ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2023-23-2-382-389ntv-384Research ArticleМАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕMODELING AND SIMULATIONМетод активного демпфирования напряжения с отрицательной обратной связью по току звена постоянного тока в электрических и гибридных электрических трансмиссияхActive voltage damping method with negative DC link current feedback in electric and hybrid electric transmissionshttps://orcid.org/0000-0003-2138-646XСтоляровЕ. О.StolyarovE. O.

Столяров Евгений Олегович — аспирант

Москва, 111250

sc 57216746549

Evegniy O. Stolyarov — PhD Student

Moscow, 111250

sc 57216746549

stolyarovevgen@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2326-1153ГуляеваМ. А.GulyaevaM. A.

Гуляева Мария Андреевна — ассистент

Москва, 111250

sc 57195258176

Maria A. Gulyaeva — Assisatant

Moscow, 111250

sc 57195258176

tilgivelse@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1019-756XАнучинА. С.AnuchinA. S.

Анучин Алексей Сергеевич — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой

Москва, 111250

sc 56168843400

Alecksey S. Anuchin — D.Sc., Professor, Head of DepartmentMoscow, 111250

sc 56168843400

anuchin.alecksey@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-5628-8101ЖарковА. А.ZharkovA. A.

Жарков Александр Александрович — кандидат технических наук, доцент, главный конструкторМосква, 111250Москва, 111396

sc 57112011700

Alexandr A. Zharkov — PhD, Assistant Professor, Chief Designer

Moscow, 111250Moscow, 111396

sc 57112011700

zarckov@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9699-7145ЛашкевичМ. М.LashkevichM. M.

Лашкевич Максим Михайлович — кандидат технических наук, ведущий инженер-программист

Москва, 111396

sc 56168455000

Maxim M. Lashkevich — PhD, Leading Software Engineer Moscow, 111396sc 56168455000

maxsoftpage@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1575-6049АлямкинД. И.AliamkinD. I.

Алямкин Дмитрий Иванович — кандидат технических наук, ведущий инженер-программист

Москва, 111396sc 57193015662

Dmitry I. Aliamkin — PhD, Leading Software Engineer

Moscow, 111396

sc 57193015662

aliam2002c@yandex.ruНациональный исследовательский университет «МЭИ»РоссияNational Research University “Moscow Power Engineering Institute”Russian FederationНациональный исследовательский университет «МЭИ»; ООО «НПФ ВЕКТОР»РоссияNational Research University “Moscow Power Engineering Institute”; R&D Company “Vector”, LLCRussian FederationООО «НПФ ВЕКТОР»РоссияR&D Company “Vector”, LLCRussian Federation202321122024232382389Copyright © Столяров Е.О., Гуляева М.А., Анучин А.С., Жарков А.А., Лашкевич М.М., Алямкин Д.И., 20242024Столяров Е.О., Гуляева М.А., Анучин А.С., Жарков А.А., Лашкевич М.М., Алямкин Д.И.Stolyarov E.O., Gulyaeva M.A., Anuchin A.S., Zharkov A.A., Lashkevich M.M., Aliamkin D.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/384

