(論文)單神經(jīng)元PWM控制在軌道交通PWM整流器中的應(yīng)用研究本科論文(2013年優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計論文)

本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 題目：單單神神經(jīng)經(jīng)元元 PWM 控制在控制在軌軌道交通道交通 PWM 整流器中的整流器中的應(yīng)應(yīng)用研究用研究 姓名： 學號： 班級： 本科生畢業(yè)設(shè) 計 姓 名： 學 號： ： 學 院： 信息與信息與電電氣工程學院氣工程學院 專 業(yè)： 電電氣工程及其自氣工程及其自動動化化 設(shè)計題目： 單單神神經(jīng)經(jīng)元元 PWM 控制在控制在軌軌道交通道交通 PWM 整整 流器中的流器中的應(yīng)應(yīng)用用 專 題： 指導教師： 職 稱： 中國礦業(yè)大學畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書 學院 信息與信息與電電氣工程學院氣工程學院 專業(yè)年級 學生姓名 任任務(wù)務(wù)下下達達日日期期： 年年 月月 日日 畢業(yè)設(shè)計日期：畢業(yè)設(shè)計日期： 年年 月月 日至日至 年年 月月 日日 畢業(yè)設(shè)計題目：畢業(yè)設(shè)計題目： 畢業(yè)設(shè)計專題題目：畢業(yè)設(shè)計專題題目： 畢業(yè)設(shè)計主要內(nèi)容和要求：畢業(yè)設(shè)計主要內(nèi)容和要求： 院長簽字： 指導教師簽字： 中國礦業(yè)大學畢業(yè)設(shè)計指導教師評閱書 指導教師評語（基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；獨立解決實際問題的 能力；研究內(nèi)容的理論依據(jù)和技術(shù)方法；取得的主要成果及創(chuàng)新點； 工作態(tài)度及工作量；總體評價及建議成績；存在問題；是否同意 答辯等）： 成 績： 指導教師簽字： 年 月 日 中國礦業(yè)大學畢業(yè)設(shè)計評閱教師評閱書 評閱教師評語（選題的意義；基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；綜合 運用所學知識解決實際問題的能力；工作量的大?。蝗〉玫闹饕晒?及創(chuàng)新點；寫作的規(guī)范程度；總體評價及建議成績；存在問題； 是否同意答辯等）： 成 績： 評閱教師簽字： 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計答辯及綜合成績 答 辯 情 況 回 答 問 題 提 出 問 題 正 確 基本 正確 有一 般性 錯誤 有原 則性 錯誤 沒有 回答 答辯委員會評語及建議成績： 答辯委員會主任簽字： 年 月 日 學院領(lǐng)導小組綜合評定成績： 學院領(lǐng)導小組負責人： 年 月 日 摘 要 消除電網(wǎng)諧波污染、提高功率因數(shù)是電力電子領(lǐng)域研究的重大課題。 由于 PWM 整流技術(shù)具有高功率因數(shù)、低諧波污染、能量雙向流動、小容量 儲能環(huán)節(jié)、恒定直流電壓控制等優(yōu)點，因此對高功率因數(shù)的三相 PWM 整 流器的研究己成為當今國內(nèi)外研究的熱點，如果能將之應(yīng)用在城市軌道交 通直流牽引供電電源系統(tǒng)中將有著重大的現(xiàn)實意義。 本文首先本文對城市軌道交通直流牽引整流器的主電路拓撲結(jié)構(gòu)進行 了設(shè)計，完成了三相橋式 PWM 整流器的主電路和參數(shù)選擇。從控制角度 出發(fā)，經(jīng)過比較分析選擇了基于直接電流控制和 SVPWM 控制方法對三相 電壓型 PWM 整流器進行雙閉環(huán)控制，其中電壓環(huán)(外環(huán))采用單神經(jīng)元 PID 控制，電流環(huán)(內(nèi)環(huán))仍采用傳統(tǒng)的 PI 調(diào)節(jié)。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自適應(yīng)和自 學習能力，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對傳統(tǒng)的 PID 控制器進行改造后的單神經(jīng)元 PID，對工業(yè)控制中的復雜系統(tǒng)的控制有著更好的控制效果，可以有效地改 善由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)變化而導致的控制效果不穩(wěn)定的狀況。 最后建立整個系統(tǒng)的 SIMULINK仿真模型，對其進行了仿真分析，通過 仿真結(jié)果驗證了基于單神經(jīng)元 PWM 控制的三相 PWM 整流器在地鐵、輕軌 等直流牽引供電電源中用作牽引整流器的可行性，也驗證了針對其應(yīng)用而 提出的控制方法和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計方法的正確性。 關(guān)鍵詞：三相電壓型 PWM 整流器、SVPWM、雙閉環(huán)控制、單神經(jīng)元 PID ABSTRACT Eliminating harmonic pollution and improving power factor are a very important task in the field of power electronics.Due to advantage of three-phase PWM rectifier like higher power factor and lower harmonic pollution, the research of three-phase PWM rectifier is becoming the researching hotspot on international and native. So it is significant to bring it to the DC traction power supply system for