一种用于动车组永磁同步电机牵引系统的拍频抑制方法

1.本发明属于动车组领域，具体涉及一种用于动车组永磁同步电机牵引系统的拍频抑制方法。


背景技术：

2.由于动车组牵引传动系统采用单相整流器的拓扑结构，因此输入功率会随着二倍电网频率呈现交流变化，导致直流母线电压存在二倍网侧电压频率的波动。脉动的中间直流母线电压将会进一步与电机侧逆变器相互耦合，导致牵引电机出现明显的拍频现象，使得电机转矩和电流产生脉动。拍频问题不仅降低了牵引变流器的性能，更严重影响了动车组运行的安全性、可靠性和高效性。
3.目前在我国运行的高速列车均采用感应电机牵引系统，而永磁电机具有高效率、低能耗、轻量化、启动特性好、噪声低、可维修性好等诸多优点，随着高铁运力的不断上升、高速列车用量的不断增加，发展高效节能的永磁电机牵引系统高速动车组已成为发展趋势。
4.针对动车组牵引系统的拍频现象，现有技术主要有硬件解决方案和软件解决方案。其中硬件解决方案主要是采用在中间直流环节并联lc谐振回路或者增大直流侧母线电容容量的方式来降低电压动，该方法简单有效，但lc谐振回路体积大，增加成本并且不利于车辆轻量化。软件解决方案是在不增加任何硬件配置的基础上，通过控制算法来补偿直流电压波动所引起的输出电压谐波，这种方案能够降低成本，具有很大的实用价值，属于研究的热点。
5.现有的拍频抑制算法多针对感应电机牵引系统，专利文件“一种用于动车组电传动系统的拍频抑制系统及方法”(cn112311292a)通过提取母线电压信号二倍频波动分量，经过拍频抑制控制器来进行频率和相位补偿来实现拍频抑制，本质上属于开环算法，依赖提取的母线电压波动分量；专利文件“电机拍频抑制方法及系统、电传动控制系统、存储介质”(cn112751519b)基于静态补偿系数和动态补偿系数给定转矩或者给定转矩对应的给定转差进行补偿，但实现较复杂，面向动车组永磁同步电机牵引系统的拍频抑制方法，能够满足未来高速动车组需求。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术缺点，提出一种用于动车组永磁同步电机牵引系统的拍频抑制方法，能够有效降低异步调制、同步调制和方波控制下的低频拍频电流和转矩波动。
7.为了实现上述目，本发明采取以下的技术方案：
8.首先将电流传感器采集的永磁电机三相电流进行坐标变换得到同步旋转坐标系下的d、q轴电流；根据d、q轴电流给定和d、q轴电流误差量通过pi控制器生成d、q轴参考电压调节量；应用预设的准谐振控制器对d、q轴电流中存在的电网二倍频波动进行抑制，将pi控
制器的输出和准谐振控制器的输出相叠加，得到最终的d、q轴参考电压；生成的参考电压经过pwm环节，最终实现对动车组永磁同步电机牵引系统的拍频抑制。
9.本发明包括以下步骤：
10.步骤1：将电流传感器采集的电机三相电流变换到旋转坐标系下。
11.由于单相整流器的固有问题，直流侧电压存在二倍频波动，电机电流中会产生w
e-2wg的低频电流波动分量和we 2wg的高频电流波动分量，忽略高频谐波，电机三相电流可以表示为：
[0012][0013]
其中，ia，ib，ic为电机三相电流，t为时间we为电机角速度，wg为电网频率，is和ih分别为基波电流幅值和波动电流幅值，为低频波动分量和高频波动分量相位；
[0014]
采用等幅值变换如下所示：
[0015][0016]
其中，θ为电角度。
[0017]
结合式(1)和(2)可以得到旋转坐标系下的d、q轴电流为：
[0018][0019]
其中，id，iq为d、q轴电流，i
d0
，i
q0
为d、q轴基波电流可以看出，在旋转坐标系下，d、q轴电流存在二倍频分量。
[0020]
步骤2：基于d、q电流设定值以及低通滤波处理后的d、q轴电流进行pi控制，以输出d、q轴电压调节值。
[0021]
首先设计低通滤波器，滤除id，iq中存在的二倍频分量以及其它高频分量。一阶低通滤波器传递函数为：
[0022][0023]
其中，wf＝2πfc，fc为低通滤波器的截止频率，s为复变量。
[0024]
对滤波后的d、q轴电流进行比例积分控制，得到d、q轴电压调节值，计算如下：
[0025][0026][0027]
其中，k
p
，ki为pi控制器系数，为d、q轴电流给定，i
dlpf
，i
qlpf
为经过低通滤波器后的d、q轴电流，u
dpi
，u
qpi
为pi控制器的输出。通过调节pi控制器的系数，就能够实现对基频电流的良好跟踪。
[0028]
步骤3：针对d、q轴电流二倍频分量，设计准谐振控制器，用于抑制拍频电流。
[0029]
谐振控制器能够在某单一频率wn处产生高增益以实现对交流信号的无稳态误差
