CRH5動車組牽引系統的多輸出間接矩陣變換器的控制研究

王閃閃　陳然

摘 ?要：針對CRH5動車組牽引系統AC-DC-AC變換器體積大，功率因數低、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），并采用模型預測控制（model predictive control，MPC）方法實現多異步電機（induction motor，IM）控制。基于構建的CRH5動車組IMC-雙IM牽引系統，建立電機定子磁鏈和轉矩預測模型，根據輸出調速性能和電網需求建立目標函數并尋優以實現動車組的高性能牽引。仿真表明在MPC方法控制下CRH5動車組牽引系統輸入側無功功率約為0，輸出側兩臺IM可以高性能獨立調速運行。

關鍵詞：CHR5動車組牽引系統;多輸出間接矩陣變換器;模型預測控制方法

中圖分類號：U266 ? ? ? ? ?文獻標志碼：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、鋼鐵等眾多工業領域中，往往需求多臺電機協同帶載工作[1-3]。例如構造速度為250km/h的CRH5高速鐵路動車組牽引系統，主要采用4個AC-DC-AC的間接變換器驅動10臺電機協同運行，傳統變換器中間直流環節一般設置大電容元件進行儲能，大重量，大體積，短壽命。這阻礙了高速動車組9項關鍵技術中車體輕量化、系統集成化、牽引變流器等技術革新[2]。文獻[1，3]在航天及工業中提出多輸出IMC新型拓撲驅動多臺電機，實現了體積減小、功率因數提高及能量雙向流動，故IMC驅動多臺電機在鐵路領域也可論證。

針對CRH5動車組IMC-雙IM牽引系統的控制，文獻[3]采用間接的空間矢量脈沖寬度調制（SVPWM）與矢量控制結合，取得了良好控制效果。但該方法控制思想繁雜，需同時調節大量參數。對此本文把MPC思想[4]引入系統，對模型精度要求不高、結構簡單、參數易調節且實現高質量控制。具體的，建立電機電磁轉矩和定子磁鏈、輸入無功預測模型，并建立目標函數尋優，使得目標模型跟隨基準值。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牽引系統新拓撲

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

2 MPC方法

模型預測控制思想是20世紀60年代初期發展起來現代控制理論，對模型精度要求不高，且能實現高質量控制：首先建立控制目標的預測模型，然后建立品質函數，最后在有限狀態機進行預測并尋最優預測狀態控制系統[4]。借鑒這一思想，CRH5動車組牽引系統的MPC控制結構如圖2，主要包括三部分：電機定轉子磁鏈觀測、預測模型及目標函數最優化。

2.1 定轉子磁鏈觀測

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

2.2磁鏈與轉矩預測模型

同上步觀測推導，推得定子磁鏈預測模型如下：

而根據電磁轉矩公式，建立預測模型為：

從式（4）中發現，要建立轉矩預測模型要先建立定子電流預測模型，由定子動態方程推得定子電流預測模型如下：

上式中各參數含義如文獻[5]。

由輸入濾波器數學模型得網側電流is預測模型[5]：

（6）

以上預測模型對兩臺IM均適用。考慮到網測電壓基本恒定，網側無功功率預測模型可由式（6）得：

2.3 目標函數最優化

建立目標函數如（8），選擇使其值最小的開關狀態為下一時刻最優開關狀態。其中λ1-λ5為各變量權重。

（8）

3 仿真分析

對上系統進行MATLAB/simulink仿真。參數設置如下：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。動態變化設置：（1）IM1：t=3.2s，速度突變為800r/min;t=3.4s，負載轉矩突變為5N·m;（2）IM2：t=3.6s，轉速變化如IM1;t=3.8s，負載轉矩突變為10N·m。兩臺IM選定為CRH5型動車組牽引電機參數[2]。

圖3、4中，兩IM定子電流正弦性良好，具有高靜態性能;兩IM當在不同時刻轉速或轉矩發生突變時，性能也互不干擾均可獨立運行且變換過程超調較小，動態性能良好。圖4為網側電壓電流波形。可看出電壓電流變化過程波形良好正弦，相位差基本為零，即無功功率基本為0，滿足接觸網要求。

4 結論

本文實現了新型CRH5動車組IMC-雙IM牽引系統的MPC控制。仿真結果證明：此拓撲在實現降重增功及能量雙向流動的同時，輸出側雙IM可以獨立高性能調速控制，輸入側實現單位功率因數。隨著開關器件開關時間及損耗減低、功率的提升等發展，實現三相輸入的IMC在大功率高速動車組多機牽引系統的樣機試驗指日可待。

參考文獻：

[1]孫凱，周大寧，梅楊.矩陣式變換器技術及其應用[M].北京：機械工業出版社，2007：1-3.

[2]鄒檔兵.CRH系列動車組牽引變流器主電路分析[J].鐵道機車車輛，2017，37（02）：42-46.

[3]T.D.Nguyen，H.H.Lee. Dual Three-Phase Indirect Matrix Converter With Carrier-Based PWM Method. IEEE Transactions on Power Electronics， 2014，29（2）：569-581.

[4]J.Rodriguez， M. P.Kazmierkowski， et al. State of the Art of Finite Control Set Model Predictive Control in Power Electronics. IEEE Transactions on Industrial Informatics， 2013，9（2）：1003-1016.

[5]王閃閃.間接矩陣變換器-異步電機調速系統的零電流換流模型預測控制方法[J].科技創新與應用，2019（30）：141-142+144.