高速列車牽引傳動系統(tǒng)協(xié)同仿真研究及軟件設(shè)計

葛興來，張曉華

(西南交通大學(xué) 磁浮技術(shù)與磁浮列車教育部重點實驗室, 四川 成都　610031)

高鐵走出去戰(zhàn)略促進(jìn)了中國高速鐵路蓬勃發(fā)展，同時也對高速列車性能和安全提出了更高的要求。建立1套以高速列車為核心的多學(xué)科協(xié)同仿真系統(tǒng)，在未來高速鐵路的發(fā)展中將具有重要的工程應(yīng)用價值。牽引傳動系統(tǒng)協(xié)同仿真是高速列車耦合大系統(tǒng)仿真平臺的重要組成部分，這就需要搭建更真實的牽引傳動系統(tǒng)動態(tài)仿真模型，以及設(shè)計牽引傳動系統(tǒng)與仿真平臺間的協(xié)同仿真。

文獻(xiàn)[1]基于dSPACE實時仿真器建立牽引傳動系統(tǒng)純數(shù)字實時綜合仿真系統(tǒng)，并利用MATLAB軟件建立牽引傳動系統(tǒng)控制器模型和被控對象模型；文獻(xiàn)[2]以6軸電力機(jī)車傳動系統(tǒng)為例，分別采用硬件回路(HIL)和快速控制原型(RCP)2種半實物仿真方式，對牽引傳動系統(tǒng)進(jìn)行建模和分析。但二者都需要昂貴的硬件設(shè)備支持。文獻(xiàn)[3]采用純軟件設(shè)計的方式，結(jié)合SIMULINK和VC++軟件的優(yōu)點，建立了CRH2和CRH3型動車組的牽引傳動系統(tǒng)模型，可以在脫離MATLAB軟件的環(huán)境下運(yùn)行，但僅可進(jìn)行牽引傳動系統(tǒng)的獨立仿真，而且沒有考慮過分相、中間直流側(cè)電壓抬升以及與列車運(yùn)行控制模塊間的協(xié)同仿真，并且在高速列車全速域均采用異步空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)，這與實際不相符[4-7]。文獻(xiàn)[8]研究了可在線計算作用時間的同步SVPWM算法，但文中只給出了同步4脈沖和同步2脈沖2種開關(guān)序列。另外，有關(guān)基于純軟件的高速列車牽引傳動系統(tǒng)全速域、多學(xué)科協(xié)同仿真研究，目前也未見報道。

本文針對高速列車牽引傳動系統(tǒng)與運(yùn)行控制系統(tǒng)的協(xié)同仿真問題，從牽引傳動系統(tǒng)的動態(tài)仿真建模和協(xié)同仿真軟件設(shè)計兩方面展開研究。研究的同步7脈沖和同步5脈沖調(diào)制算法作為中速區(qū)的同步SVPWM算法，以提高列車中速區(qū)SVPWM算法的諧波性能；基于SIMULINK軟件搭建高速列車牽引傳動系統(tǒng)動態(tài)仿真模型，通過Real-Time Workshop將模型轉(zhuǎn)換為C/C++代碼，然后基于VC++設(shè)計可單步運(yùn)行的用于高速列車耦合大系統(tǒng)仿真平臺牽引傳動系統(tǒng)與運(yùn)行控制系統(tǒng)的協(xié)同仿真軟件，并驗證本文研究及設(shè)計的協(xié)同仿真軟件的有效性。

1　高速列車牽引傳動系統(tǒng)動態(tài)仿真

1.1　牽引傳動系統(tǒng)

