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原文传递基于模型预测控制的车网电气量低频振荡抑制策略研究

论文题名：	基于模型预测控制的车网电气量低频振荡抑制策略研究
关键词：	车网耦合系统;低频振荡抑制;状态估计;模型预测控制;鲁棒模型
摘要：	随着高铁的迅速发展，我国铁路网规模不断扩大，且越来越多的高速动车组和大功率电力机车投入运行，形成了一个交互过程复杂的车网耦合系统。到目前为止，车网耦合系统低频振荡现象已经在多地出现，使铁路系统的安全稳定运行面临严峻挑战，因此亟待对其产生机理和抑制措施展开研究。由于动车组或电力机车脉冲整流器控制方法是影响低频振荡的关键因素，本文以振荡抑制为主要目标，结合模型预测控制在电力变流器控制方面的优势，先设计了基于状态估计的多变量最优控制，实现状态反馈线性化;为了更好地处理动车组脉冲整流器的非线性特性，凸显模型预测控制的优势，又设计了解耦预测电流控制和模型预测直接功率控制;再通过设计扰动估计器提高模型预测控制的鲁棒性，实现了基于扰动估计的鲁棒模型预测控制。通过对比仿真分析，评估了提出的方法对脉冲整流器控制性能的改善效果和对振荡的抑制能力。　　首先，通过对动车组牵引传动系统进行建模，获得了脉冲整流器等效电路。再通过对等效电路进行分析，构建了脉冲整流器状态空间模型并对其进行简化。基于简化模型完成后续设计内容:构造设置值计算模块，计算状态量的设置值;设计线性二次型最优控制器，实现状态量最优反馈;推导闭环状态观测器，对状态量进行估计。最终，实现了基于状态估计的多变量最优控制。通过在闭环状态空间模型中考虑多车接入牵引网时车数和牵引网等效阻抗的影响进行闭环特征值分析，验证了该方法的稳定性。对比传统瞬态直接电流控制，通过Matlab/Simulink和RT-LAB平台验证了该方法具有更好的控制性能和低频振荡抑制效果。　　再次，为了更好处理动车组脉冲整流器的非线性特性，实现输入电流和功率的良好跟踪，结合脉冲流器有限控制集合的特性，并根据其交流侧动态特性方程，推导了解耦电流预测模型和功率预测模型。由dq电流分量与其设置值的误差构建电流代价函数，由有功无功功率与其参考值的误差构建功率代价函数，通过使代价函数最小化计算获得最优控制量并用于控制输出，最终实现了解耦预测电流控制和模型预测直接功率控制。通过Matlab/Simulink仿真对比了二者的控制效果，并在RT-LAB平台上对模型预测直接功率控制进行了验证。　　最后，为了提高模型预测控制的鲁棒性，在构建动车组脉冲整流器预测模型时，考虑了电路参数不确定性的影响，并采用dq电流分量与其设置值误差的平方和作为代价函数。通过构建扰动估计器状态空间方程，推导其闭环特征值表达式并绘制特征值分布图，完成关键参数的计算和选取，最终实现了基于扰动估计的鲁棒模型预测控制。由改进后的预测模型计算电流预测值，通过最小化代价函数求取控制电压变化量，再与上一时刻控制电压求和，得到当前时刻控制电压并输出。与传统方法及前文设计的方法比较，通过仿真评估了该方法的动态、稳态性能和低频振荡抑制效果。
作者：	向川
专业：	电气工程
导师：	刘志刚
授予学位：	硕士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文