urban mass transit. At first ,this passage designs the main circuit and calculate the parameters of the Boost type Three-phase PWM Rectifier. From the control point of view, through a comparative analysis of selection, we choose the direct current control and SVPWM current decoupling control method of three-phase voltage-type PWM rectifier dual closed-loop control, including voltage loop (outer) single-neuron PID control, current loop ( inner ring) is still using the traditional PI regulator . As the neural network with adaptive and self-learning ability, the use of neural network PID controller for the traditional post-transformed single neuron PID, control of complex industrial control systems have a better control effect, can effectively improve as a result of system structure and parameters of change in control resulting from the situation of instability Finally, the establishment of the whole system Simulink simulation model, their simulation analysis, through simulation results show the single neuron-based PWM control of three-phase PWM rectifier in the subway, light rail, such as DC traction power supply in the feasibility for traction rectifier ,also verify that their application for the proposed control method and system parameter design method. Keywords：Three-phase voltage PWM rectifier ; Space vector PWM (SVPWM); Double cyclic control system; single neuron PID 目 錄 1 概述1 1.1 城軌交通直流牽引供電系統(tǒng).1 1.2 城軌交通牽引變電所的整流裝置.3 1.2.1 整流技術(shù)相關(guān)知識和整流技術(shù)的發(fā)展3 1.2.2 諧波與功率因數(shù)定義4 1.2.3 牽引變電所整流機組4 1.3 PWM 控制整流器研究概況5 1.3.1 PWM 控制整流器的發(fā)展.5 1.3.2 PWM 整流器工作原理.5 1.3.3 PWM 整流器的分類.7 1.4 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本概念及特點.8 1.4.1 神經(jīng)元結(jié)構(gòu)及神經(jīng)元信息處理機理.8 1.4.2 人工神經(jīng)元的數(shù)學模型10 2 軌道交通直流牽引變電所整流器主電路拓撲數(shù)學模型的建立及參數(shù)的計算 .11 2.1 主電路拓撲結(jié)構(gòu)的選擇及其數(shù)學模型的建立11 2.1.1 三相 VSR 一般數(shù)學模型12 2.1.2 三相系統(tǒng)的矢量描述和坐標變換13 2.1.3 （d q）坐標系下的三相 VSR 數(shù)學模型15 2.2 三相 VSR 系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計與仿真.17 2.2.1 VSR 直流側(cè)與交流側(cè)電壓的確定與分析.17 2.2.2 VSR 交流側(cè)電感的分析與設(shè)計18 2.2.3 VSR 直流側(cè)電容容量的分析與設(shè)計.21 2.2.4 軌道交通直流牽引供電換流器的參數(shù)計算.22 3 軌道交通直流牽引供電整流器控制系統(tǒng)的設(shè)計23 3.1 PWM 整流器的控制策略 23 3.2 單神經(jīng)元自適應(yīng) PID 控制器24 3.2.1 單神經(jīng)元自適應(yīng) PID 原理.24 3.2.2 單神經(jīng)元自適應(yīng) PID 控制器的實現(xiàn).25 3.2.3 復合型單神經(jīng)元 PID29 3.3 三相 VSR 控制系統(tǒng)的雙閉環(huán)控制設(shè)計.30 3.3.1 電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計30 3.3.2 基于單神經(jīng)元 PID 控制的電壓外環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計.35 4 三相 VSR 的 SVPWM 調(diào)制技術(shù)及其算法實現(xiàn)39 4.1.