CRH2型高速動車組三電平交—直—交型牽引傳動系統(tǒng)如圖1所示，其中牽引控制單元(TCU)是牽引控制系統(tǒng)的核心，用于接收司控臺發(fā)送的牽引/制動指令，控制牽引變流器和牽引電機(jī)跟蹤指令運(yùn)行。變流器的控制分為整流和逆變兩部分，網(wǎng)側(cè)單相三電平整流器輸出穩(wěn)定的中間直流電壓、網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)，其調(diào)制與控制算法已有詳盡研究[9]，在此不做贅述；雖電機(jī)側(cè)轉(zhuǎn)子磁場定向控制或直接轉(zhuǎn)矩控制已有成熟研究[10-11]，但有關(guān)三電平逆變器—牽引電機(jī)的全速域SVPWM算法研究較少或不足[12-13]。因此，對三電平逆變器—牽引電機(jī)全速域SVPWM算法做深入研究。

①—主斷路器；②—牽引變壓器；③—四象限脈沖整流器；④—三電平逆變器；⑤—牽引電機(jī)；⑥—TCU

1.2　三電平逆變器工作原理

CRH2型高速動車組采用二極管鉗位型三電平NPC(Neutral-Point-Clamped)逆變器(簡稱三電平逆變器)，其主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中：Ud為直流側(cè)電壓；C1，C2分別為直流側(cè)上、下支撐電容；Ta1—Ta4，Tb1—Tb4，Tc1—Tc4為三相橋臂功率開關(guān)器件。

圖2　三電平NPC逆變器主電路結(jié)構(gòu)

根據(jù)三電平逆變器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，定義三相橋臂狀態(tài)函數(shù)Si(i=a，b，c)為

(1)

以A相橋臂為例，定義輸出端對三相負(fù)載中性點的橋臂相電壓為uan，則：Si=P時，uan=Ud/2；Si=O時，uan=0；Si=N時，uan=-Ud/2。故三電平逆變器共有33=27種開關(guān)狀態(tài)，對應(yīng)的基本電壓矢量分布如圖3示，圖中：Uref為目標(biāo)電壓矢量；對空間電壓矢量平面按每隔60°為1個大扇區(qū)，共劃分出6個大扇區(qū)；且在第1扇區(qū)內(nèi)再劃分出6個小扇區(qū)。

圖3　三電平逆變器基本電壓矢量分布圖

1.3　三電平逆變器—牽引電機(jī)全速域SVPWM算法

針對牽引傳動系統(tǒng)低開關(guān)頻率的特點，牽引電機(jī)額定頻率以下區(qū)段分為異步調(diào)制區(qū)和分段同步調(diào)制區(qū)。

1.3.1異步SVPWM算法

傳統(tǒng)對稱七段式SVPWM算法(異步SVPWM算法)的調(diào)制模式是根據(jù)目標(biāo)電壓矢量Uref的位置選擇臨近冗余小矢量對，具有更優(yōu)的諧波性能和中點電位平衡能力[12]。

矢量選擇：以第1扇區(qū)為例，各小扇區(qū)首發(fā)矢量均為正小矢量(POO或PPO)，保證扇區(qū)切換時無矢量突變。小扇區(qū)5和6的矢量時序與傳統(tǒng)的對稱七段式無異，分別為POO→PON→PNN→ONN→PNN→PON→POO，PPO→PPN→PON→OON→PON→PPN→PPO。其余小扇區(qū)的電壓矢量時序如圖4示。圖中：Tx，Ty，Tz分別為對應(yīng)電壓矢量Ux，Uy和Uz的作用時間。

合成時間計算：在1個開關(guān)周期Ts內(nèi)，按最近三矢量合成原則，將電壓矢量Ux，Uy和Uz合成目標(biāo)電壓矢量Uref；根據(jù)伏秒平衡關(guān)系，各電壓矢量作用時間Tx，Ty和Tz滿足下式。

UrefTs=UxTx+UyTy+UzTz

其中，

Ts=Tx+Ty+Tz

(2)

圖4　電壓矢量時序圖

定義調(diào)制度m=πUref/(2Ud)，以圖4所示小扇區(qū)電壓矢量時序圖為例，小扇區(qū)1和2，及小扇區(qū)3和4的電壓矢量作用時間分別見式(3)、式(4)。

(3)

(4)

