智能轨道列车动态无线供电系统无源控制研究

TM46; 互感变化会引起智能轨道列车动态无线供电系统输出功率波动,影响系统的稳定性和可靠性,而传统的线性控制策略动态性能差,不能很好地适应动态无线供电系统.为此,本文基于无源控制理论(PBC)提出了一种适用于智能轨道列车动态无线供电系统的恒功率控制策略.首先,介绍了智能轨道列车DWPT系统结构,建立了系统等效电路模型,分析了传输特性与启动特性,得到了实现系统恒功率输出所需条件.然后,在此基础上,推导出了DC-DC变换器的EL方程,验证了变换器的无源性;基于无源控制理论,通过能量塑造与虚拟阻尼注入设计了无源控制器,并通过控制流入副边DC-DC变换器电流期望值实现系统输出功率恒定.同时,设计了预...

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Published in工程科学与技术 Vol. 57; no. 1; pp. 308 - 317
Main Authors 刘华东, 赵万平, 乐文韬, 谭平安, 麦瑞坤
Format Journal Article
LanguageChinese
Published 中车株洲电力机车研究所有限公司,湖南 株洲 412001%湘潭大学 自动化与电子信息学院,湖南 湘潭 411105%中车株洲电力机车研究所有限公司,湖南 株洲 412001%西南交通大学 电气工程学院,四川 成都 611756 2025
西南交通大学 电气工程学院,四川 成都 611756
Subjects
constant power output
恒功率输出
无源控制
动态无线供电
passive-based control
智能轨道列车
dynamic wireless power transfer
autonomous-rail train
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ISSN2096-3246
DOI10.15961/j.jsuese.202300236

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Abstract TM46; 互感变化会引起智能轨道列车动态无线供电系统输出功率波动,影响系统的稳定性和可靠性,而传统的线性控制策略动态性能差,不能很好地适应动态无线供电系统.为此,本文基于无源控制理论(PBC)提出了一种适用于智能轨道列车动态无线供电系统的恒功率控制策略.首先,介绍了智能轨道列车DWPT系统结构,建立了系统等效电路模型,分析了传输特性与启动特性,得到了实现系统恒功率输出所需条件.然后,在此基础上,推导出了DC-DC变换器的EL方程,验证了变换器的无源性;基于无源控制理论,通过能量塑造与虚拟阻尼注入设计了无源控制器,并通过控制流入副边DC-DC变换器电流期望值实现系统输出功率恒定.同时,设计了预充回路保护电气设备,利用车载储能设备反向对DC-DC变换器中的储能元件进行预充电,以防止启动瞬间冲击电流过大.在MATLAB/Simulink中搭建相应的仿真模型进行仿真,并搭建300 kW智能轨道列车动态无线供电系统实验平台进行实验.仿真和实验结果表明:相对于传统控制策略,本文提出的PBC策略可使得DWPT系统输出功率不受互感波动的影响,平均功率维持在298.2 kW,且预充回路能抑制启动瞬间的冲击电流,证实了本文所提控制策略的有效性与正确性,具有响应速度快和鲁棒性强等优势.
AbstractList TM46; 互感变化会引起智能轨道列车动态无线供电系统输出功率波动,影响系统的稳定性和可靠性,而传统的线性控制策略动态性能差,不能很好地适应动态无线供电系统.为此,本文基于无源控制理论(PBC)提出了一种适用于智能轨道列车动态无线供电系统的恒功率控制策略.首先,介绍了智能轨道列车DWPT系统结构,建立了系统等效电路模型,分析了传输特性与启动特性,得到了实现系统恒功率输出所需条件.然后,在此基础上,推导出了DC-DC变换器的EL方程,验证了变换器的无源性;基于无源控制理论,通过能量塑造与虚拟阻尼注入设计了无源控制器,并通过控制流入副边DC-DC变换器电流期望值实现系统输出功率恒定.同时,设计了预充回路保护电气设备,利用车载储能设备反向对DC-DC变换器中的储能元件进行预充电,以防止启动瞬间冲击电流过大.在MATLAB/Simulink中搭建相应的仿真模型进行仿真,并搭建300 kW智能轨道列车动态无线供电系统实验平台进行实验.仿真和实验结果表明:相对于传统控制策略,本文提出的PBC策略可使得DWPT系统输出功率不受互感波动的影响,平均功率维持在298.2 kW,且预充回路能抑制启动瞬间的冲击电流,证实了本文所提控制策略的有效性与正确性,具有响应速度快和鲁棒性强等优势.
Abstract_FL Mutual inductance changes cause fluctuations in the output power of the dynamic wireless power transfer(DWPT)system for autonom-ous rail trains,affecting the stability and reliability of the system.Traditional linear control strategies exhibit poor dynamic performance and fail to adapt effectively to dynamic wireless power transfer systems.Based on passive control theory,this study proposes a constant power control strategy suitable for the DWPT system of autonomous rail trains,characterized by fast response and strong robustness.The structure of the autonomous-rail train DWPT system is introduced,and the equivalent circuit model of the system is established.The transmission and startup characteristics are analyzed,and the necessary conditions for achieving constant power output of the system are obtained.The EL equation of the DC-DC converter is derived to verify the passivity of the converter.A passive-based controller is designed through energy shaping and virtual damping injection,enabling the system output power to remain constant by controlling the expected value of the current flowing into the second-ary DC-DC converter.In addition,a pre-charging circuit is designed to protect the electrical equipment,utilizing the onboard energy storage device to reverse charge the energy storage elements in the DC-DC converter,preventing excessive transient impulse current during startup.A corresponding simulation model is built in MATLAB/Simulink,and a 300 kW DWPT system experimental platform for autonomous rail trains is established for testing.The simulation and experimental results showed that,compared to traditional control strategies,the proposed passive-based control strategy enables the DWPT system's output power to remain unaffected by mutual inductance fluctuations,maintaining an average power of 298.2 kW.In addition,the pre-charging circuit effectively suppresses inrush currents during startup.These results confirm the validity and cor-rectness of the proposed control strategy,highlighting its advantages,including fast response speed and strong robustness.
Author 刘华东
谭平安
赵万平
麦瑞坤
乐文韬
AuthorAffiliation 西南交通大学 电气工程学院,四川 成都 611756;中车株洲电力机车研究所有限公司,湖南 株洲 412001%湘潭大学 自动化与电子信息学院,湖南 湘潭 411105%中车株洲电力机车研究所有限公司,湖南 株洲 412001%西南交通大学 电气工程学院,四川 成都 611756
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