三相兩電平 VSR 空間電壓矢量分布及合成.40 4.2 SVPWM 驅(qū)動信號生成算法及其仿真.42 4.2.1 一種線電壓控制策略的多電平通用的空間矢量算法原理簡介及實 現(xiàn).43 4.2.2 基于 MATLAB 的兩電平算法的仿真試驗.45 5 軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)測試與仿真.49 5.1 基于復合單神經(jīng)元 PWM 控制與單神經(jīng)元 PWM 控制的軌道交通直流 牽引供電系統(tǒng)的仿真比較分析.51 5.2 基于復合單神經(jīng)元 PWM 控制的系統(tǒng)交流側(cè)ID、IQ分析.53 5.3 系統(tǒng)負載突變時仿真分析54 5.4 系統(tǒng)交流側(cè)輸入電流諧波分析.56 5.5 系統(tǒng)在有源逆變工作狀態(tài)下性能分析.56 6 結(jié)論.58 7 參考文獻.59 8 英文原文61 9 中文譯文71 10 致謝80 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 1 頁 1 概述概述 1.1 城軌交通直流牽引供電系統(tǒng) 軌道交通作為現(xiàn)代化城市的交通工具，由于其運量大、速度快、安全 可靠、準點舒適、綠色環(huán)保，能夠有效緩解城市交通擁擠的狀況，提高城 市公共交通的服務(wù)水平，改善城市居民的出行結(jié)構(gòu)，因此越來越受到世界 各國的普遍重視。我國從上世紀 60 年代發(fā)展大運量軌道交通，到目前已有 40 多年的發(fā)展歷史。迫于城市交通的壓力，國內(nèi)各大市紛紛擬建地鐵交通， 但一直因造價太高而卻步。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，百萬人口城市的增多， 仍然采用傳統(tǒng)的公共汽車和無軌電車來完成客運的做法，已經(jīng)越來越不能 滿足城市居民高頻率出行和城市交通發(fā)展的需要。而軌道交通可以緩解大 城市交通擁堵的狀況，且具有運量大、速度快、準時、能耗小、污染少、 占地省等優(yōu)點。1因而目前許多大城市已開始考慮和策劃修建軌道交通體 系。繼北京、上海、廣州、天津、深圳等城市相繼建成地鐵之后，重慶、 長春、南京、武漢、無錫等城市的軌道交通也正在大規(guī)模的建設(shè)之中。 城市軌道交通技術(shù)裝備體現(xiàn)了技術(shù)上的多學科性和產(chǎn)業(yè)上的跨行業(yè)性。 這是一個規(guī)模龐大，專業(yè)分工很細的大系統(tǒng)，包括線路、車輛、供電、通 信、信號、防災(zāi)報警、機電設(shè)備監(jiān)控、自動售檢票等專業(yè)，在這個龐大的 交通運輸體系中供電系統(tǒng)是其他部分的能量來源，這決定了它是軌道交通 系統(tǒng)中最為基礎(chǔ)關(guān)鍵的組成部分，也就對軌道交通供電系統(tǒng)的研究和發(fā)展 提出了迫切的需求和很高的要求2。 軌道交通的供電系統(tǒng)3如圖 1，包括高、中、低壓交流供電系統(tǒng)、直 流供電系統(tǒng)以及電力集中監(jiān)控系統(tǒng)等。其中直流供電系統(tǒng)是軌道交通最關(guān) 鍵的供電系統(tǒng)。城軌交通供電系統(tǒng)的變電所除電源變電所(或稱高壓變電所) 外，一般包括牽引變電所、降壓變電所和牽引降壓(混合)變電所三種。牽引 變電所是只供給地鐵、輕軌電動車輛電能。降壓變電所是將 10kV 電源降壓 為 380V/220V 動力照明電源的變電所，它一般設(shè)置在車站內(nèi)。牽引降壓變 電所是這兩種變電所的結(jié)合，具有牽引和動力照明兩種電源，它一般也是 設(shè)置在車站。 城市軌道牽引供電系統(tǒng)通常應(yīng)該包括:主降壓變電站、直流牽引變電所、 饋電線、接觸網(wǎng)、走行軌及回流線等。其中直流牽引變電所將三相高壓交 流電變成適合電動車輛應(yīng)用的低壓直流電，也是本論文重點關(guān)注的部分。 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 2 頁 12 2 1 3 4 5 697 8 城市電網(wǎng) 主變電所 牽引變電所 1發(fā)電廠； 2升降變電站； 3電力網(wǎng)； 4主降壓變電站 5直流牽引變電所 6饋電線 7接觸網(wǎng) 8走行軌道 9回流線 圖 1-1 城市軌道交通牽引供電系統(tǒng) 考慮到直流饋電相對交流饋電具有調(diào)速范圍大、調(diào)速方便、易于控制、 車輛起制動平穩(wěn)、電壓質(zhì)量高等優(yōu)點，當前城市軌道交通幾乎毫不例外地 都采用直流供電制式。城市軌道交通運輸?shù)牧熊嚬β什⒉皇呛艽螅涔╇?半徑也不大，因此供電電壓不需要太高。另外由于城市內(nèi)的軌道交通、供 電線路都處在城市建筑群之間，為確保安全，供電電壓本身也不適宜太高。 。 關(guān)于直流制式的電壓等級應(yīng)用情況大致如下:干線電氣化鐵路的直流供 電電壓其值一般為 1.5kV 左右，目前世界各國城市軌道交通的供電電壓都 在直流 5501500V 之間，但其檔級很多，如 570V、600V、625V、65OV、700V、750V、780V、825V、900V、1000V 、1100V、1200V、1500V 等，這是由各種不同交通形式，不同發(fā)展歷史時 期造成的。根據(jù)我國國家標準地鐵直流牽引供電系統(tǒng)(GBI04n 一 89)和 城市無軌電車和有軌電車供電系統(tǒng)(GB5951 一 86)的規(guī)定，并參考國際 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 3 頁 上城市地鐵和輕軌線路普遍采用的供電制式和發(fā)展趨向，建議我國城市地 鐵、輕軌線路牽引電壓制式采用 750V 和 1500V 兩種，其電壓允許波動范 圍分別為 5001000V，9001800V，不推薦現(xiàn)有的 600V、825V 兩種，從經(jīng) 濟角度看，選用 1500V 為好，它可以增加牽引供電距離，減少牽引變電所 數(shù)量，節(jié)約投資和運行費用，同時還可以提高牽引供電電壓質(zhì)量，減少雜 散電流。但采用 1500V 提高了牽引變電所和車輛直流電器電機設(shè)備的電壓 絕緣水平，增加了電氣設(shè)備的投資4。對于城市無軌電車和有軌電車系統(tǒng)， 推薦采用 750v 直流供電制式。 1.2 城軌交通牽引變電所的整流裝置 1.2.1 整流技術(shù)相關(guān)知識和整流技術(shù)的發(fā)展整流技術(shù)相關(guān)知識和整流技術(shù)的發(fā)展 在電能基本轉(zhuǎn)換形式中，AC/DC 最早出現(xiàn)，AC/DC 變換電路指能夠直 接將交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路，泛稱整流電路。