141610字博士毕业论文地铁牵引输电结构核心控制技术及性能优化探讨

论文类型：博士毕业论文

论文字数：141610字

论点：牵引,离散,观测器

论文概述：

本文是博士生论文，针对地铁牵引电传动系统，完成了直流侧输入滤波器牵引变流器异步电机系统综合线性化模型建立,最终提出了一种基于阻抗匹配的稳定性控制策略。

论文正文：

1简介

直到近年来，在国家政策的鼓励下，在中国南北机车等轨道交通设备制造企业的大力推动下，中国才逐步完成牵引输电系统的自主研发，从而基本实现了地铁车辆的国产化。然而，与三菱、日立等国外公司开发的带牵引电力传输系统的地铁车辆相比，中国在动力性、安全性、可靠性、稳定性和节能效果等诸多方面仍然相差甚远。原因在于我国轨道交通行业及相关科研院所和高校对地铁车辆牵引电力传输系统核心控制技术的研究起步较晚，基础较差，外国公司一直在对相关技术采取垄断和封锁措施，以确保其在中国激烈的城市轨道交通市场竞争中具有主动权。鉴于我国开发的牵引电力驱动系统与进口产品在关键控制技术上的差距，国内地铁车辆仍然大量使用国外牵引变流器产品，这不仅增加了地铁建设和设备维护的成本，也对我国轨道交通行业的发展产生了非常不利的影响。由此可见，长期依赖进口不是一个长期计划。必须尽快推进国内地铁车辆牵引输电系统关键控制技术的研究、优化和自主创新。
......

2低开关频率下离散全阶转子磁链观测器的设计

2.1低开关频率下离散全阶转子磁链观测器存在的问题
异步电机复矢量模型中极点分布的特殊性导致基于电机模型的转子磁链观测器在电机运行的中高速段不稳定，如果采用一阶正欧拉离散化方法，观测结果会出现发散和不收敛。一阶正欧拉离散化方法的离散误差不仅随着电机运行速度的逐渐增加而增加，而且受到迭代计算周期T的设置的影响，即当电机以相同速度运行时，迭代计算周期越大，离散误差越大。如果实际地铁牵引传动控制系统中微处理器的迭代计算频率设置较低，基于一阶正欧拉离散化方法的全阶转子磁链观测器在异步电机运行到中高速段时会产生较大的离散误差，直接导致观测结果严重偏离真实值。如果只采用增加微处理器迭代计算频率的方法来达到减少离散误差的目的，微处理器的计算负荷将会大大增加。

2.2改进的基于状态间分裂和重组的离散全阶转子磁链观测器空
图2-8给出了基于一阶正欧拉离散化方法的全阶转子磁链观测器与基于改进离散化方法的全阶转子磁链观测器在离散时域极点分布的对比仿真结果。分析表明，当电机运行到中高速范围时，一些极点会分布在z域中由单位圆定义的稳定区域之外，即李雅普诺夫间接法，从而使观测器不稳定。然而，后者采用基于状态间分裂重组的改进离散化方法空来改变观测器在离散时域中的极点分布，从而使所有极点分布在异步电机运行全速范围内的稳定区域，最终保证离散全阶转子磁链观测器的稳定性。基于复矢量的

3电流环离散控制技术...61
3.1异步电机电流解耦控制中存在的问题分析...62
3.2改进型离散电流控制器的设计.........72
4防滑/K0/]地铁车辆转向控制技术研究……93
4.1地铁车辆轮轨附着力分析......93
4.2基于框架控制模式的地铁车辆动力学模型的建立......95
5地铁牵引电力驱动系统稳定性分析与控制……123
5.1牵引电力驱动系统主电路稳定性分析......123

5地铁牵引输电系统的稳定性分析与控制

5.1牵引输电系统主电路的稳定性分析
为了确保滤波电路能够承受标准中规定的不同地铁车辆运行条件下的过电压和瞬变，保持较低的DC侧谐振频率，并有效抑制较高谐波对电网的影响，通常选择电感值较大的空铁心电抗器；随着新薄膜技术的成熟和成本的降低，适用于中高压变频器的薄膜DC滤波支撑电容器得到了广泛的应用。虽然大容量支持电容器可以进一步降低谐振频率并使DC电压更加稳定，但是它们不利于器件的重量轻和功率密度的改善。因此，基于地铁车辆牵引变流器装置本身空重量的限制，通常选择电容值相对较小的薄膜电容器作为支撑电容器。同时，为了避免过多的能量损失，线路电阻和滤波电感的内阻之和，即DC侧的等效电阻值，不应设计得太大，通常为几十毫欧。

5.2 DC侧输入滤波牵引变流器异步电机系统建模
基于上述系统的综合线性化模型，将对地铁牵引输电系统进行准确、全面的稳定性分析，深入研究DC侧输入滤波参数设计和异步电机矢量控制策略对系统稳定性的影响，并提出新的稳定性控制策略，使系统在任何工况下都具有良好的稳定性裕度，保证地铁车辆的稳定运行。因此，当地铁牵引电力驱动系统处于牵引状态时，输出功率会随着异步电机转速的增加而增加，系统会逐渐从稳定状态过渡到不稳定状态，导致振荡现象。同时，负载的增加会增加异步电动机的输出转矩，从而在相同的速度点增加输出功率，导致系统在较低的速度点进入不稳定区域，导致振荡。然后说明地铁牵引电力驱动系统DC侧滤波器的输出阻抗与牵引条件下牵引变流器异步电动机的输入阻抗不匹配。
……

6结论和前景

本文对地铁牵引电力驱动系统的关键控制技术进行了研究，并通过大量的模型仿真和地面及现场实验对研究结果进行了验证。得到以下结果:
(1)针对牵引变流器低频运行，提出了一种基于状态间分裂重组的改进型离散全阶转子磁链观测器空，该观测器不仅观测结果收敛稳定，离散误差小，计算简单，易于工程实现；同时，通过设计反馈增益矩阵，完成观测器极点优化，从而在一定程度上提高电机参数的灵敏度，最终使牵引驱动控制系统在有限的迭代计算频率下获得异步电机运行全速范围内准确的转子磁链信息。针对低频牵引变流器，提出了一种基于零极点对消原理的电流控制器设计方法。它不仅能消除旋转坐标系中的D轴和Q轴电流之间的亲和力，而且具有良好的动态响应。同时引入双线性离散化方法实现数字化，最终使电流环系统在有限的控制频率下实现异步电机转矩和磁链的独立控制。
(2)针对地铁牵引电力驱动系统，建立了DC输入滤波牵引变流器异步电动机系统的综合线性化模型。采用基于级联电气系统回路增益的稳定性分析方法，深入研究了DC侧滤波器参数设计和异步电机矢量控制策略对系统稳定性的影响，最后提出了基于阻抗匹配的稳定性控制策略，使系统能够在异步电机全速范围和全工况下保持稳定运行。
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参考文献(省略)