王閃閃　陳然

摘 ?要：針對CRH5動車組牽引系統(tǒng)AC-DC-AC變換器體積大，功率因數(shù)低、能量非雙向流動等問題，文章引入多輸出間接矩陣變換器（indirect matrix converter，IMC），并采用模型預(yù)測控制（model predictive control，MPC）方法實現(xiàn)多異步電機（induction motor，IM）控制?；跇?gòu)建的CRH5動車組IMC-雙IM牽引系統(tǒng)，建立電機定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩預(yù)測模型，根據(jù)輸出調(diào)速性能和電網(wǎng)需求建立目標(biāo)函數(shù)并尋優(yōu)以實現(xiàn)動車組的高性能牽引。仿真表明在MPC方法控制下CRH5動車組牽引系統(tǒng)輸入側(cè)無功功率約為0，輸出側(cè)兩臺IM可以高性能獨立調(diào)速運行。

關(guān)鍵詞：CHR5動車組牽引系統(tǒng);多輸出間接矩陣變換器;模型預(yù)測控制方法

中圖分類號：U266 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）31-0009-03

Abstract： Aiming at the problems of large size， low power factor and non-bi-directional energy flow of AC-DC-AC converter in traction system of CRH5 EMU， multi-output indirect matrix converter （IMC） is introduced in this paper， and model predictive control （MPC） method is adopted to realize multi-induction motor （IM） control. Based on the IMC-double IM traction system of CRH5 EMU， the prediction model of motor stator flux and torque is established. According to the output speed regulation performance and power grid requirements， the objective function is established and optimized to achieve high performance traction of EMU. The simulation results show that under the control of MPC method， the reactive power on the input side of the traction system of CRH5 EMU is about 0， and the two IM on the output side can run independently with high performance.

Keywords： CHR5 EMU traction system; multi-output indirect matrix converter; model predictive control method

引言

在高速鐵路、航天航空、鋼鐵等眾多工業(yè)領(lǐng)域中，往往需求多臺電機協(xié)同帶載工作[1-3]。例如構(gòu)造速度為250km/h的CRH5高速鐵路動車組牽引系統(tǒng)，主要采用4個AC-DC-AC的間接變換器驅(qū)動10臺電機協(xié)同運行，傳統(tǒng)變換器中間直流環(huán)節(jié)一般設(shè)置大電容元件進(jìn)行儲能，大重量，大體積，短壽命。這阻礙了高速動車組9項關(guān)鍵技術(shù)中車體輕量化、系統(tǒng)集成化、牽引變流器等技術(shù)革新[2]。文獻(xiàn)[1，3]在航天及工業(yè)中提出多輸出IMC新型拓?fù)潋?qū)動多臺電機，實現(xiàn)了體積減小、功率因數(shù)提高及能量雙向流動，故IMC驅(qū)動多臺電機在鐵路領(lǐng)域也可論證。

針對CRH5動車組IMC-雙IM牽引系統(tǒng)的控制，文獻(xiàn)[3]采用間接的空間矢量脈沖寬度調(diào)制（SVPWM）與矢量控制結(jié)合，取得了良好控制效果。但該方法控制思想繁雜，需同時調(diào)節(jié)大量參數(shù)。對此本文把MPC思想[4]引入系統(tǒng)，對模型精度要求不高、結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)易調(diào)節(jié)且實現(xiàn)高質(zhì)量控制。具體的，建立電機電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈、輸入無功預(yù)測模型，并建立目標(biāo)函數(shù)尋優(yōu)，使得目標(biāo)模型跟隨基準(zhǔn)值。最后通過大量仿真驗證了理論的正確性。

1 CRH5動車組IMC-雙IM牽引系統(tǒng)新拓?fù)?/p>

如圖1構(gòu)建了一種新型三相輸入的動車組IMC-雙IM牽引系統(tǒng)。主要包括三相正弦交流電源、多輸出IMC、兩臺IM。IMC包含輸入濾波環(huán)節(jié)，虛擬整流環(huán)節(jié)、鉗位保護(hù)、VSI。其中虛擬整流環(huán)節(jié)由六個可實現(xiàn)能量雙向流動的雙向開關(guān)組成[3，5]。

