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隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，多種型號(hào)的動(dòng)車組在改造既有線、新建高速鐵路上高密度運(yùn)行，這也意味著大量電力電子變換器接入了牽引供電系統(tǒng)，導(dǎo)致各種車網(wǎng)電氣耦合性問(wèn)題日益突出。近年來(lái)多區(qū)域出現(xiàn)牽引網(wǎng)低頻振蕩現(xiàn)象，觸發(fā)電力機(jī)車/動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的閉鎖邏輯，嚴(yán)重影響了鐵路的正常行車秩序。

國(guó)內(nèi)電氣化鐵路低頻振蕩發(fā)生在動(dòng)車組升弓整備時(shí)，低頻振蕩的頻率為3~7Hz；國(guó)外（挪威）電氣化鐵路需要旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組或靜止變流器進(jìn)行供電制式的轉(zhuǎn)換，低頻振蕩的頻率為1.2~1.9Hz。因此，研究牽引網(wǎng)低頻振蕩產(chǎn)生的機(jī)理及抑制低頻振蕩的措施，對(duì)預(yù)防牽引網(wǎng)低頻振蕩、確保高速動(dòng)車組行車安全具有重要意義。

牽引網(wǎng)低頻振蕩不同于電力系統(tǒng)中并網(wǎng)變流器引起的振蕩。對(duì)牽引網(wǎng)低頻振蕩產(chǎn)生機(jī)理的研究，目前尚無(wú)定論，主流觀點(diǎn)認(rèn)為低頻振蕩現(xiàn)象由車網(wǎng)電氣耦合系統(tǒng)（Electric Multiple Units and Traction Network Coupling System, EMUs-TNCS）參數(shù)不匹配造成。

• 有學(xué)者利用主導(dǎo)極點(diǎn)分析了低頻振蕩發(fā)生時(shí)機(jī)車阻抗在低頻段的變化規(guī)律，給出了調(diào)節(jié)控制參數(shù)抑制低頻振蕩的最優(yōu)順序；
• 有學(xué)者在整流器線性化閉環(huán)傳遞函數(shù)的基礎(chǔ)上，研究了低頻振蕩的機(jī)理；
• 有學(xué)者分析了多車接入牽引網(wǎng)的穩(wěn)定性，揭示了整流器負(fù)阻抗特性對(duì)低頻振蕩的影響。

對(duì)于抑制措施的研究，主要從優(yōu)化動(dòng)車組網(wǎng)側(cè)PWM整流器控制算法著手。

• 有學(xué)者提出一種自適應(yīng)自抗擾比例積分控制器，該控制算法提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性能，但該方法存在涉及參數(shù)多、不易整定等問(wèn)題。
• 有學(xué)者提出了一種基于模型預(yù)測(cè)的直接功率控制方法，性能優(yōu)于傳統(tǒng)的瞬態(tài)直接電流控制，但該方法直流環(huán)節(jié)電壓超調(diào)量較大。
• 有學(xué)者提出一種結(jié)合擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測(cè)器的改進(jìn)預(yù)測(cè)控制方法，雖然存在較小的超調(diào)量，但該方法加快了整流器的響應(yīng)速度。
• 有學(xué)者提出了一種基于H∞控制的整流器控制策略，具有較小的超調(diào)量，但電壓波動(dòng)范圍較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)。
• 有學(xué)者設(shè)計(jì)了基于模型的預(yù)測(cè)電流控制算法，該算法控制下的整流器直流環(huán)節(jié)電壓波動(dòng)范圍很小，但仍然存在超調(diào)量較大、調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)的問(wèn)題。
• 有學(xué)者提出了應(yīng)用于CRH3型動(dòng)車組整流器的無(wú)源控制策略（Passivity-Based Control, PBC），降低了系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)，減小了直流電壓的波動(dòng)范圍，具有較好的穩(wěn)態(tài)性能，由于系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，該方法很難得到良好的跟蹤效果。
• 有學(xué)者利用滑模結(jié)構(gòu)（Sliding Mode Structure, SMS）較好地實(shí)現(xiàn)了快速響應(yīng)和低超調(diào)量，但直流電壓波動(dòng)范圍較大。

上述抑制措施雖然在一定程度上抑制了牽引網(wǎng)低頻振蕩現(xiàn)象，但控制算法存在參數(shù)整定復(fù)雜、難以兼顧系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)性能、電壓波動(dòng)較大等問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員提出一種基于外環(huán)電壓滑模結(jié)構(gòu)的內(nèi)環(huán)電流無(wú)源控制策略（Current Passivity-Based Control of Sliding Mode Structure, CPBC-SMS），提供更可靠的低頻振蕩抑制功能。

圖1 車網(wǎng)耦合系統(tǒng)級(jí)聯(lián)模型拓?fù)?/p>

圖2 CRH5型動(dòng)車組牽引動(dòng)力單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3 基于CPBC-SMS的PWM整流器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

研究者利用G-sum范數(shù)判據(jù)分析了CPBC-SMS控制策略維持車網(wǎng)耦合系統(tǒng)穩(wěn)定性的能力，并將提出的算法與傳統(tǒng)PI、滑?？刂啤o(wú)源控制對(duì)整流器穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)特性的控制效果進(jìn)行了比較；仿真對(duì)比驗(yàn)證了CPBC-SMS控制策略對(duì)低頻振蕩的抑制效果。得到以下結(jié)論：

• 1）利用G-sum范數(shù)判據(jù)分析了動(dòng)車組輸入導(dǎo)納對(duì)車網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，得到車網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩的臨界條件：6列動(dòng)車組同時(shí)升弓整備。
• 2）CPBC-SMS結(jié)合了滑模結(jié)構(gòu)與無(wú)源控制的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能；CPBC-SMS增強(qiáng)了車網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，該控制下低頻振蕩的臨界條件：15列動(dòng)車組同時(shí)升弓整備。
• 3）CPBC-SMS控制策略對(duì)動(dòng)車組整流器的控制性能優(yōu)于傳統(tǒng)PI控制、無(wú)源控制、滑?？刂疲瑢?shí)現(xiàn)了整流器快速、無(wú)超調(diào)的調(diào)節(jié)，且穩(wěn)態(tài)直流環(huán)節(jié)電壓波動(dòng)最小。
• 4）在CPBC-SMS控制下，網(wǎng)側(cè)、車側(cè)電氣量快速、無(wú)超調(diào)地到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，較好地維持了車網(wǎng)耦合系統(tǒng)的穩(wěn)定性，說(shuō)明提出的CPBC-SMS控制策略能有效抑制車網(wǎng)耦合系統(tǒng)低頻振蕩現(xiàn)象。

以上研究成果發(fā)表在2020年第3期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“基于滑模結(jié)構(gòu)無(wú)源控制的車網(wǎng)耦合系統(tǒng)低頻振蕩抑制方法”，作者為王迎晨、楊少兵、宋可薦、吳命利。