- 頭條抑制高鐵牽引網的低頻振蕩，確保動車組行車安全2021-04-23 作者：王迎晨 楊少兵 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語近年來國內多地出現高速鐵路牽引網低頻振蕩，情況嚴重時導致動車組發生牽引封鎖。北京交通大學電氣工程學院的研究人員王迎晨、楊少兵、宋可薦、吳命利，在2020年第3期《電工技術學報》上撰文，以CRH5型動車組為算例，提出一種基于滑模結構電流無源控制的動車組PWM整流器雙閉環控制策略抑制低頻振蕩。與幾種傳統算法的穩定性分析及仿真結果對比表明，提出的算法具有更好的穩態和動態特性，有效地抑制了牽引網低頻振蕩現象。
隨著我國高速鐵路的快速發展，多種型號的動車組在改造既有線、新建高速鐵路上高密度運行，這也意味著大量電力電子變換器接入了牽引供電系統，導致各種車網電氣耦合性問題日益突出。近年來多區域出現牽引網低頻振蕩現象，觸發電力機車/動車組牽引傳動系統的閉鎖邏輯，嚴重影響了鐵路的正常行車秩序。
國內電氣化鐵路低頻振蕩發生在動車組升弓整備時，低頻振蕩的頻率為3~7Hz；國外（挪威）電氣化鐵路需要旋轉變頻機組或靜止變流器進行供電制式的轉換，低頻振蕩的頻率為1.2~1.9Hz。因此，研究牽引網低頻振蕩產生的機理及抑制低頻振蕩的措施，對預防牽引網低頻振蕩、確保高速動車組行車安全具有重要意義。
牽引網低頻振蕩不同于電力系統中并網變流器引起的振蕩。對牽引網低頻振蕩產生機理的研究，目前尚無定論，主流觀點認為低頻振蕩現象由車網電氣耦合系統（Electric Multiple Units and Traction Network Coupling System, EMUs-TNCS）參數不匹配造成。
- 有學者利用主導極點分析了低頻振蕩發生時機車阻抗在低頻段的變化規律，給出了調節控制參數抑制低頻振蕩的最優順序；
- 有學者在整流器線性化閉環傳遞函數的基礎上，研究了低頻振蕩的機理；
- 有學者分析了多車接入牽引網的穩定性，揭示了整流器負阻抗特性對低頻振蕩的影響。
對于抑制措施的研究，主要從優化動車組網側PWM整流器控制算法著手。
- 有學者提出一種自適應自抗擾比例積分控制器，該控制算法提高了系統的動態響應速度，增強了系統的魯棒性能，但該方法存在涉及參數多、不易整定等問題。
- 有學者提出了一種基于模型預測的直接功率控制方法，性能優于傳統的瞬態直接電流控制，但該方法直流環節電壓超調量較大。
- 有學者提出一種結合擴展狀態觀測器的改進預測控制方法，雖然存在較小的超調量，但該方法加快了整流器的響應速度。
- 有學者提出了一種基于H∞控制的整流器控制策略，具有較小的超調量，但電壓波動范圍較大，調節時間較長。
- 有學者設計了基于模型的預測電流控制算法，該算法控制下的整流器直流環節電壓波動范圍很小，但仍然存在超調量較大、調節時間較長的問題。
- 有學者提出了應用于CRH3型動車組整流器的無源控制策略（Passivity-Based Control, PBC），降低了系統響應的超調，減小了直流電壓的波動范圍，具有較好的穩態性能，由于系統調節時間較長，該方法很難得到良好的跟蹤效果。
- 有學者利用滑模結構（Sliding Mode Structure, SMS）較好地實現了快速響應和低超調量，但直流電壓波動范圍較大。
上述抑制措施雖然在一定程度上抑制了牽引網低頻振蕩現象，但控制算法存在參數整定復雜、難以兼顧系統穩態與動態性能、電壓波動較大等問題。
針對上述問題，北京交通大學電氣工程學院的研究人員提出一種基于外環電壓滑模結構的內環電流無源控制策略（Current Passivity-Based Control of Sliding Mode Structure, CPBC-SMS），提供更可靠的低頻振蕩抑制功能。
圖1 車網耦合系統級聯模型拓撲
圖2 CRH5型動車組牽引動力單元拓撲結構
圖3 基于CPBC-SMS的PWM整流器控制系統結構
研究者利用G-sum范數判據分析了CPBC-SMS控制策略維持車網耦合系統穩定性的能力，并將提出的算法與傳統PI、滑模控制、無源控制對整流器穩態、動態特性的控制效果進行了比較；仿真對比驗證了CPBC-SMS控制策略對低頻振蕩的抑制效果。得到以下結論：
- 1）利用G-sum范數判據分析了動車組輸入導納對車網系統穩定性的影響，得到車網系統發生低頻振蕩的臨界條件：6列動車組同時升弓整備。
- 2）CPBC-SMS結合了滑模結構與無源控制的優點，進一步增強了系統的穩態、動態性能；CPBC-SMS增強了車網系統的穩定性，該控制下低頻振蕩的臨界條件：15列動車組同時升弓整備。
- 3）CPBC-SMS控制策略對動車組整流器的控制性能優于傳統PI控制、無源控制、滑模控制，實現了整流器快速、無超調的調節，且穩態直流環節電壓波動最小。
- 4）在CPBC-SMS控制下，網側、車側電氣量快速、無超調地到達穩定狀態，較好地維持了車網耦合系統的穩定性，說明提出的CPBC-SMS控制策略能有效抑制車網耦合系統低頻振蕩現象。
以上研究成果發表在2020年第3期《電工技術學報》，論文標題為“基于滑模結構無源控制的車網耦合系統低頻振蕩抑制方法”，作者為王迎晨、楊少兵、宋可薦、吳命利。
