試論地鐵牽引系統(tǒng)穩(wěn)定性提升控制

張全

（南京地鐵運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210012）

試論地鐵牽引系統(tǒng)穩(wěn)定性提升控制

張全

（南京地鐵運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210012）

地鐵牽引供電系統(tǒng)作為城市軌道交通中的重要能源設(shè)施，能夠?yàn)榈罔F的穩(wěn)定運(yùn)行提供必要的電力能源保障。同時(shí)，地鐵牽引系統(tǒng)的穩(wěn)定性與系統(tǒng)電路參數(shù)的匹配度密切相關(guān)，若系統(tǒng)參數(shù)不匹配，則極有可能導(dǎo)致系統(tǒng)直流側(cè)電流出現(xiàn)震蕩，從而造成地鐵牽引系統(tǒng)的穩(wěn)定性受損。本文通過(guò)對(duì)地鐵牽引系統(tǒng)側(cè)震蕩產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，研究系統(tǒng)穩(wěn)定性提升控制的相關(guān)策略，望引起重視。

地鐵；牽引系統(tǒng)；穩(wěn)定性；提升控制

1 地鐵牽引系統(tǒng)震蕩原因分析

圖1為地鐵牽引系統(tǒng)的基本構(gòu)成示意圖。結(jié)合圖1，地鐵牽引系統(tǒng)主要構(gòu)成包括三個(gè)部分，其一是LC濾波器，其二是變流器＋感應(yīng)電機(jī)，其三則是控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)在接收到地鐵司機(jī)手柄所給定的轉(zhuǎn)矩指令后，可根據(jù)電機(jī)電流參數(shù)以及轉(zhuǎn)子角速度參數(shù)，借助于逆變器各橋臂IGBT開(kāi)關(guān)操作的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩的靈活控制。

圖1 地鐵牽引系統(tǒng)基本構(gòu)成示意圖

假定地鐵牽引系統(tǒng)正處于額定工況工作狀態(tài)下，可經(jīng)由小信號(hào)分析法處理并得到地鐵牽引系統(tǒng)在額定點(diǎn)狀態(tài)下的等效模型，具有電路示意圖如圖2所示。

圖2 地鐵牽引系統(tǒng)小信號(hào)模型等效電路示意圖

結(jié)合圖2，將直流側(cè)電壓定義為U，將逆變器輸出功率定義為P（忽略電機(jī)損耗以及逆變器損耗對(duì)逆變器輸出功率的影響），將變流器＋感應(yīng)電機(jī)所對(duì)應(yīng)等效阻抗定義為Z。為確保牽引系統(tǒng)的穩(wěn)定系，需滿足式（1）：

結(jié)合式（1）分析可知，為確保系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定，逆變器輸出功率應(yīng)當(dāng)控制在一定值域范圍內(nèi)。但地鐵逆變器輸出功率的取值區(qū)間為0～500kW，隨著逆變器輸出功率取值的不斷提升，會(huì)導(dǎo)致式（1）無(wú)法成立，進(jìn)而導(dǎo)致?tīng)恳到y(tǒng)出現(xiàn)交直流震蕩失穩(wěn)的問(wèn)題。因此，在地鐵牽引系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，必須采取有效策略控制穩(wěn)定性，以抑制震蕩，改善穩(wěn)定性水平。

2 地鐵牽引系統(tǒng)穩(wěn)定性提升控制分析

為提高地鐵牽引系統(tǒng)的穩(wěn)定性水平，應(yīng)在震蕩現(xiàn)象發(fā)生時(shí)通過(guò)介入“震蕩抑制”環(huán)節(jié)的方式，主動(dòng)提高牽引系統(tǒng)阻尼水平，從而達(dá)到緩解并抑制震蕩問(wèn)題的效果。如圖3所示，定義系統(tǒng)采集變流器直流側(cè)電容電壓取值為u（t），以此作為輸入量，低通濾波器所對(duì)應(yīng)時(shí)間常數(shù)為α，經(jīng)低通濾波器處理所得平均值為U。在系統(tǒng)無(wú)震蕩因素影響時(shí)，DC側(cè)電容電壓為直流模式且取值基本恒定，且u（t）近似于U取值；但當(dāng)主電路出現(xiàn)震蕩作用時(shí)，u（t）所對(duì)應(yīng)震蕩分量顯著高于U，轉(zhuǎn)矩給定指令可通過(guò)與（u（t）/U）相乘的方式，以計(jì)算結(jié)果為電機(jī)矢量控制環(huán)節(jié)中的最終給定轉(zhuǎn)矩指令。

圖3 引入“震蕩抑制”緩解的牽引系統(tǒng)定向控制策略結(jié)構(gòu)示意圖

通過(guò)加入“震蕩抑制”環(huán)節(jié)的方式，打破了地鐵牽引系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的“恒功率”前提，且忽略了電機(jī)以及逆變器損耗對(duì)逆變器輸出功率的影響。同時(shí)，以“轉(zhuǎn)矩等同于給定轉(zhuǎn)矩”為基本假設(shè)條件，經(jīng)調(diào)整阻抗的途徑干預(yù)可以增大阻尼指數(shù)，達(dá)到更好的震蕩抑制效果。