Предмет исследования. Электрические и гибридные электрические трансмиссии в тяговом приводе имеют в составе источник питания ограниченной мощности. Поскольку тяговый привод работает в режиме источника момента, напряжение звена постоянного тока становится нестабильным и переходит в колебательный режим. Это приводит к срабатыванию программной защиты, которая предотвращает пробой тягового инвертора по перенапряжению. Граница перехода в колебательный режим определяется мощностью и величиной емкости, устанавливаемой в звено постоянного тока электрической трансмиссии. Для увеличения надежности тяговых инверторов электролитические конденсаторы большой емкости заменяются на пленочные конденсаторы малой емкости, что делает систему более склонной к колебаниям. Для решения подобной проблемы применяются методы активного демпфирования, позволяющие изменять динамические характеристики двигателя средствами системы управления. Пропорциональное регулирование мощности является самым простым методом, при котором тяговый привод имитирует RL-нагрузку. Метод пропорционального регулирования момента позволяет регулировать задание момента в соответствии с изменением напряжения звена постоянного тока. Метод. В работе представлен новый метод демпфирования с отрицательной связью по току звена постоянного тока. При этом момент корректируется динамически в зависимости от тока, потребляемого тяговым инвертором от общего звена постоянного тока электрической трансмиссии. Основные результаты. Методами математического моделирования выполнено сравнение известных и предложенного методов активного демпфирования напряжения звена постоянного тока. Разработаны математические модели в среде MATLAB Simulink, позволяющие исследовать демпфирующее способности при различных значениях мощности, потребляемой тяговым инвертором. Показано, что разработанный метод с отрицательной обратной связью по току звена постоянного тока обладает простотой настройки и наилучшей демпфирующей способностью. В сравнении с методами пропорционального регулирования мощности и пропорционального регулирования момента предложенный вариант обладает робастностью при настройке параметров, обеспечивает большой коэффициент демпфирования во всем диапазоне изменения мощности тягового привода и имеет малую длительность переходного процесса. Практическая значимость. Новый метод может быть использован для подавления колебаний напряжения звена постоянного тока на любых типах тяговых инверторов гибридных электрических и полностью электрических транспортных средств и обеспечивает стабильную и надежную работу оборудования.

Electric and hybrid electric transmissions in traction drive have a limited capacity power source. Since the traction drive operates in the torque source mode, the DC link voltage becomes unstable and goes into oscillatory mode. This leads to the software protection reaction which prevents the traction inverter overvoltage breakdown. The transition boundary to the oscillatory mode is determined by the power and the value of the capacitance installed in the electric transmission DC link. To increase reliability of the traction inverters, large-capacity electrolytic capacitors are replaced with small- capacity film capacitors which makes the system more prone to oscillations. To solve this problem, active damping methods are used allowing changing the engine dynamic characteristics by means of the control system. The software methods with power and torque proportional control are most widely used. Proportional power control is the simplest method in which the traction drive simulates an RL load. The torque proportional control method adjusts the torque reference according to the change in the DC link voltage. This paper proposes a new negative DC link feedback method. In this case, the torque is adjusted dynamically depending on the current consumed by the traction inverter from the electric transmission common DC link. Mathematical modeling methods were used to compare the known and proposed methods of DC link voltage active damping. Mathematical models have been developed in the MATLAB Simulink environment which makes it possible to investigate the damping capacity at various values of the power consumed by the traction inverter. It is shown that the proposed method with negative DC link current feedback demonstrated tuning simplicity. In comparison with proportional power and torque control methods, the proposed option is robust when setting parameters, provides a large damping coefficient over the entire range of traction drive power, and has a short duration of the transient process. The proposed method can be used to suppress DC link voltage oscillations on any type of hybrid electric and all-electric vehicles traction inverters and ensures stable and reliable equipment operation.

 