跟踪，而对其他频率信号存在明显衰减，使得控制器频带过窄，由于牵引电网存在谐波，降低了控制系统的抗干扰性，因此采用准谐振控制器，来提高系统稳定性。同时，为了对控制系统中存在的相角滞后进行补偿，采用带延时补偿的准谐振控制器，其传递函数为：
[0030][0031]
其中，wn为谐振频率，wc为准谐振控制器带宽，θn为控制系统中存在的滞后相角。
[0032]
为了抑制d、q轴电流二倍频分量，采用谐振频率为2wg的准谐振控制器，计算如下：
[0033][0034]
其中，u
dqrsc
，u
qqrsc
为准谐振控制器的输出，kr为准谐振控制器的系数，通过调节kr就可以实现对拍频电流的抑制。
[0035]
此外，谐振控制器在数字化实现的时候会存在谐振点偏移，采用带预畸变的双线性变换来对式(6)的传递函数进行离散，离散方法具体为：
[0036][0037]
其中，ts为离散步长，z为离散系统复变量，根据式(6)和(8)可以得到离散的准谐振控制器传递函数如下：
[0038][0039]
其中，a
n1
，a
n2
，b
n0
，b
n1
，b
n2
为系数，具体为：
[0040][0041]
步骤4：将pi控制器的输出和准谐振控制器的输出相叠加，得到最终的d、q轴参考电压。
[0042]
通过pi控制器实现对基波电流的跟踪，通过准谐振控制器实现对拍频电流的抑制，将两者的输出相叠加，就能得到最终的参考电压，计算如下：
[0043][0044]
其中，ud，uq为最终的参考电压。
[0045]
步骤5：生成的参考电压经过pwm环节，最终实现对动车组永磁同步电机牵引系统的拍频抑制。
[0046]
根据生成的参考电压以及采集的直流侧电压，计算调制比和角度如下：
[0047][0048]
其中，u
dc
为直流侧母线电压，kv和θv分别为调制比和角度。
[0049]
根据调制比、角度和频率实现异步调制、同步调制以及方波调制，生成pwm信号，控制开关管的通断，最终实现对动车组永磁同步电机牵引系统的拍频抑制。
[0050]
有益效果：
[0051]
本技术发明专利面向动车组永磁同步电机牵引系统，以输出电流脉动分量最小为控制目标，通过二倍频准谐振控制器闭环控制得到所需要的补偿电压，能够更有效地抑制拍频电流和脉动转矩，并且实现简单，方便与其他控制策略相结合，能够满足未来高速动车组需求。
附图说明
[0052]
图1为本发明所述的拍频抑制方法控制框图。
[0053]
图2为本发明所述的拍频抑制方法操作流程图。
[0054]
图3为连续的准谐振控制器和离散后的准谐振控制器在谐振频率为100hz的波特图。
[0055]
图4为异步调制情况下无拍频抑制算法的电机电流、转矩以及线电压波形图。
[0056]
图5为异步调制情况下采用本技术的拍频抑制算法的电机电流、转矩以及线电压波形图。
[0057]
图6为同步调制情况下无拍频抑制算法的电机电流、转矩以及线电压波形图。
[0058]
图7为同步调制情况下采用本技术的拍频抑制算法的电机电流、转矩以及线电压波形图。
[0059]
图8为方波调制情况下无拍频抑制算法的电机电流、转矩以及线电压波形图。
[0060]
图9为方波调制情况下采用本技术的拍频抑制算法的电机电流、转矩以及线电压波形图。
具体实施方式
[0061]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0062]
本发明的拍频抑制算法控制框图如附图1所示，本发明的实施流程如附图2所示，首先将电流传感器采集的永磁电机三相电流进行坐标变换得到同步旋转坐标系下的d、q轴电流；根据d、q轴电流给定和d、q轴电流误差量通过pi控制器生成d、q轴参考电压调节量；应
用预设的准谐振控制器对d、q轴电流中存在的电网二倍频波动进行抑制，将pi控制器的输出和准谐振控制器的输出相叠加，得到最终的d、q轴参考电压；生成的参考电压经过pwm环节，最终实现对动车组永磁同步电机牵引系统的拍频抑制。
[0063]
本发明的具体实施方式包括以下步骤：
[0064]
步骤1：将电流传感器采集的电机三相电流变换到旋转坐标系下。
[0065]
由于单相整流器的固有问题，直流侧电压存在二倍频波动，电机电流中会产生w
e-2wg的低频电流波动分量和we 2wg的高频电流波动分量，忽略高频谐波，电机三相电流可以表示为：
[0066][0067]
其中，ia，ib，ic为电机三相电流，t为时间，we为电机角速度，wg为电网频率，is和ih分别为基波电流幅值和波动电流幅值，为低频波动分量和高频波动分量相位；
[0068]
采用等幅值变换如下所示：
[0069][0070]
其中，θ为电角度。
[0071]
结合式(1)和(2)可以得到旋转坐标系下的d、q轴电流为：
[0072][0073]