在應(yīng)用中構(gòu)成直流 電源裝置，是公用電網(wǎng)與電力電子裝置的接口電路，其性能將影響公用電 網(wǎng)的運行和用電質(zhì)量。 整流電路的主要作用： 1.調(diào)壓：指直流輸出電壓隨電網(wǎng)電壓的變化而增減； 2.穩(wěn)壓：指電網(wǎng)電壓不變時，直流輸出電壓應(yīng)在網(wǎng)側(cè)電壓波動和負載變 化時維持恒定。 在城市軌道交通供電以及工礦運輸?shù)扔秒娤到y(tǒng)中，都要用到大容量的 整流裝置，傳統(tǒng)的整流裝置都是采用不控或相控整流的方式，這種方法存 在如下一些缺點5。 (1)輸入電流包含大量的高次諧波，高次諧波電流在電網(wǎng)中流通將在線 路阻抗上形成干擾電壓，造成嚴重的諧波污染，干擾其它設(shè)備; (2)從電網(wǎng)吸取無功功率，使輸入功率因數(shù)降低; (3)由于諧波的存在，整流器輸入電流的額定值增大，增加了線路損耗， 也提高了保險絲、斷路器以及傳輸線的規(guī)格。整流器的效率降低; (4)由于換流過程將引起電網(wǎng)電壓波形畸變; (5)電壓調(diào)節(jié)的快速性差。 工程實際中為了提高整流器的功率因數(shù)有以下幾種方案6。 (l)基于晶閘管相控整流器的多重化設(shè)計; (2)基于二極管整流的多重化設(shè)計; (3)基于斬波器的二極管整流設(shè)計; (4)采用 PWM 整流器拓撲結(jié)構(gòu)的高功率因數(shù)整流器設(shè)計 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 4 頁 在三相橋式整流電路的基礎(chǔ)上增加整流相，如采用若干相位彼此錯開 的多個整流機組串聯(lián)或者并聯(lián)起來，以構(gòu)成更多脈波的整流輸出，即稱為 多重化整流技術(shù)。通過多重化的整流技術(shù)，在一定程度上可以提高系統(tǒng)的 功率因數(shù)，改善對電網(wǎng)的干擾，但嚴格意義上講，這仍然不能算作是單位 功率因數(shù)變流器，因為它們是通過減少網(wǎng)側(cè)諧波電流來提高整流器的功率 因數(shù)，所以還不是最理想的狀態(tài)。 目前國內(nèi)軌道交通牽引的直流供電系統(tǒng)中，正在經(jīng)歷著從十二相多重 化整流向二十四相多重化整流的過渡階段，本文則嘗試采用基于單神經(jīng)元 PWM 控制的整流技術(shù)對軌道交通直流牽引供電換流器進行設(shè)計。 1.2.2 諧波與功率因數(shù)定義諧波與功率因數(shù)定義 由上面的章節(jié)可以注意到諧波與功率因數(shù)是整流技術(shù)中重點關(guān)注的問 題，這倆個問題直接聯(lián)系到整流技術(shù)的作用，下文對這倆個概念做簡單介 紹。 諧波含義為：“是一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率 的整數(shù)倍數(shù)”。由于諧波頻率是基波頻率的整數(shù)倍數(shù)，我們通常稱之為高 次諧波。 非線性負荷接至供電系統(tǒng)以及供電系統(tǒng)中本身存在非線性元件，是造 成電網(wǎng)電壓、電流波形畸變的根本原因。軌道交通供電系統(tǒng)中的波形畸變 則主要來源于車輛牽引供電的整流、逆變裝置，其次是直流電源成套裝置 及其他電子裝置。 根據(jù)電路的基本理論，功率因數(shù)（PF）定義為有功功率（P）與視在功 率（S）的比值,用公式表示為： (1.1) I I IU IU S P PF 11 1 111 coscos 式中：為電流基波有效值；為電網(wǎng)電流有效值， 1 II ，其中，為輸入電流各次諧波的有效值； 22 2 2 1n IIII 1 I 2 I n I 為輸入電壓基波有效值；為基波電壓和基波電流的位移因數(shù)。 1 U 1 cos 可見，功率因數(shù)由決定。越小，則設(shè)備的無功功率越大， 1 cos 1 cos 設(shè)備利用率越低，導線和變壓器組損耗越大。而諧波會造成電流波形畸變， 對電網(wǎng)造成污染，也會使功率因數(shù)降低，因而抑制諧波分量也可以達到提 高功率因數(shù)的目的7。 1.2.3 牽引變電所整流機組牽引變電所整流機組 地鐵、輕軌交通和工礦運輸直流牽引變電所的主結(jié)線，包括高壓交流 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 5 頁 (10Kv35kV)受配電系統(tǒng)和直流(0.75kV1.5kV)受饋電系統(tǒng)兩部分，整流 機組(整流變壓器整流器組)則是作為交、直流系統(tǒng)變換的重要環(huán)節(jié)設(shè)置的 8。 牽引變電所的主要功能為:將其交流進線電壓通過整流變壓器降壓，然 后經(jīng)整流器將交流電變成直流電供電動車輛的直流牽引電動機用。為了提 高直流電的供電質(zhì)量，降低直流電源的脈動(波動)量，目前通常采用的是多 相整流的方法，它可以是六相、十二相整流，還可以增加到二十四相整流。 為此，整流變壓器不僅僅起降壓作用，還要將三相交流電變成多相交流電 供整流器整流。整流變壓器與整流器合稱為整流裝置。 整流機組從提高變壓器利用率、減少注入電網(wǎng)諧波含量兩方面考慮， 可以在三相橋式整流電路的基礎(chǔ)上增加整流相數(shù)。如用三相橋式整流電路 構(gòu)成十二相脈動整流或等效十二相整流的接線方式，但本論文將不做重點 介紹。 1.3 PWM 控制整流器研究概況 1.3.1 PWM 控制整流器的發(fā)展控制整流器的發(fā)展 功率半導體開關(guān)器件技術(shù)的進步，促進了電力電子變流裝置技術(shù)的迅 速發(fā)展，出現(xiàn)了以脈寬調(diào)制(PWM)控制為基礎(chǔ)的各類變流裝置，如變頻器、 逆變電源、高頻開關(guān)電源以及各類特種變流器等，這些變流裝置在國民經(jīng) 濟各領(lǐng)域中取得了廣泛應(yīng)用。 消除諧波污染并提高功率因數(shù)，己成為城市軌道交通供電系統(tǒng)乃至電 力電子技術(shù)中一個重大課題。