式中：θ為目標(biāo)電壓矢量Uref的相角。

1.3.2同步SVPWM算法

同步調(diào)制的設(shè)計步驟與異步調(diào)制基本一致，不同的是同步調(diào)制以角度作為自變量進(jìn)行開關(guān)角的求解，則式(2)的伏秒平衡關(guān)系可等價為

Urefθs=Uxθx+Uyθy+Uzθz

其中，

θs=θx+θy+θz=ωsTs

(5)

式中：θs為電壓采樣角度；θx，θy，θz分別為對應(yīng)電壓矢量的作用角度；ωs為牽引電機(jī)基波角頻率，rad·s-1。

表1　滿足同步和對稱條件的橋臂狀態(tài)函數(shù)

根據(jù)最近三矢量合成原則，同步調(diào)制區(qū)零矢量電壓已經(jīng)不參與矢量合成，余下的小矢量、中矢量、大矢量電壓分別用Usv，Umv和Ubv表示。根據(jù)不同的目標(biāo)電壓采樣次數(shù)SN和采樣位置，可設(shè)計不同的開關(guān)序列。以圖3所示第1扇區(qū)為例，當(dāng)SN=2時，同步調(diào)制采樣電壓矢量的分布如圖5所示，電壓采樣角度θs=30°，電壓矢量U1的采樣位置為θ1=15°，剩余11個采樣電壓矢量U2—U12的采樣位置基于對稱性逆時針依次分布。

圖5　同步調(diào)制采樣電壓矢量分布圖

同步多脈沖調(diào)制的關(guān)鍵在于設(shè)計合理的開關(guān)矢量序列。以圖5為例，在第1扇區(qū)共有2個采樣電壓矢量，選用矢量序列Usv→Ubv→Umv在0°～30°范圍內(nèi)對采樣電壓矢量U1進(jìn)行合成，選用矢量序列Umv→Ubv→Usv在30°～60°范圍內(nèi)對采樣電壓矢量U2進(jìn)行合成。由式(5)分別得到電壓矢量U1和U2的作用角度，見式(6)、式(7)。

(6)

(7)

根據(jù)各大扇區(qū)的對稱性，由式(8)可推導(dǎo)出其他5個大扇區(qū)的矢量開關(guān)序列。

(8)

故在設(shè)計開關(guān)序列時，只需設(shè)計第一扇區(qū)滿足同步和對稱性要求的開關(guān)矢量序列，則可由式(8)計算得出整個基波周期內(nèi)的同步多脈沖調(diào)制開關(guān)序列。經(jīng)過推導(dǎo)，得到同步7脈沖和同步5脈沖2種新的調(diào)制算法作為中速區(qū)的同步SVPWM算法，提高了傳統(tǒng)全速域SVPWM算法的諧波性能。其中，同步7脈沖的相角θn=1,2,3,4,5=[6°，18°，30°，42°，54°]，對應(yīng)的開關(guān)序列為UsvUmvUbv→UsvUbvUmv→UsvUmvUsv→UmvUbvUsv→UbvUmvUsv，同步5脈沖的相角θn=1,2,3,4=[7.5°，22.5°，37.5°，52.5°]，對應(yīng)的開關(guān)序列為UsvUmvUbv→UsvUbvUmv→UmvUbvUsv→UbvUmvUsv。

1.4　牽引傳動系統(tǒng)全速域仿真

在高速列車牽引傳動系統(tǒng)仿真控制中，對四象限脈沖整流器采取功率解耦控制，對牽引電機(jī)采取間接轉(zhuǎn)子磁場定向控制，隨著列車速度的上升采取的三電平逆變器—牽引電機(jī)全速域SVPWM算法依次為異步調(diào)制→同步7脈沖→同步5脈沖→同步4脈沖→同步2脈沖→單脈沖控制。圖6中虛線框所示為2個聯(lián)動選擇開關(guān)，其若為0，則系統(tǒng)進(jìn)入獨立仿真模式，不考慮線路數(shù)據(jù)和列車運(yùn)行控制；若為1，則系統(tǒng)進(jìn)入?yún)f(xié)同仿真模式，讀取列車運(yùn)行控制系統(tǒng)輸出的牽引力、速度、阻力等實時數(shù)據(jù)，經(jīng)過線性處理后作為牽引傳動系統(tǒng)的指令信號。

