计及互感扰动的非接触牵引供电系统恒压输出控制方法

摘要

近年来，随着高频电力电子变换技术、器件材料等学科的发展，非接触电能传输技术日渐成为电气工程领域的研究热点之一。应用在轨道交通领域，与传统的弓网装置、第三轨等直接物理接触供电方式相比，非接触牵引供电(Contactless TractionPower Supply，CTPS)系统存在着明显的优势:取电灵活，无需在城市轨道交通系统中架设悬挂供电网络;用电安全，避免了接触火花、电弧及触电的危险;维护方便，消除了积尘和接触损耗，无机械磨损;适应性强，可抵抗台风、冰雪等恶劣天气环境。
　　然而，由于机车运行中不可避免的车体振动、偏移等机械扰动，CTPS系统的电磁耦合特性极易发生变化，导致了系统的互感参数漂移，给能量传输的稳定性带来了重大挑战。为此，本文针对电磁耦合机构互感扰动下的CTPS系统输出电压控制问题，在深入分析了机构互感变化特性的基础上，建立了系统扰动模型，并设计了恒压输出鲁棒控制器，以有效抑制互感参数扰动对系统稳定性及性能的影响，具体工作包括:
　　(1)基于体积分方法推导了快速且准确的互感计算方法。基于电磁场计算方法中的体积分算法，结合磁矢势推导了快速且准确的电磁设备磁通量通用计算方法;同时根据磁通量与互感的转换关系，将所设计的方法用于CTPS系统电磁耦合机构的互感计算当中，通过对三种常见的电磁耦合机构互感进行计算，结合实验数据验证了机构互感值随自由度的变化趋势，并通过对比商业电磁场仿真软件分析该算法性能。
　　(2)建立了多种参数扰动下系统广义状态空间平均模型。利用广义状态空间平均方法，分别建立了SS型、SP型、PS型、PP型以及具有恒流特性的LCL-S型谐振补偿拓扑下的CTPS系统数学模型，并基于所求取的电磁耦合机构互感变化趋势预估了互感参数扰动有界范围，进一步获取含参数扰动的系统综合模型，并以此分析了不同补偿拓扑在互感、负载、频率等多参数扰动下的系统稳定特性。
　　(3)系统恒压输出鲁棒控制器设计、仿真以及实验验证。结合所建立的系统扰动模型，以输出直流电压为控制目标，基于鲁棒控制方法设计了多种改进型控制器，通过仿真分析了不同控制器作用下闭环扰动系统的动态响应特性及其鲁棒特性;基于一套1 kW功率传输等级的等比例CTPS系统，开发并配置了改进型H∞控制算法。
　　仿真及实验结果表明，基于考虑互感参数扰动特性设计的鲁棒控制方法能够起到比传统PID控制器更好的输出电压控制效果，这种在考虑了参数扰动的前提下设计的CTPS系统输出控制方法能够保障实际系统运行的稳定性和安全性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究发展现状

1．2．1 感应电能传输技术

1．2．2 载运工具供电应用

1．3 论文研究目的及意义

1．4 论文工作及章节结构

1．4．1 论文主要工作

1．4．2 论文章节结构

1．5 本章小结

第2章 CTPS系统中电磁耦合机构互感计算

2．1 引言

2．2 静磁场公式体积分方法求解

2．2．1 静磁场基础公式

2．2．2 求解区域离散化

2．2．3 静磁场问题求解

2．3 电磁设备磁通量后处理算法

2．3．1 线圈产生磁通计算

2．3．2 磁芯产生磁通计算

2．4 常见耦合机构互感变化特性

2．4．1 无磁芯平板型

2．4．2 无磁芯轨道型

2．4．3 有磁芯轨道型

2．5 本章小结

第3章 多参数扰动下的CTPS系统数学建模

3．1 引言

3．2 谐振拓扑电路分析

3．2．1 基本谐振拓扑微分方程模型

3．2．2 LCL谐振拓扑微分方程模型

3．2．3 标称广义状态空间平均模型

3．3 系统扰动模型建立

3．3．1 CTPS系统参数扰动范围预估

3．3．2 参数扰动下的CTPS系统建模

3．4 本章小结

第4章 CTPS系统恒压输出鲁棒控制器设计

4．1 引言

4．2 开环系统扰动特性

4．3 改进型鲁棒控制算法

4．4 系统鲁棒控制器设计

4．4．1 环路整形H∞控制

4．4．2 H∞控制

4．4．3 μ-综合控制

4．5 闭环系统仿真分析

4．5．1 控制器降阶化

4．5．2 系统稳定特性

4．5．3 系统瞬态响应

4．6 本章小结

第5章 CTPS实验系统设计及控制算法验证

5．1 引言

5．2 CTPS实验系统设计

5．3 输出电压控制验证

5．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果