随着我国高速铁路的快速发展，多种型号的动车组在改造既有线、新建高速铁路上高密度运行，这也意味着大量电力电子变换器接入了牵引供电系统，导致各种车网电气耦合性问题日益突出。近年来多区域出现牵引网低频振荡现象，触发电力机车/动车组牵引传动系统的闭锁逻辑，严重影响了铁路的正常行车秩序。

国内电气化铁路低频振荡发生在动车组升弓整备时，低频振荡的频率为3~7Hz；国外（挪威）电气化铁路需要旋转变频机组或静止变流器进行供电制式的转换，低频振荡的频率为1.2~1.9Hz。因此，研究牵引网低频振荡产生的机理及抑制低频振荡的措施，对预防牵引网低频振荡、确保高速动车组行车安全具有重要意义。

牵引网低频振荡不同于电力系统中并网变流器引起的振荡。对牵引网低频振荡产生机理的研究，目前尚无定论，主流观点认为低频振荡现象由车网电气耦合系统（Electric Multiple Units and Traction Network Coupling System, EMUs-TNCS）参数不匹配造成。

• 有学者利用主导极点分析了低频振荡发生时机车阻抗在低频段的变化规律，给出了调节控制参数抑制低频振荡的最优顺序；
• 有学者在整流器线性化闭环传递函数的基础上，研究了低频振荡的机理；
• 有学者分析了多车接入牵引网的稳定性，揭示了整流器负阻抗特性对低频振荡的影响。

对于抑制措施的研究，主要从优化动车组网侧PWM整流器控制算法着手。

• 有学者提出一种自适应自抗扰比例积分控制器，该控制算法提高了系统的动态响应速度，增强了系统的鲁棒性能，但该方法存在涉及参数多、不易整定等问题。
• 有学者提出了一种基于模型预测的直接功率控制方法，性能优于传统的瞬态直接电流控制，但该方法直流环节电压超调量较大。
• 有学者提出一种结合扩展状态观测器的改进预测控制方法，虽然存在较小的超调量，但该方法加快了整流器的响应速度。
• 有学者提出了一种基于H∞控制的整流器控制策略，具有较小的超调量，但电压波动范围较大，调节时间较长。
• 有学者设计了基于模型的预测电流控制算法，该算法控制下的整流器直流环节电压波动范围很小，但仍然存在超调量较大、调节时间较长的问题。
• 有学者提出了应用于CRH3型动车组整流器的无源控制策略（Passivity-Based Control, PBC），降低了系统响应的超调，减小了直流电压的波动范围，具有较好的稳态性能，由于系统调节时间较长，该方法很难得到良好的跟踪效果。
• 有学者利用滑模结构（Sliding Mode Structure, SMS）较好地实现了快速响应和低超调量，但直流电压波动范围较大。

上述抑制措施虽然在一定程度上抑制了牵引网低频振荡现象，但控制算法存在参数整定复杂、难以兼顾系统稳态与动态性能、电压波动较大等问题。

针对上述问题，北京交通大学电气工程学院的研究人员提出一种基于外环电压滑模结构的内环电流无源控制策略（Current Passivity-Based Control of Sliding Mode Structure, CPBC-SMS），提供更可靠的低频振荡抑制功能。

图1 车网耦合系统级联模型拓扑

图2 CRH5型动车组牵引动力单元拓扑结构

图3 基于CPBC-SMS的PWM整流器控制系统结构

研究者利用G-sum范数判据分析了CPBC-SMS控制策略维持车网耦合系统稳定性的能力，并将提出的算法与传统PI、滑模控制、无源控制对整流器稳态、动态特性的控制效果进行了比较；仿真对比验证了CPBC-SMS控制策略对低频振荡的抑制效果。得到以下结论：

• 1）利用G-sum范数判据分析了动车组输入导纳对车网系统稳定性的影响，得到车网系统发生低频振荡的临界条件：6列动车组同时升弓整备。
• 2）CPBC-SMS结合了滑模结构与无源控制的优点，进一步增强了系统的稳态、动态性能；CPBC-SMS增强了车网系统的稳定性，该控制下低频振荡的临界条件：15列动车组同时升弓整备。
• 3）CPBC-SMS控制策略对动车组整流器的控制性能优于传统PI控制、无源控制、滑模控制，实现了整流器快速、无超调的调节，且稳态直流环节电压波动最小。
• 4）在CPBC-SMS控制下，网侧、车侧电气量快速、无超调地到达稳定状态，较好地维持了车网耦合系统的稳定性，说明提出的CPBC-SMS控制策略能有效抑制车网耦合系统低频振荡现象。

以上研究成果发表在2020年第3期《电工技术学报》，论文标题为“基于滑模结构无源控制的车网耦合系统低频振荡抑制方法”，作者为王迎晨、杨少兵、宋可荐、吴命利。