基于LTP理论的地铁牵引传动系统LC谐振抑制方法研究

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随着城市发展进程的持续提升,地铁作为我国城市轨道交通发展的主要制式迎来了空前发展,地铁牵引传动系统的安全、稳定运行受到广泛的关注。受限于车载变流装置的空间、重量等因素,直流侧输入滤波器通常选取较大的电感和较小的电容以实现较好的滤波效果,但这种滤波器存在阻尼较弱的问题;同时,逆变器-电机驱动系统在恒功率控制下呈现的负阻抗特性会造成车-网系统阻抗失配,进一步降低系统阻尼。地铁牵引传动系统在特定运行工况下会出现直流侧LC谐振现象,影响列车的安全稳定运行。因此,建立能够准确分析地铁牵引传动系统谐波特性的模型,并设计抑制策略具有重要的意义。本文首先简要介绍了地铁牵引传动系统的基本数学模型,并构建了基于线性时不变(Linear Time-Invariant,LTI)系统理论的特征方程模型与LTI阻抗模型,通过阻抗测量验证了LTI模型的准确性。结合时域仿真与阻抗模型分析了直流侧输入滤波器参数、电机运行工况对系统稳定性的影响。考虑到逆变器-电机驱动系统在稳态下呈现周期性轨迹,基于线性时变周期(Linear Time-Periodic,LTP)系统理论构建地铁牵引传动系统的谐波状态空间(Harmonic StateSpace,HSS)模型,以对逆变器开关特性、坐标变换等非线性环节进行准确建模。研究了基于Multi-dq建模理论将谐波域HSS模型利用Simulink在时域重构的方法。并通过阻抗测量及时域重构验证了所提出的地铁牵引传动系统LTP模型的准确性。分别基于特征方程模型、LTI阻抗模型与HSS模型对系统运行工况的稳定性边界及输入滤波器参数的临界值进行整定。基于主动阻尼控制的思想,着眼于补偿直流侧输入滤波器、逆变器-电机驱动系统的阻尼,分别研究了基于虚拟正阻抗的主动阻尼抑制策略及基于虚拟电阻的主动阻尼抑制策略。针对这两种抑制策略,分别构建其闭环系统的HSS模型,并通过HSS模型对主动阻尼的控制器参数进行整定。基于Simulink仿真验证了所提出的抑制策略在全速域范围下的有效性。最后,搭建采用TMS320F28335DSP控制器的小功率逆变器-电机驱动系统实验平台。基于该平台复现了直流侧LC谐振现象,并完成了基于矢量控制的主动阻尼抑制策略程序。通过小功率实验平台验证了所提出的主动阻尼抑制策略的有效性。
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