其中，id，iq为d、q轴电流，i
d0
，i
q0
为d、q轴基波电流可以看出，在旋转坐标系下，d、q轴电流存在二倍频分量。
[0074]
步骤2：基于d、q轴电流设定值以及低通滤波处理后的d、q轴电流进行pi控制，以输出d、q轴电压调节值。
[0075]
首先设计低通滤波器，滤除id，iq中存在的二倍频分量以及其它高频分量。一阶低通滤波器传递函数为：
[0076][0077]
其中，wf＝2πfc，fc为低通滤波器的截止频率，s为复变量。
[0078]
对滤波后的d、q轴电流进行比例积分控制，得到d、q轴电压调节值，计算如下：
[0079][0080]
其中，k
p
，ki为pi控制器系数，为d、q轴电流给定，i
dlpf
，i
qlpf
为经过低通滤波器后的d、q轴电流，u
dpi
，u
qpi
为pi控制器的输出。通过调节pi控制器的系数，就能够实现对基频电流的良好跟踪。
[0081]
步骤3：针对d、q轴电流二倍频分量，设计准谐振控制器，用于抑制拍频电流。
[0082]
谐振控制器能够在某单一频率wn处产生高增益以实现对交流信号的无稳态误差跟踪，而对其他频率信号存在明显衰减，使得控制器频带过窄，由于牵引电网存在谐波，降低了控制系统的抗干扰性，因此采用准谐振控制器，来提高系统稳定性。同时，为了对控制系统中存在的相角滞后进行补偿，采用带延时补偿的准谐振控制器，其传递函数为：
[0083][0084]
其中，wn为谐振频率，wc为准谐振控制器带宽，θn为控制系统中存在的滞后相角。
[0085]
为了抑制d、q轴电流二倍频分量，采用谐振频率为2wg的准谐振控制器，计算如下：
[0086][0087]
其中，u
dqrsc
，u
qqrsc
为准谐振控制器的输出，kr为准谐振控制器的系数，通过调节kr就可以实现对拍频电流的抑制。
[0088]
此外，谐振控制器在数字化实现的时候会存在谐振点偏移，采用带预畸变的双线性变换来对式(6)的传递函数进行离散，离散方法具体为：
[0089][0090]
其中，ts为离散步长，z为离散系统复变量，根据式(6)和(8)，可以得到离散的准谐振控制器传递函数如下：
[0091][0092]
其中，a
n1
，a
n2
，b
n0
，b
n1
，b
n2
为系数，具体为：
[0093][0094]
图3为连续的准谐振控制器和离散后的准谐振控制器在谐振频率为100hz的波特图，两者的波特图基本一致，只有在接近奈奎斯特频率点不一样，证明本发明所采用的离散方法的正确性。
[0095]
步骤4：将pi控制器的输出和准谐振控制器的输出相叠加，得到最终的d、q轴参考电压。
[0096]
通过pi控制器实现对基波电流的跟踪，通过准谐振控制器实现对拍频电流的抑
制，将两者的输出相叠加，就能得到最终的参考电压，计算如下：
[0097][0098]
其中，ud，uq为最终的参考电压。
[0099]
步骤5：生成的参考电压经过pwm环节，最终实现对动车组永磁同步电机牵引系统的拍频抑制。
[0100]
根据生成的参考电压以及采集的直流侧电压，计算调制比和角度如下：
[0101][0102]
其中，u
dc
为直流侧母线电压，kv和θv分别为调制比和角度。
[0103]
根据调制比、角度和频率实现异步调制、同步调制以及方波调制，生成pwm信号，控制开关管的通断，最终实现对动车组永磁同步电机牵引系统的拍频抑制。
[0104]
作为本技术的实施例，验证了无拍频抑制算法以及采用本技术的拍频抑制算法，在异步调制、同步调制以及方波调制三种情况下，在同一种牵引供电网压及负载工况时的电流和转矩拍频抑制效果。其中电机a相电流、输出转矩以及线电压结果，如异步调制情况下无拍频抑制算法的图4、异步调制情况下采用本技术的拍频抑制算法的图5、同步调制情况下无拍频抑制算法的图6、同步调制情况下采用本技术的拍频抑制算法的图7、方波调制情况下无拍频抑制算法的图8、方波调制情况下采用本技术的拍频抑制算法的图9所示。其电机相电流基波幅值、拍频电流幅值、平均转矩、二倍频转矩的对比结果如下表1所示，可以看到本技术方法具有较好的拍频抑制效果。
[0105]
表1不同工况下的电机相电流基波幅值、拍频电流幅值、平均转矩、二倍频转矩
[0106][0107][0108]
由此可知，本技术应用实例提供的应用于动车组永磁同步电机牵引系统的拍频抑制方法，将二倍频准谐振控制器引入基于旋转坐标系的永磁同步电机电流闭环控制策略中，既能获得较好的动态响应，又可有效消除由于单相整流器直流电压中存在二次纹波的情况下电机三相电流中的低频谐波，抑制了转矩二倍频脉动，提升了系统稳定性。
[0109]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。