第1章 绪论
1.1 高速铁路系统概述
高速铁路是铁路现代化的重要标志，具有安全、快速、正点、舒适、环保等诸多优点，是集多种高新技术于一体的复杂巨系统，在世界各国受到了广泛关注与重视[1]。作为*早将高铁投入实际运营中的国家，日本在1964年建成了东京至大阪的东海道新干线；法国则在1981年建成高速度列车（train à grande vitesse，TGV）东南线之后，又修建了大西洋线、北方线等[2]；德国从1971年开始修建汉诺威到维尔茨堡的高铁，并在1991年全线投入运营；意大利于1977年建成罗马到佛罗伦萨的高铁。截至20世纪90年代初，作为世界高铁行业发展的领头羊，日本建成高铁里程1804km。法国、德国和意大利分别拥有839km、426km、238km，全世界高铁建成总里程达到了3778km。此时，我国铁路技术与世界先进水平存在巨大差距，在1990年铁路未实施**次全面大提速时，我国客运列车的平均速度仅为43.6km/h，旅客列车的*高速度也不超过120km/h[3]。二十余年来，以国务院讨论形成的《研究铁路机车车辆装备有关问题的会议纪要》为指导思想，我国高铁按照“引进先进技术、联合设计生产、打造中国品牌”的基本方针，在技术层面不断攻克运行速度250km/h、300km/h、350km/h的难关，拥有了具有完全自主知识产权的“复兴号”动车组；在运营层面，大规模开行速度为300km/h的高速动车组列车，并建设了武广、京沪、京广等多条高标准、长里程的线路[4]。截至2021年12月30日，中国铁路营运总里程达15万公里，其中高铁运营里程超过4万公里，是“十二五”末1.98万公里的2倍多；在线高速动车组4194标准组，高铁营运里程及高速动车组保有量均占世界三分之二以上，稳居世界**。2021年2月发布的《国家综合立体交通网规划纲要》中提出，到2035年，中国铁路网总规模将达到20万公里，其中高铁将达到7万公里（含部分城际铁路），构建成“八纵八横”高铁主通道以及区域性高铁，形成高效的现代化高铁网[5]。作为中国装备制造的一张亮丽“名片”，中国高铁现已站在了全球高铁市场的*前沿，并逐步引领全球高铁市场的发展[6]。要维持和进一步巩固我国高铁技术的领先优势，应以国家战略为指引，以技术创新为支撑，在高铁新兴技术的前沿研究和技术应用方面持续加强。高速列车是高铁的标志性装备，而电力牵引传动系统是高速列车的动力源泉，直接决定了列车的运行性能，是整个列车的核心所在，对其控制技术进行研究和创新具有重要意义。
现役电力机车牵引传动系统大都采用如图1-1所示的交流传动结构，主要由受电弓、工频牵引变压器、脉冲整流器、三相牵引逆变器、异步牵引电机等组成[7]。对于单相供电结构的电力机车牵引变流系统而言，脉冲整流器是其实现交流到直流能量转换单元不可或缺的组成部分。双重化脉冲整流器具有结构简单，控制技术相对成熟，运用经验丰富等优势，已广泛应用于我国高速列车牵引交流传动系统，如CRH1、CRH3、CRH5、CRH6、CR300、CR400等系列动车组。双重化脉冲整流器主要任务是确保在为后级牵引系统提供恒定输出直流电压的同时，实现单位功率因数，并*大限度地减小网侧电流谐波。双重化脉冲整流器由两个单相脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM）整流器并联而成。动车组发生牵引封锁前，可将电力机车牵引传动系统的逆变器、电机简化等效为负载电阻，将牵引网上的供电变压器阻抗、供电变压器至动车组输入端线路阻抗折算至动车组车载变压器副边，因此在研究控制策略时，通常可将其等效为一个单相脉冲整流器[8]。
图1-1 传统电力牵引交流传动系统结构图
AC：交流；DC：直流