我們知道降低電力電子裝置的諧波污染并提 高功率因數(shù)的基本方法有兩種：一種是被動式，即裝設(shè)諧波補償裝置來補 償諧波，如有源濾波(APF)、靜止無功補償(SVC)等；另一種方法是主動式 的，即設(shè)計輸入電流為正弦、諧波含量低、功率因數(shù)高的整流器。通過 PWM 調(diào)制技術(shù)控制 PWM 整流電路，使其輸入電流非常接近正弦波，且和輸入電 壓同相位，功率因數(shù)近似為 1，這種電路常稱之為 PWM 整流器、單位功率因 數(shù) PWM 變流器或高功率因數(shù) PWM 整流器。在本文中統(tǒng)一稱為 PWM 整流器。 1.3.2 PWM 整流器工作原理整流器工作原理 PWM 整流器已不是一般傳統(tǒng)意義上的 AC/DC 變換器，由于電能的雙向傳 輸，當 PWM 整流器從電網(wǎng)吸取電能時，其運行于整流工作狀態(tài)；而當 PWM 整流器向電網(wǎng)傳輸電能時，其運行于有源逆變狀態(tài)。所謂單位功率因數(shù)是 指：輸入電流波形正弦，且當 PWM 整流器運行于整流狀態(tài)時，網(wǎng)側(cè)電壓、 電流同相位；當 PWM 整流器運行于有源逆變狀態(tài)時，其網(wǎng)側(cè)電壓、電流反 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 6 頁 相位。進一步研究表明，由于 PWM 整流器其網(wǎng)側(cè)電流及功率因數(shù)均可控， 因而可被推廣用于有源電力濾波及無功補償?shù)确钦鲬?yīng)用場合。 PWM 整流器實際上是一個交、直流側(cè)可控的四象限運行的交流裝置， 為方便于理解，以下首先從模型電路闡述 PWM 整流器的原理。圖 1.2 為 PWM 整流器模型電路，可以看出：PWM 整流器模型電路由交流回路、功率開關(guān)管 橋路以及直流回路組成。其中交流回路包括交流電動勢 e 以及網(wǎng)側(cè)電感 L 等；直流回路包括負載電阻 R L 及負載電動勢 e L 等；功率開關(guān)管橋路可 由電壓型或電流型橋路組成。 AC L i v Vdc Idc Rl + - 圖 1.2PWM 整流電路模型 當不及功率開關(guān)管橋路損耗時，由交、直流側(cè)功率平衡關(guān)系可得： (1.2)(1.2) dcdcv iiv 由上式不難理解：通過模型電路交流側(cè)的控制，就可以控制其直流側(cè)， 反之也成立。以下著重從模型電路交流側(cè)入手，分析 PWM 整流器的運行狀 態(tài)和控制原理。 穩(wěn)態(tài)條件下，PWM 整流器交流側(cè)矢量關(guān)系如圖 1.3 所示。 O N U V L V I （a）純電感特性運行 O N U V L V I （b）單位功率因數(shù)運行 O N U V L V I （c）無功補償運行特性 O N U V L V I （d）逆變特性運行 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 7 頁 圖 1.3PWM 整流電路交流側(cè)運行向量圖 為簡化分析，對于 PWM 整流器模型電路，只考慮基波分量而忽略 PWM 諧波分量，并且不計交流側(cè)電阻。這樣可從圖 1.3 分析：當以電網(wǎng)電動勢 矢量為參考時，通過控制流電壓矢量 V 即可實現(xiàn) PWM 整流器的四象限運行。 若假設(shè) |I |不變，因此也固定不變，在這種情況下，PWM 整流ILVL 器交流電壓矢量 V 端點運動軌跡構(gòu)成了一個以|VL |為半徑的圓。當電壓矢 量 V 端點位于圓軌跡 A 點時，電流矢量 I 比電動勢矢量 E 滯后 90此時 PWM 整流器網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)純電感特性，如圖 1.3a 所示；當電壓矢量 V 端點運 動至圓軌跡 B 點時，電流矢量 I 與電動勢 E 平行且同向，此時 PWM 整流器 網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)正電阻特性，如圖 1.3b 所示；當電壓矢量 V 端點運動至圓軌跡 C 點時，電流矢量 I 比電動勢矢量 E 超前 90，此時 PWM 整流器網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)純 電容特性，如圖 1.3 所示；當電壓矢量 V 端點運動至圓軌跡 D 點時，電流 矢量 I 與電動勢矢量 E 平行且反向，此時 PWM 整流器網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)負阻特性， 如圖 1.3d 所示。以上，A，B，C，D 四點是 PWM 整流器四象限運行的特殊工 作狀態(tài)點，進一步分析，可得 PWM 整流器四象限運行規(guī)律如下： （1）電壓矢量 V 端點在圓軌跡 AB 上運動時，PWM 整流器運行于整流狀 態(tài)。此時，PWM 整流器需從電網(wǎng)吸收有功及感性無功功率，電能將通過 PWM 整流器由電網(wǎng)傳輸至直流負載。值得注意的是，當 PWM 整流器運行在 B 點時，則實現(xiàn)單位功率因數(shù)整流制；而在 A 點運行時，PWM 整流器則不從 電網(wǎng)吸收有功功率。 （2）電壓矢量 V 端點在圓軌跡 BC 上運動時，PWM 整流器運行于整流狀 態(tài)。此時，WM 整流器需從電網(wǎng)吸收有功及容性無功功率，電能將通過 PWM 整流器由電網(wǎng)傳輸直流負載。當 PWM 整流器運行在 C 點時， PWM 整流器將 不從電網(wǎng)吸收有功功率，只從電網(wǎng)吸收容性無功功率。 （3）電壓矢量 V 端點在圓軌跡 CD 上運動時，PWM 整流器運行于有源逆 變狀態(tài)。時，PWM 整流器向電網(wǎng)傳輸有功及容性無功功率，電能將從 PWM 整 流器直流側(cè)傳至電網(wǎng)。當 PWM 整流器運行在 D 點時， 便可實現(xiàn)單位功率因 數(shù)有源逆變控制。 （4）電壓矢量 V 端點在圓軌跡 DA 上運動時，PWM 整流器運行于有源逆 變狀態(tài)。此時，PWM 整流器向電網(wǎng)傳輸有功及感性無功功率，電能將從 PWM 整流器直流側(cè)傳輸至電網(wǎng)。 