электротрансмиссияактивное демпфированиеколебания звена постоянного токатяговый приводзвено постоянного токаelectric powertrainactive dampingDC link oscillationstraction driveDC linkИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 21-19-00696).ReferencesSudhoff S.D., Corzine K.A., Glover S.F., Hegner H.J., Robey H.N. DC link stabilized field oriented control of electric propulsion systems // IEEE Transactions on Energy Conversion. 1998. V. 13. N 1. P. 27–33. https://doi.org/10.1109/60.658200Sudhoff S.D., Corzine K.A., Glover S.F., Hegner H.J., Robey H.N. DC link stabilized field oriented control of electric propulsion systems // IEEE Transactions on Energy Conversion. 1998. V. 13. N 1. P. 27–33. https://doi.org/10.1109/60.658200Lu D., Wang X., Blaabjerg F. Impedance-based analysis of DC-link voltage dynamics in voltage-source converters // IEEE Transactions on Power Electronics. 2019. V. 34. N 4. P. 3973–3985. https://doi.org/10.1109/TPEL.2018.2856745Lu D., Wang X., Blaabjerg F. Impedance-based analysis of DC-link voltage dynamics in voltage-source converters // IEEE Transactions on Power Electronics. 2019. V. 34. N 4. P. 3973–3985. https://doi.org/10.1109/TPEL.2018.2856745Zhao S., Chou W. Analytic model of the voltage oscillation in a power conversion system with DC-link capacitors // Proc. of the 2021 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE). 2021. P. 5554– 5560. https://doi.org/10.1109/ECCE47101.2021.9595713Zhao S., Chou W. Analytic model of the voltage oscillation in a power conversion system with DC-link capacitors // Proc. of the 2021 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE). 2021. P. 5554– 5560. https://doi.org/10.1109/ECCE47101.2021.9595713Maheshwari R., Munk-Nielsen S., Henriksen B., Obel P.M., Kragh H. Active damping technique for small DC-link capacitor based drive system // Proc. of the 2010 IEEE International Symposium on Industrial Electronics. 2010. P. 1205–1209. https://doi.org/10.1109/ISIE.2010.5636895Maheshwari R., Munk-Nielsen S., Henriksen B., Obel P.M., Kragh H. Active damping technique for small DC-link capacitor based drive system // Proc. of the 2010 IEEE International Symposium on Industrial Electronics. 2010. P. 1205–1209. https://doi.org/10.1109/ISIE.2010.5636895Wang D., Lu K., Rasmussen P.O., Mathe L., Feng Y. Analysis of voltage modulation based active damping techniques for small DC-link drive system // Proc. of the 2015 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE). 2015. P. 2927–2934. https://doi.org/10.1109/ECCE.2015.7310070Wang D., Lu K., Rasmussen P.O., Mathe L., Feng Y. Analysis of voltage modulation based active damping techniques for small DC-link drive system // Proc. of the 2015 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE). 2015. P. 2927–2934. https://doi.org/10.1109/ECCE.2015.7310070Zhang Z., Guo H., Liu Y. DC-link voltage constraint strategy for DC power supply film-capacitor drive system based on improved modelpredictive control // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2022. V. 69. N 10. P. 9849–9859. https://doi.org/10.1109/TIE.2022.3150105Zhang Z., Guo H., Liu Y. DC-link voltage constraint strategy for DC power supply film-capacitor drive system based on improved modelpredictive control // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2022. V. 69. N 10. P. 9849–9859. https://doi.org/10.1109/TIE.2022.3150105Khan M.F., Li W., Gao Q. An effective control strategy based on DC-link voltage regulation for an electrolytic capacitor-less IPMSM drive // Proc. of the 21st International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS). 2018. P. 1246–1251. https://doi.org/10.23919/ICEMS.2018.8549378Khan M.F., Li W., Gao Q. An effective control strategy based on DC-link voltage regulation for an electrolytic capacitor-less IPMSM drive // Proc. of the 21st International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS). 2018. P. 1246–1251. https://doi.org/10.23919/ICEMS.2018.8549378Céspedes M., Beechner T., Xing L., Sun J. Stabilization of constant-power loads by passive impedance damping // Proc. of the 2010 Twenty-Fifth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC). 