaneous current control, DQ current decoupling control, dynamic performance, optimal hybrid controller

TM461

张 杰 男，1990年生，硕士研究生，研究方向为电力牵引交流传动及其控制。

宋文胜 男，1985年生，硕士研究生，研究方向为电力电子技术、电力牵引交流传动及其控制。

2013-09-22 改稿日期 2014-01-25

国家自然科学基金（51207131、51277153），中央高校基本科研业务费专项资金（2682013CX017）和西南交通大学实验教学与实验技术项目资助。