由以上分析可知，若要實現(xiàn) PWM 整流器的四象限運行，關(guān)鍵在于網(wǎng)側(cè) 電流的控制，首先可以通過控制 PWM 整流器交流側(cè)電壓，來間接控制其網(wǎng) 側(cè)電流；其次可以通過閉環(huán)控制來直接控制 PWM 整流器的網(wǎng)側(cè)電流。 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 8 頁 1.3.3 PWM 整流器的分類整流器的分類 已經(jīng)設(shè)計出的 PWM 整流器可以分類如下 多電平電路 三電平電路 二電平電路 按調(diào)制電平分類 全橋開關(guān) 半橋開關(guān) 按橋路結(jié)構(gòu)分類 軟開關(guān)調(diào)制 硬開關(guān)調(diào)制 開關(guān)調(diào)制分類按 多相開關(guān) 三相開關(guān) 單相開關(guān) 按電網(wǎng)相數(shù)分類 電流型 電壓型 按直流儲能形式分類 整流器PWMPWM 盡管分類方法多種多樣，但最基本的分類方法就是將 PWM 整流器分類 成電壓型和電流型兩大類，這主要是因為電壓型、電流型 PWM 整流器，無 論是在主電路結(jié)構(gòu)、PWM 信號發(fā)生以及控制策略等方面均有各自的特點，并 且兩者間存在電路上的對偶性。其他分類方法就主電路拓撲結(jié)構(gòu)而言，均 可歸類于電流型或電壓型 PWM 整流器之列。 電壓型 PWM 整流器（Voltage Source RectiferVSR，以下簡稱為 “VSR”）最顯著拓撲特征是直流側(cè)采用電容進行直流儲能，從而使 VSR 直流側(cè)呈低阻抗的電壓源特性；而電流型 PWM 整流器（Current Source RectiferCSR）最顯著拓撲特征是直流側(cè)采用電感進行直流儲能，從而使 CSR 直流側(cè)呈高阻抗的電流源特性9。考慮到地鐵車輛的實際運行情況中， 有著頻繁的加減速運行，使得地鐵車輛所需的電流是不斷變化的，加之所 提供電能的電網(wǎng)是三相電網(wǎng)，故在城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)中所要用到 的將是三相 VSR。 1.4 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本概念及特點 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 9 頁 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自適應(yīng)和自學習能力，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對傳統(tǒng)的 PID 控制器進 行改造后，對工業(yè)控制中的復雜系統(tǒng)的控制有著更好的控制效果，可以有 效地改善由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)變化而導致的控制效果不穩(wěn)定的狀況，因此 我們嘗試將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方法引入軌道交通直流牽引變電所的控制 中。 1.4.1 神經(jīng)元結(jié)構(gòu)及神經(jīng)元信息處理機理神經(jīng)元結(jié)構(gòu)及神經(jīng)元信息處理機理 圖 1.4 人腦神經(jīng)元的結(jié)構(gòu) 神經(jīng)學早已證明，人的思維通過人腦完成，神經(jīng)元是人腦的最基本單 元1011。如圖 1.4 所示。神經(jīng)元周圍的纖維分成兩類：樹突與軸突。樹 突輸入信息，軸突輸出信息，兩者一一對接，其接口稱為突觸，其輸入/輸 出結(jié)構(gòu)呈一多輸入/單輸出模式。神經(jīng)元細胞體對樹突輸入的信息進行處理， 將處理結(jié)果由軸突輸出給下一個神經(jīng)細胞。按此模式通過眾多簡單細胞體 的復雜連接，從而把眾多的神經(jīng)元連成一個神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，就可進行感受、 記憶、聯(lián)想、反應(yīng)等復雜的人腦思維。 在生物神經(jīng)元中，突觸為輸入輸出接口，樹突和細胞體為輸入端，接 受突觸點的輸入信號;細胞體相當于一個微型處理器，對各樹突和細胞體各 部位收到的來自其他神經(jīng)元的輸入信號進行組合，并在一定條件下觸發(fā)， 產(chǎn)生一輸出信號;輸出信號沿軸突傳至末梢，軸突末梢作為輸出端通過突觸 將這一輸出信號傳向其他神經(jīng)元的樹突和細胞體。神經(jīng)細胞的細胞膜將細 胞體內(nèi)外分開，從而使細胞內(nèi)外有不同的電位，一般內(nèi)部電位比外部低， 其內(nèi)外電位差稱之為膜電位。突觸使神經(jīng)細胞的膜電位發(fā)生變化，且電位 的變化是可以累加的，該神經(jīng)細胞膜電位是它所有突觸產(chǎn)生的電位總和， 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 10 頁 當該神經(jīng)細胞的膜電位升高到超過一個閾值時，會產(chǎn)生一個脈沖，從而總 和的膜電位直接影響該神經(jīng)細胞興奮發(fā)放脈沖數(shù)。神經(jīng)元突觸是神經(jīng)信息 處理的關(guān)鍵要素。 按照生物神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)和工作原理，目前人們提出的神經(jīng)元模型己有 很多種，其中最早提出且影響最大的，是 1943 年心理學家 McCunoch 和數(shù) 學家 W.Pitts 在分析總結(jié)神經(jīng)元基本特性的基礎(chǔ)上首先提出的 MP 模型。 該模型經(jīng)過不斷改進后，形成目前廣泛應(yīng)用的形式神經(jīng)元模型。 1.4.2 人工神經(jīng)元的數(shù)學模型人工神經(jīng)元的數(shù)學模型 一個典型的人工神經(jīng)元模型如圖 4-2 所示 x1 x2 x3 yi if w1 w2 w3 圖 1.5 典型人工神經(jīng)元模型 圖 1.5 表明，正如生物神經(jīng)元有許多激勵輸入一樣，人工神經(jīng)元也應(yīng)有 許多的輸入信號(圖中輸入的大小用確定數(shù)值 xi 表示，它們同時輸入神經(jīng)元。 