2010. P. 2174–2180. https://doi.org/10.1109/APEC.2010.5433538Céspedes M., Beechner T., Xing L., Sun J. Stabilization of constant-power loads by passive impedance damping // Proc. of the 2010 Twenty-Fifth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC). 2010. P. 2174–2180. https://doi.org/10.1109/APEC.2010.5433538Liu J., Zhang Y., Shen W. Suppression of DC-link voltage oscillation method for capacitorless control based on active damping technique // Proc. of the IEEE 9th International Power Electronics and Motion Control Conference (IPEMC2020-ECCE Asia). 2020. P. 3123–3127. https://doi.org/10.1109/IPEMC-ECCEAsia48364.2020.9368217Liu J., Zhang Y., Shen W. Suppression of DC-link voltage oscillation method for capacitorless control based on active damping technique // Proc. of the IEEE 9th International Power Electronics and Motion Control Conference (IPEMC2020-ECCE Asia). 2020. P. 3123–3127. https://doi.org/10.1109/IPEMC-ECCEAsia48364.2020.9368217Merai M., Naouar M.W., Slama-Belkhodja I., Monmasson E. An adaptive PI controller design for DC-link voltage control of single-phase grid-connected converters // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2019. V. 66. N 8. P. 6241–6249. https://doi.org/10.1109/TIE.2018.2871796Merai M., Naouar M.W., Slama-Belkhodja I., Monmasson E. An adaptive PI controller design for DC-link voltage control of single-phase grid-connected converters // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2019. V. 66. N 8. P. 6241–6249. https://doi.org/10.1109/TIE.2018.2871796Mora A., Cárdenas R., Urrutia M., Espinoza M., Díaz M. A vector control strategy to eliminate active power oscillations in four-leg grid-connected converters under unbalanced voltages // IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics. 2020. V. 8. N 2. P. 1728–1738. https://doi.org/10.1109/JESTPE.2019.2921536Mora A., Cárdenas R., Urrutia M., Espinoza M., Díaz M. A vector control strategy to eliminate active power oscillations in four-leg grid-connected converters under unbalanced voltages // IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics. 2020. V. 8. N 2. P. 1728–1738. https://doi.org/10.1109/JESTPE.2019.2921536Ferdous M.J., Salma U., Kabir S., Sharif S.E. Mitigating the voltage fluctuation of dc capacitor and coupling point using capacitor current control method in DFIG system // Proc. of the 2018 International Conference on Innovation in Engineering and Technology (ICIET). 2018. P. 1–6. https://doi.org/10.1109/CIET.2018.8660879Ferdous M.J., Salma U., Kabir S., Sharif S.E. Mitigating the voltage fluctuation of dc capacitor and coupling point using capacitor current control method in DFIG system // Proc. of the 2018 International Conference on Innovation in Engineering and Technology (ICIET). 2018. P. 1–6. https://doi.org/10.1109/CIET.2018.8660879Lee W., Sul S. DC-link voltage stabilization for reduced DC-link capacitor inverter // IEEE Transactions on Industry Applications. 2014. V. 50. N 1. P. 404–414. https://doi.org/10.1109/TIA.2013.2268733Lee W., Sul S. DC-link voltage stabilization for reduced DC-link capacitor inverter // IEEE Transactions on Industry Applications. 2014. V. 50. N 1. P. 404–414. https://doi.org/10.1109/TIA.2013.2268733Sun W., Ge X., Hu X. A DC-link oscillation suppression strategy in metro traction drive system based on virtural damping resitor // Proc. of the 15 th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications (ICIEA). 2020. P. 1395–1400. https://doi.org/10.1109/ICIEA48937.2020.9248355Sun W., Ge X., Hu X. A DC-link oscillation suppression strategy in metro traction drive system based on virtural damping resitor // Proc. of the 15 th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications (ICIEA). 2020. P. 1395–1400. https://doi.org/10.1109/ICIEA48937.2020.9248355Zhao N., Wang G., Zhang R., Li B., Bai Y., Xu D. Inductor current feedback active damping method for reduced DC-link capacitance IPMSM drives // IEEE Transactions on Power Electronics. 2019. V. 34. N 5. P. 4558–4568. https://doi.org/10.1109/TPEL.2018.2864247Zhao N., Wang G., Zhang R., Li B., Bai Y., Xu D. Inductor current feedback active damping method for reduced DC-link capacitance IPMSM drives // IEEE Transactions on Power Electronics. 2019. V. 34. N 5. P. 4558–4568. https://doi.org/10.1109/TPEL.2018.2864247

The authors declare that there are no conflicts of interest present.