圖6　三電平牽引傳動系統(tǒng)全速域仿真控制框圖

牽引電機(jī)參數(shù)：額定功率為365 kW，額定電壓為2 700 V，額定頻率為140 Hz，定子的電阻為0.144 Ω、漏感為1.417 mH，轉(zhuǎn)子的電阻為0.146 Ω、漏感為1.294 mH、互感為32.848 mH、轉(zhuǎn)動慣量為362 kg·m2，極對數(shù)為2。

2　牽引傳動系統(tǒng)協(xié)同仿真軟件設(shè)計

2.1　系統(tǒng)需求分析

牽引傳動系統(tǒng)仿真子系統(tǒng)負(fù)責(zé)模擬高速列車牽引傳動系統(tǒng)的動態(tài)運(yùn)行情況，是高速列車耦合大系統(tǒng)仿真平臺的重要組成部分。

針對高速列車耦合大系統(tǒng)的協(xié)同仿真要求，牽引傳動仿真子系統(tǒng)應(yīng)該具備如下功能。

(1)模擬真實的高速列車牽引傳動系統(tǒng)及其動態(tài)運(yùn)行情況，系統(tǒng)包括牽引變壓器、牽引變流器、牽引電機(jī)模型以及全速域調(diào)制與控制算法，滿足列車較寬范圍內(nèi)調(diào)速性能的要求。

(2)根據(jù)牽引/制動特性曲線實現(xiàn)高速列車牽引/制動運(yùn)行的控制，能與高速列車耦合大系統(tǒng)仿真平臺中其他模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信，并具有讀寫數(shù)據(jù)庫的接口。

(3)具有良好的可擴(kuò)展性和兼容性，友好的人機(jī)交互界面，并可集成現(xiàn)有型號的高速列車牽引傳動系統(tǒng)仿真模型。

2.2　協(xié)同仿真軟件設(shè)計

基于MATLAB/Simulink軟件進(jìn)行動車組牽引傳動系統(tǒng)全速域動態(tài)仿真，雖然是一種被廣泛認(rèn)可的研究方法，但其存在可移植性差、依賴MATLAB軟件運(yùn)行環(huán)境、交互性較差等不足。而完全采取C/C++編程實現(xiàn)牽引傳動系統(tǒng)動態(tài)仿真，開發(fā)難度較大且周期長。因此，本文采取混合編程的設(shè)計方法，將牽引傳動系統(tǒng)仿真計算內(nèi)核程序放在MATLAB/Simulink軟件中實現(xiàn)，而將交互界面、數(shù)據(jù)可視化等上位機(jī)程序放在VC++中實現(xiàn)。同時，為加快牽引傳動系統(tǒng)仿真模型的計算速度，基于C語言編寫了三電平牽引傳動系統(tǒng)全速域SVPWM算法，以及三電平四象限脈沖整流器—支撐電容—逆變器—電機(jī)等主電路模型的S-Function模塊，并通過MEX函數(shù)進(jìn)行調(diào)用。協(xié)同仿真軟件的設(shè)計框圖如圖7所示。協(xié)同仿真軟件通過接口數(shù)據(jù)處理程序?qū)⑸衔粰C(jī)程序和計算內(nèi)核程序連通，完成仿真參數(shù)設(shè)定、消息指令傳送、仿真結(jié)果數(shù)據(jù)處理與顯示等基本功能，大大降低了仿真軟件開發(fā)的難度和周期。

