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

國內(nèi)電氣化鐵路低頻振蕩發(fā)生在動車組升弓整備時，低頻振蕩的頻率為3~7Hz；國外（挪威）電氣化鐵路需要旋轉(zhuǎn)變頻機組或靜止變流器進行供電制式的轉(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)生的機理及抑制低頻振蕩的措施，對預防牽引網(wǎng)低頻振蕩、確保高速動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。對牽引網(wǎng)低頻振蕩產(chǎn)生機理的研究，目前尚無定論，主流觀點認為低頻振蕩現(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。

• 有學者利用主導極點分析了低頻振蕩發(fā)生時機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；
• 有學者在整流器線性化閉環(huán)傳遞函數(shù)的基礎上，研究了低頻振蕩的機理；
• 有學者分析了多車接入牽引網(wǎng)的穩(wěn)定性，揭示了整流器負阻抗特性對低頻振蕩的影響。

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

• 有學者提出一種自適應自抗擾比例積分控制器，該控制算法提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應速度，增強了系統(tǒng)的魯棒性能，但該方法存在涉及參數(shù)多、不易整定等問題。
• 有學者提出了一種基于模型預測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。
• 有學者提出一種結合擴展狀態(tài)觀測器的改進預測控制方法，雖然存在較小的超調(diào)量，但該方法加快了整流器的響應速度。
• 有學者提出了一種基于H∞控制的整流器控制策略，具有較小的超調(diào)量，但電壓波動范圍較大，調(diào)節(jié)時間較長。
• 有學者設計了基于模型的預測電流控制算法，該算法控制下的整流器直流環(huán)節(jié)電壓波動范圍很小，但仍然存在超調(diào)量較大、調(diào)節(jié)時間較長的問題。
• 有學者提出了應用于CRH3型動車組整流器的無源控制策略（Passivity-Based Control, PBC），降低了系統(tǒng)響應的超調(diào)，減小了直流電壓的波動范圍，具有較好的穩(wěn)態(tài)性能，由于系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間較長，該方法很難得到良好的跟蹤效果。
• 有學者利用滑模結構（Sliding Mode Structure, SMS）較好地實現(xiàn)了快速響應和低超調(diào)量，但直流電壓波動范圍較大。

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)整定復雜、難以兼顧系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與動態(tài)性能、電壓波動較大等問題。

針對上述問題，北京交通大學電氣工程學院的研究人員提出一種基于外環(huán)電壓滑模結構的內(nèi)環(huán)電流無源控制策略（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)級聯(lián)模型拓撲

圖2 CRH5型動車組牽引動力單元拓撲結構

圖3 基于CPBC-SMS的PWM整流器控制系統(tǒng)結構

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源控制對整流器穩(wěn)態(tài)、動態(tài)特性的控制效果進行了比較；仿真對比驗證了CPBC-SMS控制策略對低頻振蕩的抑制效果。得到以下結論：

• 1）利用G-sum范數(shù)判據(jù)分析了動車組輸入導納對車網(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列動車組同時升弓整備。
• 2）CPBC-SMS結合了滑模結構與無源控制的優(yōu)點，進一步增強了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能；CPBC-SMS增強了車網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，該控制下低頻振蕩的臨界條件：15列動車組同時升弓整備。
• 3）CPBC-SMS控制策略對動車組整流器的控制性能優(yōu)于傳統(tǒng)PI控制、無源控制、滑?？刂?，實現(xiàn)了整流器快速、無超調(diào)的調(diào)節(jié)，且穩(wěn)態(tài)直流環(huán)節(jié)電壓波動最小。
• 4）在CPBC-SMS控制下，網(wǎng)側(cè)、車側(cè)電氣量快速、無超調(diào)地到達穩(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《電工技術學報》，論文標題為“基于滑模結構無源控制的車網(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。