2 MPC方法

模型預(yù)測控制思想是20世紀(jì)60年代初期發(fā)展起來現(xiàn)代控制理論，對模型精度要求不高，且能實現(xiàn)高質(zhì)量控制：首先建立控制目標(biāo)的預(yù)測模型，然后建立品質(zhì)函數(shù)，最后在有限狀態(tài)機進(jìn)行預(yù)測并尋最優(yōu)預(yù)測狀態(tài)控制系統(tǒng)[4]。借鑒這一思想，CRH5動車組牽引系統(tǒng)的MPC控制結(jié)構(gòu)如圖2，主要包括三部分：電機定轉(zhuǎn)子磁鏈觀測、預(yù)測模型及目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)化。

2.1 定轉(zhuǎn)子磁鏈觀測

由IM定子電壓方程和轉(zhuǎn)子磁鏈公式[5]，對得定轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模型如下離散公式：

2.2磁鏈與轉(zhuǎn)矩預(yù)測模型

同上步觀測推導(dǎo)，推得定子磁鏈預(yù)測模型如下：

而根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩公式，建立預(yù)測模型為：

從式（4）中發(fā)現(xiàn)，要建立轉(zhuǎn)矩預(yù)測模型要先建立定子電流預(yù)測模型，由定子動態(tài)方程推得定子電流預(yù)測模型如下：

上式中各參數(shù)含義如文獻(xiàn)[5]。

由輸入濾波器數(shù)學(xué)模型得網(wǎng)側(cè)電流is預(yù)測模型[5]：

（6）

以上預(yù)測模型對兩臺IM均適用?？紤]到網(wǎng)測電壓基本恒定，網(wǎng)側(cè)無功功率預(yù)測模型可由式（6）得：

2.3 目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)化

建立目標(biāo)函數(shù)如（8），選擇使其值最小的開關(guān)狀態(tài)為下一時刻最優(yōu)開關(guān)狀態(tài)。其中λ1-λ5為各變量權(quán)重。

（8）

3 仿真分析

對上系統(tǒng)進(jìn)行MATLAB/simulink仿真。參數(shù)設(shè)置如下：λ1=λ3=900，λ2=λ4=30000，λ3=1;輸入相電壓：Usm=1500v，fn=50Hz;濾波器Rf=60Ω，Lf=5mH，Cf=20μF。動態(tài)變化設(shè)置：（1）IM1：t=3.2s，速度突變?yōu)?00r/min;t=3.4s，負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變?yōu)?N·m;（2）IM2：t=3.6s，轉(zhuǎn)速變化如IM1;t=3.8s，負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變?yōu)?0N·m。兩臺IM選定為CRH5型動車組牽引電機參數(shù)[2]。

圖3、4中，兩IM定子電流正弦性良好，具有高靜態(tài)性能;兩IM當(dāng)在不同時刻轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩發(fā)生突變時，性能也互不干擾均可獨立運行且變換過程超調(diào)較小，動態(tài)性能良好。圖4為網(wǎng)側(cè)電壓電流波形?？煽闯鲭妷弘娏髯兓^程波形良好正弦，相位差基本為零，即無功功率基本為0，滿足接觸網(wǎng)要求。

4 結(jié)論

本文實現(xiàn)了新型CRH5動車組IMC-雙IM牽引系統(tǒng)的MPC控制。仿真結(jié)果證明：此拓?fù)湓趯崿F(xiàn)降重增功及能量雙向流動的同時，輸出側(cè)雙IM可以獨立高性能調(diào)速控制，輸入側(cè)實現(xiàn)單位功率因數(shù)。隨著開關(guān)器件開關(guān)時間及損耗減低、功率的提升等發(fā)展，實現(xiàn)三相輸入的IMC在大功率高速動車組多機牽引系統(tǒng)的樣機試驗指日可待。

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