圖7　協(xié)同仿真軟件設(shè)計框圖

設(shè)計的協(xié)同仿真軟件不僅可實現(xiàn)牽引傳動系統(tǒng)獨立仿真[3]，最主要的是還可實現(xiàn)牽引傳動系統(tǒng)與高速列車運(yùn)行控制系統(tǒng)間的協(xié)同仿真，即消息指令來自于列車運(yùn)行控制模塊[14-15]，牽引傳動系統(tǒng)單步計算內(nèi)核程序在線實時對指令值進(jìn)行跟蹤，并輸出實際的電機(jī)轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩等仿真數(shù)據(jù)。圖8給出了獨立仿真模式下牽引傳動系統(tǒng)協(xié)同仿真軟件的主界面，包括仿真參數(shù)配置、數(shù)據(jù)監(jiān)視等功能。

圖8　牽引傳動系統(tǒng)協(xié)同仿真軟件主界面

考慮到可擴(kuò)展性，將三電平牽引傳動系統(tǒng)仿真內(nèi)核封裝為動態(tài)鏈接庫的形式，便于后續(xù)對不同車型、不同控制策略牽引傳動系統(tǒng)的集成。理論上模型中所有的參數(shù)均可以預(yù)留接口，并在軟件中進(jìn)行參數(shù)修改和仿真調(diào)試，包括主電路參數(shù)和控制器參數(shù)。

3　仿真結(jié)果

3.1　獨立仿真模式下的仿真結(jié)果

不考慮線路數(shù)據(jù)和列車運(yùn)行控制，將圖6所示的牽引傳動系統(tǒng)模型按獨立仿真模式配置，其中四象限脈沖整流器采取功率解耦控制，牽引電機(jī)采取內(nèi)嵌全速域SVPWM的間接轉(zhuǎn)子磁場定向控制。仿真得到牽引和制動工況下網(wǎng)側(cè)電壓和電流的波形如圖9所示。由圖9可見：在牽引工況下網(wǎng)側(cè)電壓us和網(wǎng)側(cè)電流is同相位，而在制動工況下它們的相位差為180°，牽引和制動工況下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)均為1，驗證了仿真模型及四象限脈沖整流器功率解耦控制算法的正確性，能夠滿足高速列車牽引傳動系統(tǒng)的運(yùn)行要求。

牽引傳動系統(tǒng)中間直流側(cè)電壓波形如圖10所示。由圖10可見：中間直流側(cè)電壓可平順地從2 600 V抬升至3 000 V，幅值波動較小，可實現(xiàn)中點電位的平衡；0～3 s為整流器在啟動階段經(jīng)過預(yù)充電、不控整流使直流側(cè)電壓達(dá)到目標(biāo)值的過程，這與高速列車的實際運(yùn)行情況相一致，即先啟動整流器并封鎖逆變器脈沖，待到中間直流側(cè)電壓充電到目標(biāo)值，再對牽引逆變器—牽引電機(jī)解除脈沖封鎖。

圖9　牽引和制動工況下網(wǎng)側(cè)電壓和電流的波形

圖10　中間直流側(cè)電壓波形

獨立仿真模式下牽引/制動全過程的轉(zhuǎn)矩—速度曲線如圖11所示。由圖11可見：仿真模型輸出的實際轉(zhuǎn)矩能夠較好地跟蹤給定轉(zhuǎn)矩，表明采取的同步SVPWM算法可在一定程度上減小轉(zhuǎn)矩脈動。

圖11　轉(zhuǎn)矩—速度曲線

3.2　各區(qū)段SVPWM算法切換的仿真結(jié)果

圖12為各區(qū)段SVPWM算法動態(tài)切換過程中相電壓、相電流和轉(zhuǎn)矩的波形。圖中：Sg為調(diào)制模式。由圖12可見：在各調(diào)制模式下，仿真模型輸出的電壓波形與理論設(shè)計相一致，牽引電機(jī)的電流正弦度較高、轉(zhuǎn)矩波動較小，且不同調(diào)制模式間切換沖擊很?。挥^察不同區(qū)段的牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩波形，可以看到在同步調(diào)制區(qū)段，轉(zhuǎn)矩在1個基波周期內(nèi)有6次周期性脈動，而其脈動規(guī)律與設(shè)計的開關(guān)序列直接相關(guān)，同時也與基波頻率相關(guān)。