图1-2给出了CRH3型高速动车组的两电平单相脉冲整流器电路拓扑结构，采用两重化级联模式提升系统的牵引功率。在大功率应用中，两电平拓扑结构的单相脉冲整流器输出电压脉动大，常在中间直流环节增加LC串联谐振网络以消除输出直流电压中存在的2倍电网基波频率的谐波分量[8]。
图1-2 CRH3型动车组的两电平单相脉冲整流器电路拓扑结构
高速列车电力牵引系统除了运行于跨区域温差、湿热、雷暴、冰霜雨雪等恶劣气候环境，还面临着过分相、弓网分离、列车与轨道间偶发性的接触不良等特有工况，并且运行工况复杂多变，如牵引、制动、启停、加减速频繁等；此外，功率器件老化、损耗等情况时常发生，器件测量误差难以避免等因素，都将造成脉冲整流器电路参数摄动，使系统模型存在不确定性，从而导致高速列车电力牵引系统的控制性能变差。其中，网侧等效电感参数摄动对系统控制性能影响较大，具体表现在：网侧电流波动幅度增大，直轴交轴（direct-axis quadrature-axis，dq）坐标系下有功电流、无功电流波动明显，调制信号失真，网侧电压与网侧电流相位差增加，功率因数下降，鲁棒性较低。随着交-直-交型牵引传动系统的大量使用，车-网参数不匹配所导致的牵引供电系统低频振荡现象也频繁发生。通过上述分析，牵引变流器的单相脉冲整流器控制系统须具备优良的动态和稳态性能以及强鲁棒性，才能应对复杂多变的运行工况，而现有的控制算法并不能很好地适应脉冲整流器所面临的恶劣工况。因此，在现有控制算法的基础上提出强鲁棒性的单相脉冲整流器控制算法具有重要的研究意义。
1.2 单相脉冲整流器的控制
电压源型脉冲整流器控制广泛采用**的双闭环结构，通常包括电压外环、电流/功率内环、锁相环（phase-locked loop，PLL）、PWM模块等。其中，电压外环常使用比例积分（proportional integral，PI）控制器，确保直流侧输出稳定的直流电压，同时为内环参考信号提供幅值信息。其中，直流电压的纹波抑制主要通过直流环节进行抑制；PLL从网侧电压提取内环参考信号所需的相角信息；电流/功率内环根据参考信号控制网侧电流的幅值和相位，并生成控制信号；PWM模块可将内环控制信号转化为恒定开关频率的功率器件控制信号，然后通过驱动电路控制功率开关器件的开通与关断。
电流/功率内环快于电压外环，是实现脉冲整流器单位功率因数运行、网侧电流低谐波控制目标的关键因素，其尽可能短的瞬态过程是应对网压、负荷波动频繁的重要保障。根据控制对象不同，内环控制策略主要可划分为直接电流控制（direct current control，DCC）和直接功率控制（direct power control，DPC）[9，10]两大类。此外，滑模控制[11]、非线性状态反馈控制[12]、基于李雅普诺夫（Lyapunov）方法[13]等先进控制技术在三相脉冲整流器控制中都有一定的研究，但由于所设计的控制器结构相对复杂，限制了其工程应用前景。
1.2.1 基于直接电流控制的内环控制器设计
脉冲整流器DCC算法主要包括间接电流控制[14]、滞环电流控制[15]、瞬态直接电流控制[7]、比例谐振（proportional resonant，PR）控制[16]、dq电流解耦控制[17]、无差拍控制[18]、模型预测控制（model predictive control，MPC）等[19]。
1.传统控制算法
1）间接电流控制
间接电流控制也称为幅相控制，根据整流器网侧电压与网侧电流之间的相量关系，通过调节整流器网侧电压的相位和幅值来间接控制输入电流的相位和幅值，而非直接利用双闭环反馈来实现对输入电流的控制。间接电流控制需要网侧等效电阻和等效电感参数来获得调制信号，内环控制无积分环节，因此对整流器的电路参数依赖性较大，抗干扰性较差[14]；此外，间接电流控制由于未采用网侧电流闭环控制，导致其电流环动态响应较慢。因此，间接电流控制对于网侧电流的控制效果有待提升。但间接电流控制操作简单，仅需对电压环PI参数进行设计，无须对网侧电流采样，仍可应用于对控制性能要求不高与成本较少的场合。