生物神經(jīng)元具有不同的突觸性質(zhì)和突觸強度，其對輸入的影響是使有些輸 入在神經(jīng)元產(chǎn)生脈沖輸出過程中所起的作用比另外一些輸入更重要。神經(jīng) 元的每一個輸入都有一個加權(quán)系數(shù) i，稱為權(quán)重值，其正負模擬了生物神 經(jīng)元中的突觸的興奮和抑制，其大小則代表了突觸的不同連接強度。作為 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本處理單元，必須對全部輸入信號進行整合，以確定各 類輸入的作用總效果,表示組合輸入信號的“總合值”，相應(yīng)于生物神經(jīng) 元的膜電位。神經(jīng)元激活與否取決于某一閾值電平，即只有當其輸入總合 超過閾值時，神經(jīng)元才被激活而發(fā)放脈沖，否則神經(jīng)元不會產(chǎn)生輸出信號。 人工神經(jīng)元的輸出也同生物神經(jīng)元一樣僅有一個，如用 y 表示神經(jīng)元的輸 出，則輸出和輸入之間的對應(yīng)關(guān)系可以用圖中的某種函數(shù)來表示，這種函 數(shù)稱為激活函數(shù)，一般都是非線性的12。 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 11 頁 定義 x=x1,x2,xnT表示其他神經(jīng)元的軸突輸出，亦即該神經(jīng)元的輸 入向量;w=wl，w2,.wn表示其他神經(jīng)元與該神經(jīng)元 n 個突觸的連接強度， 亦即權(quán)值向量，其每個元素的值可正可負，分別表示為興奮性突觸和抑制 性突觸; 為神經(jīng)元的閡值，如果神經(jīng)元輸入向量的加權(quán)值大于 n j jjx 1 ，則該神經(jīng)元被激活，所以輸入向量的加權(quán)值和也稱激活值；f 表示神經(jīng) 元的輸入輸出關(guān)系函數(shù)，亦即激活函數(shù)。因為激活值越大，表示神經(jīng)元的 膜電位總合越大，該神經(jīng)元興奮所發(fā)出的脈沖數(shù)越多，所以激活函數(shù)一般 為單調(diào)升函數(shù)。但它又是一個有限制函數(shù)，因為神經(jīng)元發(fā)放的脈沖數(shù)是有 限的。這樣，神經(jīng)元的輸出可以表示為: (1.3) i n j ijjij txfty 1 )( 上式中 xj(j=1，2，3n)是從其它細胞傳來的輸入信號，i為閾值 (偏差)，示從細胞 i 到細胞 j 的連接權(quán)值，而 f(.)稱為激活函數(shù)(也稱傳輸函 數(shù))。為輸入輸出間的突觸延；在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，閾值 i起著重要的作用， ij 它使得激活函數(shù)的圖形可以左右移動，從而增加了解決問題的可能性。 2 軌道交通直流牽引變電所整流器主電路拓撲數(shù)學模型的建軌道交通直流牽引變電所整流器主電路拓撲數(shù)學模型的建 立及參數(shù)的計算立及參數(shù)的計算 2.1 主電路拓撲結(jié)構(gòu)的選擇及其數(shù)學模型的建立 多開關(guān)電壓 Boost 型兩電平的拓撲結(jié)構(gòu)由于其結(jié)構(gòu)較為簡單相對于三電 平結(jié)構(gòu)并且運行時無需考慮直流側(cè)電容電壓不平衡的問題，且運行穩(wěn)定可 靠性高，因此本文選取兩電平結(jié)構(gòu)作為整流器主電路的拓撲結(jié)構(gòu)。 三相全橋 PWM 整流電路，如圖 2.1，也稱之為六開關(guān) Boost 型：也可稱 為兩電平電壓型整流器或三相橋式可逆 PWM 整流器。每個橋臂上的可關(guān)斷 開關(guān)管都帶有反并聯(lián)二極管，可以實現(xiàn)能量的雙向流動，每只開關(guān)管的導 通作用，一般都是使交流側(cè)濾波電感 L 蓄積磁能，而在開關(guān)管關(guān)斷時，迫 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 12 頁 使電感產(chǎn)生較高的電壓 Ldi/dt，通過另一橋臂的續(xù)流二極管向直流側(cè)釋放磁 能。因此，這種橋式 PWM 可逆整流器拓撲，仍屬于升壓式結(jié)構(gòu)。由于六 開關(guān) Boost 型 PWM 整流器的特點是結(jié)構(gòu)簡單且宜于實現(xiàn)有源逆變，因而是 目前應(yīng)用和研究最為活躍的一種類型，也是多開關(guān) PWM 整流電路中應(yīng)用 最為廣泛的一種。 a u b u c u a i b i c i s L s R 1 V 2V 3 V 4V 6 V 5 V 1 VD 5 VD 3 VD 4 VD 6 VD 2 VD A B C C R cd u 圖 2.1 三相全橋 PWM 整流器主電路 2.1.1 三相三相 VSR 一般數(shù)學模型一般數(shù)學模型 所謂三相 VSR 一般數(shù)學模型就是根據(jù)三相 VSR 拓撲結(jié)構(gòu)，在三相靜 止坐標系（a,b,c）中，利用電路基本定律（基爾霍夫電壓、電流定律）對 VSR 所建立的一般數(shù)學描述。三相 VSR 開關(guān)等效電路如圖 2.7 所示。(電網(wǎng) 三相電壓為正弦波，且三相平衡，IL等效直流側(cè)負載電流) + _ a u b u c u a i b i c i s L s R SA SB SC C R L i dc U O N 圖 2.2 三相兩電平 PWM 整流器的開關(guān)等效電路 以上圖為例，建立采用開關(guān)函數(shù)描述的 VSR 一般數(shù)學模型。首先定義 開關(guān)函數(shù)表達式如式 2.1。 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 13 頁 ），（ 關(guān)斷相下橋臂導通，上橋臂， 0 關(guān)斷。相上橋臂導通，下橋臂， cbak 。