Harmonics suppression in high-speed railway via single-phase traction converter with an LCL filter using fuzzy logic control strategy

Abstract

Introduction. The railway Traction Power Supply System (TPSS) encounters a common challenge related to high-frequency harmonic resonance, especially when employing AC-DC-AC traction drive systems in high-speed trains. This resonance issue arises when the harmonic elements introduced by the traction AC-DC converter on the grid side of trains align with the innate resonance frequency of the TPSS. The novelty the proposed work focuses on the challenges associated with resonance elevation and high-frequency harmonics in high-speed trains, while simultaneously enhancing energy quality. This is achieved by integrating a pulse-width-modulated converter on the grid side with a single-phase configuration and incorporating an LCL filter. Methodology. In order to optimize the system’s efficiency, a robust control system is employed, taking advantage of the capabilities of a fuzzy logic controller (FLC). The choice of the FLC is justified by its straightforward design and reliability, emphasizing the dedication to precise control, as fuzzy logic excels in handling complex, nonlinear systems. Through the use of linguistic variables and heuristic reasoning, the FLC adjusts to dynamic changes in the system, demonstrating its efficacy in enhancing both transient and steady-state responses. Practical value. A grid-side LCL filter-based converter was meticulously designed and rigorously simulated using the MATLAB/Simulink platform. The inclusion of an advanced FLC in the system introduced a novel approach to control strategies, surpassing the traditional PI controller. Through a comprehensive comparative analysis, the simulation results showcased the remarkable efficacy of the proposed solution in an effectively mitigating high-frequency resonance within the TPSS. This outcome underscores the potential of FLC as a sophisticated control mechanism for enhancing the performance systems in railway applications, showcasing its superiority over conventional control methods. The study contributes in shedding light on innovative approaches for optimizing the control and efficiency of grid-side LCL filter-based converters in high-speed train systems.Вступ. Система тягового електропостачання залізниць (TPSS) стикається із загальною проблемою, пов’язаною з високочастотним гармонійним резонансом, особливо при використанні систем тягового приводу змінного, постійного та змінного струму у високошвидкісних поїздах. Ця проблема резонансу виникає, коли гармонійні елементи, що вносяться тяговим перетворювачем змінного струму в постійний струм на стороні мережі поїздів, збігаються із внутрішньою резонансною частотою TPSS. Новизна запропонованої роботи зосереджена на проблемах, пов’язаних із підвищенням резонансу та високочастотними гармоніками у високошвидкісних поїздах, при одночасному підвищенні якості енергії. Це досягається за рахунок інтеграції перетворювача з широтно-імпульсною модуляцією на стороні мережі з однофазною конфігурацією і включення фільтра LCL. Методологія. Для оптимізації ефективності системи використовується надійна система управління, яка використовує можливості контролера нечіткої логіки (FLC). Вибір FLC виправданий його простою конструкцією та надійністю, що підкреслюють прихильність до точного управління, оскільки нечітка логіка чудово справляється зі складними нелінійними системами. Завдяки використанню лінгвістичних змінних та евристичних міркувань, FLC пристосовується до динамічних змін у системі, демонструючи свою ефективність у посиленні як перехідних, так і стійких реакцій. Практична цінність. Перетворювач на основі LCL-фільтра на стороні мережі ретельно спроектований та ретельно змодельований за допомогою платформи MATLAB/Simulink. Включення до системи вдосконаленого FLC представило новий підхід до стратегій управління, що перевершує традиційний ПІ-регулятор. Завдяки всебічному порівняльному аналізу, результати моделювання продемонстрували чудову ефективність запропонованого рішення в ефективному пом’якшенні високочастотного резонансу TPSS. Цей результат підкреслює потенціал FLC як складного механізму управління підвищенням продуктивності систем в залізничних застосуваннях, демонструючи його перевагу над традиційними методами управління. Дослідження сприяє проливанню світла на інноваційні підходи до оптимізації управління та ефективності мережевих перетворювачів на основі LCL-фільтрів у системах високошвидкісних поїздів