传感缺失条件下电力牵引变流器的动态参数辨识与控制技术研究

Based on the existing research achievement of “power electronics system modeling and Active-disturbance-rejection control”, for “lack of effective dynamic parameter identification methods” and “slow convergency speed of state reconstruction applying sensorless control” in electric traction converter research field, the project applies extended kalman filter and ADRC theory to the dynamic parameter identification and state reconstruction of electric traction converter without adequate sensors. Considering the dynamic influence on converter parameters under different speed and load operating condition, based on extended kalman filter, the project builds an exact system model of electric traction converter with parameters uncertainty. Consequently, state reconstruction technology is studied for PWM recitifier without AC voltage sensors applying extended virtual line-flux-linkage method. With the help of “ADRC-Extended State Observer”, a rapid and stable state observe method is porposed for traction inverter without AC current sensors. The semi-physical simulation research platform of electric traction drive control based on dSPACE is constructed so that the validity of the proposed theory is verified. Fault-tolerant control of electric traction drive system under sensorless condition is researched in the project in order to improve system reliability and survival ability at emergency moment; meanwhile, the expected research achievement has reference meaning to other power electronic systems.

本项目以“电力电子系统建模与自抗扰控制”等前期工作为基础，针对电力牵引变流器“缺少有效动态参数辨识手段”和“无（少）传感器控制时状态重构实时性不佳”等问题，将扩展卡尔曼滤波器和自抗扰控制理论应用于传感缺失条件下电力牵引变流器的动态参数辨识和状态重构中。充分考虑牵引速度/负载等不同运行工况对变流器系统参数的动态影响，利用扩展卡尔曼滤波器，建立计及参数不确定性的电力牵引变流器精确数学模型。基于扩展虚拟电网磁链技术，研究脉冲整流器在无交流电压传感器时的状态重构技术。以“自抗扰控制-扩张状态观测器”为基础，针对牵引逆变器无交流电流传感器工况，提出一种实时性和稳定性俱佳的状态观测方法。建立电力牵引传动控制半实物仿真研究平台，以验证所提理论的正确性和有效性。本项目将对传感缺失条件下电力牵引传动系统的容错控制展开研究，以提高系统可靠性和应急时刻的生存能力，相关研究成果对于其它电力电子系统也具有借鉴意义。

本项目针对电力牵引交流传动系统的参数辨识，及其在传感器故障条件下的故障诊断与容错控制问题展开研究，研究对象包括脉冲整流器和牵引逆变器两部分。针对脉冲整流器交流电流传感器和直流电压传感器的故障问题，提出了一种基于滑模观测器的脉冲整流器故障诊断与容错控制算法。考虑脉冲整流器网侧等效阻抗摄动实际工况，分析了电流环在网侧等效电感与电阻变动条件下的系统稳定性，提出了基于双谐波注入法的脉冲整流器网侧电感在线辨识方法。针对感应电机运行过程中参数变化导致磁链估计不准的问题，提出了基于自适应全阶滑模观测器的定转子电阻在线辨识和磁链观测方法。此外，本项目对功率开关器件故障后的牵引逆变器容错控制问题也进行了深入研究。提出了一种大功率交流传动系统的SVPWM同步调制过调制方法，避免了传统过调制方法中控制角和保持角的复杂数学计算，可使输出电压基波幅值和调制比完全呈线性关系，实现了线性调制到六拍波阶段的平滑过渡。针对三相四开关逆变器电压输出能力受限，且传统过调制方法存在输出三相电压基波幅值不平衡的问题，提出了一种基于叠加定理、考虑输出电压平衡的SVPWM过调制算法。针对两电平牵引逆变器功率开关器件的故障问题，提出了基于三相四开关容错逆变器的牵引电机间接定子量控制。同时，研究内容进一步拓展到三电平牵引逆变器容错控制中，选择八开关三相逆变器作为三电平逆变器容错拓扑方案，证明了容错拓扑中点电压波动存在的必然性，提出了一种基于改进SVPWM的输出不平衡抑制策略，其能够在中点电压波动时，保证输出电压的三相平衡。建立了脉冲整流器和牵引逆变器实验平台，并与dSPACE半实物仿真系统相结合，为相应参数辨识、故障诊断与容错控制算法的验证提供了平台支持。本项目通过对传感缺失条件下电力牵引传动系统的容错控制展开研究，可提高牵引传动系统的可靠性和应急时刻的生存能力，相关研究成果对于其它电力电子系统也具有借鉴意义。