k k 1 k S (2.1) 采用基爾霍夫電壓定律建立三相 VSR k 相電路方程為 (2.2)( NOkNkk k s vveRi dt di L 三個開關(guān)組合起來共有 8 種開關(guān)狀態(tài)(000111) ，當 a 相上橋臂導通， 下橋臂關(guān)斷時，開關(guān)函數(shù) Sa=1,VaN =V dc 當 a 相下橋臂導通，上橋臂關(guān)斷時，開關(guān)函數(shù) Sa=0, VaN = 0 。 因此，各相與參考點 N 間的相電壓為: ），（cbak dckkN USv (2.3) 在圖 2.1 中任何瞬間總有三個功率器件導通，且只能組合成八種開關(guān)模 式，則整流器輸出電流 id 可表示為: ccbbaa cbacbacbaab cbabccbacacbaccbabcbaadc SiSiSi SSSiiiSSSii SSSiiSSSiiSSSiSSSiSSSii )()( )()( (2.4) 另外對直流側(cè)電容正極點處應(yīng)用基爾霍夫電流定律，得 (2.5) LccbbaaLdc dc isisisiii dt dv C 考慮到三相平衡系統(tǒng)則有： 0 0 cba cba iii uuu (2.6) 聯(lián)立以上各式可得： cbak kdccbadcON SUSSSUv , 3 1 )( 3 1 (2.7) 最終得到三相兩電平 VSR 在三相坐標系下的數(shù)學模型為式（2.8）： ），（ LS cbak ) 3 1 ( , , LccbbaaLdc dc dc cbai ikksk k iSiSiSiii dt dv C USSiRu dt di (2.8 ) 2.1.2 三相系統(tǒng)的矢量描述和坐標變換三相系統(tǒng)的矢量描述和坐標變換 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 14 頁 （1） 三相系統(tǒng)的矢量描述和坐標變換 在如圖 2.2 坐標系下定義旋轉(zhuǎn)矢量 I I ，其模為 Im。則其在三相坐標系 上的投影可得： ) cos(tIi ma )120 cos( o mb tIi )120 cos( o mc tIi I B i C A C i B A i I 3/2j Be i C )(A B A i 3/4j Ce i 圖 2.2 空間矢量的定義 圖 2.3 三相（兩相）靜止坐標軸 可見矢量 I I 可以用來描述三相系統(tǒng)。三相系統(tǒng)各相分量在其坐標軸方 向上作正弦變化。 由此可見矢量 I I 可以表示為： （2.9） kI 2 3 )( ) ( m 3/43/2 S tjj c j ba eeieiikIkI （2） 矢量的等量定義和等功率定義 對于三相電路功率的計算有 (2.10) cos3 cos uiP IUIUP 由式 (2.9) (2.10) 可以得出如下結(jié)論： 1）當 k 取 2/3 時 I I 的模為 Im 與三相相電流的幅值相等。 等量定義： ) ( twj me II (2.11) 2）當 k 取 sqr（2/3）三相電路變換前后的功率計算值不變。 等功率定義： ) ( 2 3 twj me II (2.12) 3）矢量 I I 和 A 軸的夾角值與 A 相電流的相位角相等。 （3）三相靜止坐標系到兩相靜止坐標系的變換 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 15 頁 如圖 2.3 對三相靜止坐標系到兩相靜止坐標系進行坐標變換，依據(jù)是變 換前后合成的空間矢量相等。 因為在前面定義了兩種不同的矢量因此在坐標變換時可以采用等量變 換和等功率變換兩種變換方法。 由參考文獻13得知等量變換矩陣為： 2/12/12/1 2/32/30 2/12/11 3 2 2/3SS C (2.13) 等功率變換矩陣為： 2/12/12/1 2/32/30 2/12/11 3 2 2/3SS C (2.14) （4） 兩相靜止坐標系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系的變換 把旋轉(zhuǎn)的空間矢量通過坐標變換，分解成以交流頻率同步旋轉(zhuǎn)的兩個 d、q 軸上的直流正交分量，不用考慮交變或者頻率等交變問題，可以使控 制變得更簡單容易。這就是在 d -q 坐標系下進行控制的一大優(yōu)勢。 如圖 2.4。將 d 軸定向于 (a)軸逆時針旋轉(zhuǎn) wt+ 的電角度后的矢量方 向上。q 垂直于 d 軸且逆順時針超前 d 軸 90 度。 tw q A i d 圖 2.4 兩相旋轉(zhuǎn)坐標系 由參考文獻13得知 2s/2r 變換矩陣為： 1 0 0 0 ) cos( ) sin( 0 ) sin( ) cos( 2/2 tw tw tw tw C rS (2.15) 聯(lián)立式（2.14）和（2.15）2s/2r 變換矩陣為 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 16 頁 2/1 )120 sin( )120 cos( 2/1 )120 sin( )120 cos( 2/1 ) sin( ) cos( 3 2 2/2 o o o o rS tw tw tw tw tw tw C (2.16) 2.1.3 （d q）坐標系下的三相）坐標系下的三相 VSR 數(shù)學模型數(shù)學模型 1 - 坐標系下三相 VSR 的數(shù)學模型 聯(lián)立式（2.8）和（2.15） 。并且有， SiSiSiSiSi ccbbaa ， 得到： L L S S LLdc dc dcs dcs iSiSiii dt dv C USiRu dt di USiRu dt di (2.17) 2 d-q 坐標系下三相 VSR 的數(shù)學模型 令I(lǐng)abc=i a，i b，i c，ULabc=（uLa，uLb，uLc） 。 由 )()( )( )( 1 2/3 1 2/3 1 2/3 dqrSdqrS dqrS abcLabc ICICL ICL ILU 得到： L L S S q d Ld d q Lq wLi dt di u wLi dt di u (2.18) 令 Vd=SdUdc Vq=SqUdc 。 與式(2.17) ，(2.18)聯(lián)立得到 L L S S LqqddLdc dc dSqqsq q qSddsd d iSiSiii dt dv C iwLViRu dt di