3.3　協(xié)同仿真模式仿真結(jié)果

考慮線路數(shù)據(jù)和列車運(yùn)行控制，將圖6所示牽引傳動系統(tǒng)模型按協(xié)同仿真模式配置，讀取列車運(yùn)行控制模塊輸出的全程明細(xì)數(shù)據(jù)，主要有牽引力、速度、阻力、運(yùn)行工況、過分相指令等關(guān)鍵參數(shù)，經(jīng)過對數(shù)據(jù)線性處理，作為控制指令輸入牽引傳動系統(tǒng)仿真內(nèi)核，進(jìn)行模型的單步迭代計算。圖13為仿真全程網(wǎng)側(cè)電流波形。由圖13可見：電流幅值反映了牽引電機(jī)的輸出功率，在500 s之前牽引傳動系統(tǒng)主要是牽引過程，即網(wǎng)側(cè)電流先從0抬升至20 A左右，然后保持恒定不變，分別對應(yīng)著電力牽引恒轉(zhuǎn)矩、恒功率運(yùn)行區(qū)。

圖12　牽引傳動系統(tǒng)電機(jī)側(cè)各區(qū)段SVPWM動態(tài)切換結(jié)果

圖13　仿真全程網(wǎng)側(cè)電流波形

圖14為協(xié)同仿真模式下全程中間直流側(cè)電壓波形。由圖14可見：中間直流側(cè)電壓的幅值基本保持恒定，不存在中點電位不平衡問題。

圖14　仿真全程中間直流側(cè)電壓波形

圖15為協(xié)同仿真模式下全程速度、牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩波形。由圖15可見：列車的實際速度可較準(zhǔn)確地跟蹤列車運(yùn)行控制模塊輸出的給定速度，牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩波形可較真實地模擬列車牽引力輸出，實現(xiàn)了列車運(yùn)行控制模塊與牽引傳動系統(tǒng)模塊間的協(xié)同仿真。

圖15　仿真全程速度、轉(zhuǎn)矩波形

由圖13—圖15可見：在協(xié)同仿真模式下，網(wǎng)側(cè)電流跌落到0，中間直流側(cè)電壓存在一定的過沖，轉(zhuǎn)矩和速度均存在一定程度的跌落，牽引傳動系統(tǒng)能夠正確響應(yīng)列車運(yùn)行控制模塊發(fā)出的過分相信號，較真實地模擬了高速列車的實際運(yùn)行狀況。

4　結(jié)　論

(1)相對于傳統(tǒng)全速域SVPWM算法，本文的牽引傳動系統(tǒng)全速域SVPWM算法(異步調(diào)制—同步7脈沖—同步5脈沖—同步4脈沖—同步2脈沖—單脈沖控制)減小了低開關(guān)頻率下逆變器—電機(jī)的電流諧波和轉(zhuǎn)矩脈動，各區(qū)段SVPWM算法間也實現(xiàn)了閉環(huán)控制下的平滑切換，無明顯電流、轉(zhuǎn)矩沖擊，輸出諧波性能較好。

(2)在協(xié)同仿真模式下，列車實際速度可較好地跟蹤列車運(yùn)行控制模塊輸出的給定速度，仿真全程的網(wǎng)側(cè)電流、中間直流側(cè)電壓、轉(zhuǎn)矩波形能夠較好地反映實際牽引傳動系統(tǒng)的運(yùn)行情況，以及響應(yīng)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)發(fā)送的牽引/再生制動/過分相/停車指令，滿足協(xié)同仿真的設(shè)計要求。

(3)相較于完全基于Simulink軟件搭建的仿真軟件，基于Simulink和VC++軟件混合編程開發(fā)的高速列車牽引傳動系統(tǒng)全速域協(xié)同仿真軟件具有交互性好、可移植性強(qiáng)、可單步運(yùn)行等優(yōu)點，特別是可單步運(yùn)行為牽引傳動系統(tǒng)與高速列車耦合大系統(tǒng)仿真平臺間的實時在線耦合仿真提供了條件。

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