假定地鐵牽引系統(tǒng)中逆變器輸入功率最大值為500kW，在該工況狀態(tài)下：當(dāng)逆變器位于最大輸出功率且參數(shù)n取值固定時(shí)，若α參數(shù)取值較小，則系統(tǒng)特征根位于相位平面右側(cè)區(qū)間，提示牽引系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)定。但隨著α取值的不斷增大，當(dāng)n參數(shù)為1，且α參數(shù)為10.0ms時(shí)，系統(tǒng)特征根位于虛軸區(qū)間，此時(shí)地鐵牽引系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定工況下。在此基礎(chǔ)之上，隨著α參數(shù)取值的不斷增加，系統(tǒng)特征根可逐步向相位平面左側(cè)區(qū)間移動(dòng)，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的地鐵牽引系統(tǒng)運(yùn)行工況更加穩(wěn)定，牽引系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定裕度明顯提升。除此以外，當(dāng)α取固定值的情況下，隨著參數(shù)n取值的不斷增加，系統(tǒng)特征根有逐步偏離虛軸的傾向，牽引系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定裕度有逐步增加的趨勢(shì)。

經(jīng)實(shí)踐證實(shí)結(jié)果表明：在按照上述方式加入“震蕩抑制”環(huán)節(jié)后，地鐵牽引系統(tǒng)直流側(cè)濾波器無(wú)震蕩現(xiàn)象產(chǎn)生，牽引系統(tǒng)整體運(yùn)行平穩(wěn)。該結(jié)果表明：加入“震蕩抑制”環(huán)節(jié)對(duì)提高地鐵牽引系統(tǒng)穩(wěn)定性控制水平有重要效果，且隨著變流器功率水平的不斷增加，整個(gè)地鐵牽引系統(tǒng)的運(yùn)行情況更傾平穩(wěn)。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究中通過(guò)分析認(rèn)為：直流側(cè)震蕩因素，會(huì)對(duì)地鐵牽引系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響，難以確保地鐵牽引系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。以上借助于地鐵牽引系統(tǒng)空間等效電路模型研究直流側(cè)震蕩產(chǎn)生原因，并通過(guò)實(shí)施震蕩抑制的策施提高地鐵牽引系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性水平，以取得良好的系統(tǒng)穩(wěn)定性控制效果。

[1]孫大南，劉志剛，林文立，等.地鐵牽引變流器直流側(cè)振蕩抑制策略研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2011,33(8):52～57.

圖1 嵌入塊示意圖

圖2 扭力緊固順序

（3）方案實(shí)施效果。閥門(mén)完成緊固，為了檢驗(yàn)玻璃鋼管道兩側(cè)法蘭是否還存在應(yīng)力。把緊固的螺栓去除，在垂直起吊閥門(mén)的過(guò)程中，兩側(cè)的法蘭、墊片和閥門(mén)沒(méi)有產(chǎn)生摩擦應(yīng)力。閥門(mén)移除，查看兩側(cè)的法蘭盤(pán)側(cè)面仍然處于平行狀態(tài)，沒(méi)有產(chǎn)生錯(cuò)位。在玻璃鋼管地下管線系統(tǒng)試壓過(guò)程中，閥門(mén)以及糾偏處強(qiáng)度試驗(yàn)以及嚴(yán)密性試驗(yàn)均合格，圓滿完成系統(tǒng)試壓。經(jīng)過(guò)一系列的檢測(cè)和評(píng)估，說(shuō)明采用嵌入塊糾正法蘭錯(cuò)位的方案是成功的，這種糾偏工藝適用于玻璃鋼管道。

4 結(jié)語(yǔ)

嵌入塊法消除閥門(mén)應(yīng)力集中，很好地解決了閥門(mén)滯后安裝帶來(lái)的法蘭錯(cuò)口問(wèn)題。經(jīng)過(guò)項(xiàng)目的實(shí)際檢驗(yàn)，是個(gè)成功的新的工藝，為后續(xù)其他項(xiàng)目的玻璃鋼管道施工奠定了基礎(chǔ)。這種工藝方法，也可以嘗試著應(yīng)用于玻璃鋼管道被施工機(jī)械破壞的修補(bǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]SAMSS-029.沙特阿美石油公司重力流玻璃鋼管道和管件規(guī)范.

[2]SAMSS-034.沙特阿美石油公司壓力玻璃鋼管道和管件規(guī)范.

[3]SAES-L-350.沙特阿美石油公司工業(yè)管道施工規(guī)范.

[4]SAIC-L-2014沙特阿美石油公司法蘭連接檢查規(guī)

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A

1671-0711（2016）10（下）-0041-02