Метод активного демпфирования напряжения с отрицательной обратной связью по току звена постоянного тока в электрических и гибридных электрических трансмиссиях

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.

1. Sudhoff 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/10.1109/60.658200

2. Lu 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.2018.2856745

3. Zhao 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/ECCE47101.2021.9595713

4. Maheshwari 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.2010.5636895

5. Wang 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.2015.7310070

6. Zhang 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.2022.3150105

7. Khan 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.2018.8549378

8. Céspedes 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.2010.5433538

9. Liu 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-ECCEAsia48364.2020.9368217

10. Merai 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.2018.2871796

11. Mora 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.2019.2921536

12. Ferdous 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.2018.8660879

13. Lee 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.2013.2268733

14. Sun 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/ICIEA48937.2020.9248355

15. Zhao 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