[发明专利]一种车网系统多工况运行下的性能改善方法

权利要求书

1.一种车网系统多工况运行下的性能改善方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：建立单个牵引传动单元在d-q坐标系下数学模型；

S11：动车组的单个牵引传动单元由牵引网、整流器、中间直流电路、逆变器和电机组成；

S12：将逆变器和电机等效为一个非恒定的直流电源i_l：

式中：i_l为直流侧电源，R为逆变器交流侧的三相等效电路中的一相等效电阻，L为逆变器交流侧的三相等效电路中的一相等效电感，为i_k和e_k的向量之间的夹角，θ是u_k和e_k的向量之间的夹角，U_dc为中间直流侧电压，m为逆变器的脉冲宽带调制比，τ是瞬态分量的时间常数，ρ为交流反电动势幅度因子，ω为网侧电压基波角频率；

其中电机等效为一个星形连接的三相对称电路，其中每一相均由R-L串联负载和交流电源e_k串联，该电路的三相相电压设为u_k，三相相电流设为i_k；k＝1,2,3；

S13：通过对EMU交流侧、直流侧分别列写KCL、KVL方程，得到EMU网侧变流器的d-q坐标系下的数学模型：

式中：C为直流侧支撑电容，L_n为牵引变压器牵引绕组等效漏感，R_n为线路电阻，t为时间，S_d和S_q分别为开关函数S转换到两相旋转坐标系下的有功分量和无功分量，i_d和i_q分别为EMUs网侧电流i_n转换到两相旋转坐标系下的有功分量和无功分量，e_d和e_q分别为EMUs网侧电压u_n转换到两相旋转坐标系下的有功分量和无功分量；

步骤2：将基于滑模观测的滑模变结构控制策略应用在电力电子多单元EMUs的网侧变流器LSC中，分别对外环电压控制模块和内环电流控制模块进行分析；

所述外环电压控制模块模型构建过程如下：

针对二阶系统：

式中，x₁、x₂为系统待观测值，x₁₀、x₂₀为已知项，a₁(t)、a₂(t)为不确定项，

a₁(t)、a₂(t)其上界分别为A₁、A₂：

定义观测误差e₁＝x₁-z₁、e₂＝x₂-z₂，其中z₁、z₂分别为待观测值x₁、x₂的估计值；

针对二阶系统，切换函数为：

s₁＝e₁

s₂＝e₂

对x₁和x₂构造如下滑模观测器：

式中：分别为z₁、z₂的导数，L₁、L₂为常系数，sgn(s)为符号函数；

设P_dq＝e_di_d+e_qi_q,x₁＝1/2(U_dc)²,x₂＝P_l＝u_li_l,P_l是负载真实功率，x₂的导数记为y(t)；式(1)中的第三个式子写为：

式中：分别为x₁、x₂的导数；

构造滑模观测器：

s₁和s₂的导数为：

稳定性分析：

设：

定义李雅普诺夫函数V：

式中：S为一个球域；

则有：

构造的滑模观测器满足滑模存在条件，在滑动模态下有x＝z；

直流侧电压跟踪部分滑模控制SMC：

设φ为dU_dc/dt，则U_dc、i_q和φ的误差值定义为：

式中：和φ_ref分别为U_dc、i_q和φ的参考值；

建立两个滑模面s₁、s₂分别与U_dc、i_q对应：

式中β、β₁和β₂是放大增益；

将上式第二个等式进行化简：

为给定的常数，所以，

根据式(1)的表达式，带入上式得：

式中，λ＝β₂/β₁；

由坐标变换功率守恒得到：

根据式(1)得：

忽略电阻R_n，假设di_q/dt＝0和e_q＝0，则得到开关函数S_q：

则得到i_d的参考值

因为：i_l＝z₂/U_dc，上式整理为：

根据上式得到电压外环控制模块；

所述内环电流控制模块构建过程如下：

内环电流控制器的设计采用指数趋近律，则两滑模面s₁和s₂满足下式：

式中：ε₁、ε₂、k₁、k₂都是常系数；

根据下式得到电流内环控制模块的两个输出的参考量，据此搭建内环电流控制模块：

式中：u_q和u_d为脉冲宽度调制所需的两个控制量。