2）滞环电流控制
滞环电流控制属于一种砰砰（bang-bang）控制，源于模拟电路控制方法，是将电流误差与滞环环宽进行比较后计算得出调制信号的一种非线性控制算法，具有易于实现、动态响应快、鲁棒性强的优点[15]。但滞环电流控制存在开关频率不固定的问题，导致网侧电流谐波分布不均，造成滤波器设计困难，因而需要配有体积庞大且价格不菲的滤波器[20]。此外，滞环电流的控制精度需要较高采样频率[21]，对数字处理器的性能要求高，导致工程应用较少。
3）瞬态直接电流控制
瞬态直接电流控制在间接电流控制的基础上引入了网侧电流反馈[7]。此外，在内环电流参考信号上叠加了直流侧负载电流，在一定程度上减轻了电压环PI控制器的运算负担，并提高了系统内环动态性能。然而，在静态坐标下，由于瞬态直接电流控制内环采用比例控制器或PI控制器，在跟踪50Hz/60Hz交流信号时会出现稳态误差[22]。
4）比例谐振控制
PR控制器通过增加网侧电压基波频率处的增益，可实现对基波频率参考电流的无稳态误差跟踪，但当网压频率发生偏移时，PR控制器在实际频率处的增益会急剧下降，严重影响电流环的跟踪控制效果。通过采用准PR控制器，既保留了PR控制器对50Hz/60Hz交流量较好的跟踪效果，又可急剧降低电网电压频率波动带来的影响，但动态性能需要进一步提升[23]。此外，可通过多个PR控制策略来实现特定次谐波抑制或重复电流控制，以提高控制精度[16]。
5）直轴交轴电流解耦控制
瞬态直接电流控制与PR控制均在静态坐标系下实现。与此不同，dq电流解耦控制（也称电压定向电流控制）通过坐标变换将控制器设计从静态αβ坐标系下转化到旋转dq坐标系下，然后利用前馈解耦控制结构分别对d轴、q轴电流实现*立控制。两个同频正交的交流信号通过坐标变化处理转化成为直流信号。根据**控制理论，dq电流解耦控制通过PI控制器就可以实现对直流信号的零稳态误差跟踪。但dq电流解耦控制内环动态响应速度较慢。
6）无差拍控制
无差拍控制起源于20世纪60年代，在80年代中期逐渐在电力电子变流器中得到应用。无差拍控制的核心思想是根据被控对象的状态方程和实时采样数据，在一个PWM周期内计算出下一开关作用时刻的脉冲信号时间，使控制系统在一拍内跟踪参考电流。该方法具有良好的动态性能和控制精度，但该方法在数字控制中存在时延，并且依赖系统数学模型的精确性。当被控对象参数准确性下降时，系统性能会恶化[18]。为了减小控制时延对系统控制效果的影响，可通过两个相邻时刻的电流偏差近似计算k+1时刻的电流值，此举削弱了控制时延对电流控制精度的影响，同时能有效降低网侧电流谐波含量，但仍未解决参数敏感的问题[24]。
2.模型预测控制
MPC于20世纪70年代在工业过程控制领域受到关注与应用。20世纪80年代，在低开关频率的大功率电力电子变换设备中*先得到了应用。区别于传统控制策略，MPC是一类原理简单的非线性控制策略，利用系统模型预测被控变量在预定时间段内的未来行为，然后选择一个*优操作实现代价函数的*小化，具备快速的动态响应性能。应用于脉冲变流器的MPC算法主要可分为有限控制集模型预测控制（finite control set MPC，FCS-MPC）和连续控制集模型预测控制（continuous control set MPC，CCS-MPC）两类[25]。
1）有限控制集模型预测控制
FCS-MPC是利用脉冲变流器的离散特性和功率开关状态的有限性去预测系统的行为，直接选择*优的开关状态，从而可以取消PWM模块。*先，通过控制目标来确定代价函数，然后采用单步或多步预测来枚举下一个控制周期内开关状态下的代价函数值，*后依据*小代价函数选择*优的开关状态作用于下一个控制周期。FCS-MPC的控制目标可以是一个或多
展开
