動車組變流器中間直流電壓保持控制策略研究

孫一峰

摘要：高速動車組變流裝置包括牽引變流器與輔助變流器。牽引變流器的主要功能是將牽引變壓器降壓后的單相交流電，通過交直交變換輸出VVVF三相PWM電壓驅(qū)動牽引電機，為列車的運行提供動力，輔助變流器的主要功能是為動車組運行所必需的輔助設(shè)備供電，例如為各種冷卻裝置、空壓機、照明和空調(diào)、蓄電池等供電。

關(guān)鍵詞：動車組；變流器；中間直流電壓；控制策略

1中間直流電壓保持模式及其應(yīng)用

1.1 中間直流電壓保持模式簡介

牽引變流器部分主要由四象限整流器、中間直流環(huán)節(jié)和牽引逆變器組成。四象限整流器可實現(xiàn)單相交流電與直流電之間的四象限變換，并保證網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近于1；中間直流環(huán)節(jié)主要起到儲能和穩(wěn)定中間直流電壓的作用，并保證能量傳遞時的瞬時功率平衡；牽引逆變器主要為牽引電機提供驅(qū)動電源，可使?fàn)恳姍C工作在牽引或再生制動工況。輔助變流器采用直交型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輸入側(cè)并聯(lián)到牽引變流器中間直流環(huán)節(jié)獲取電能，將中間直流電壓變換成三相380V/50Hz正弦交流電壓提供給各類輔助負(fù)載。列車在牽引工況運行時，牽引電機工作在電動機狀態(tài)，牽引逆變器工作在逆變狀態(tài)，能量從中間直流環(huán)節(jié)流向牽引電機；列車在再生制動工況運行時，牽引電機工作在發(fā)電機狀態(tài)，牽引逆變器工作在整流狀態(tài)，可將牽引電機制動產(chǎn)生的能量回饋至中間直流環(huán)節(jié)。在某些特殊運行工況下，高速列車會失去網(wǎng)側(cè)對牽引系統(tǒng)的供電，四象限整流器將停止工作，此時為保證車載空調(diào)、照明、冷卻裝置等輔助設(shè)備的正常工作，可以使?fàn)恳兞髌鞴ぷ髟谥虚g直流電壓保持模式。中間直流電壓保持模式下牽引變流器不再受控于列車控制級發(fā)送的牽引或制動指令，僅根據(jù)輔助供電系統(tǒng)的功率需求，由變流器控制單元控制中間直流電壓保持穩(wěn)定，利用再生制動反饋的能量保證輔助變流器及必要負(fù)載設(shè)備的持續(xù)正常工作。由于輔助系統(tǒng)的功率相對于牽引系統(tǒng)較小，中間直流電壓保持模式下牽引變流器相當(dāng)于工作在“微電制”狀態(tài)。

1.2 中間直流電壓保持模式應(yīng)用工況

1.2.1過分相

在單相交流供電的電氣化鐵路上，為使電力系統(tǒng)三相負(fù)荷盡可能平衡，接觸網(wǎng)通常采用分段換相供電，每隔20～30km設(shè)置一段供電絕緣區(qū)域，即分相區(qū)。接觸網(wǎng)在分相區(qū)兩側(cè)由不同兩相進行供電，在分相區(qū)內(nèi)則無供電。高速列車在經(jīng)過分相區(qū)時，通常需要采用自動過分相方式，控制單元提前接收到過分相信號，并封鎖四象限整流器的控制脈沖。在過分相過程中，僅依靠變流器的中間直流電容儲能難以維持中間直流電壓的穩(wěn)定和輔助系統(tǒng)的持續(xù)工作，因此通常使?fàn)恳兞髌髑袚Q到中間直流電壓保持模式。經(jīng)過分相區(qū)之后，控制單元重新激活對四象限整流器的控制，使?fàn)恳孀兤魍顺鲋虚g直流電壓保持模式恢復(fù)到正常牽引或電制動運行狀態(tài)。

1.2.2無動力回送

高速列車在載客運營過程中，如果發(fā)生嚴(yán)重故障導(dǎo)致失去牽引動力，則需要機車實施救援，將其回送到便于乘客換乘的車站。在無動力回送過程中，將禁止升弓、閉合主斷路器等操作，整個列車將在網(wǎng)側(cè)無供電情況下運行。由于高速列車的車窗為封閉結(jié)構(gòu)，為了不影響乘客乘坐的舒適性，需要使空調(diào)以及照明等設(shè)施能夠正常工作，為解決該問題，動車組變流器通常配備回送發(fā)電裝置。無動力回送工況下，當(dāng)使用回送發(fā)電裝置時，首先通過DC/DC裝置將來自DC110V蓄電池的電壓為中間直流環(huán)節(jié)充電至一定初始電壓，然后利用該初始電壓建立起牽引電機的勵磁，并進入中間直流電壓保持模式，控制中間直流電壓上升到給定值且保持穩(wěn)定，進而在無動力回送過程中將來自列車的動能轉(zhuǎn)化為電能，為動車組必要的輔助設(shè)備提供持續(xù)供電。

2 中間直流電壓保持控制策略

2.1 牽引傳動系統(tǒng)矢量控制原理

直接矢量控制對同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的勵磁電流分量i*sd和轉(zhuǎn)矩電流分量i*sq進行閉環(huán)調(diào)節(jié)，電流調(diào)節(jié)器的輸出電壓u*sdc，u*sqc與前饋電壓u*sd，u*sq疊加，得到定子電壓幅值和相角，再經(jīng)PWM調(diào)制產(chǎn)生逆變器輸出電壓，從而實現(xiàn)對電機電流、轉(zhuǎn)矩的瞬態(tài)控制。

2.2中間直流電壓保持控制策略

當(dāng)牽引變流器工作在中間直流電壓保持模式下，矢量控制策略將維持中間直流電壓所需要的功率作為前饋量，重新計算轉(zhuǎn)矩電流給定值i*sq，而勵磁電流的給定仍采用原有方式，以此調(diào)整再生制動轉(zhuǎn)矩，達到控制中間直流電壓的目的。

2.3前饋補償控制響應(yīng)分析

中間直流電壓保持控制策略中采用了功率前饋補償?shù)姆椒?。相比于不加前饋補償?shù)目刂品椒ǎ忧梆佈a償?shù)姆椒軌蛴行岣呦到y(tǒng)對負(fù)載功率的響應(yīng)速度以及閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。從理論上可以通過分析系統(tǒng)對功率變化的敏感性，對加入功率前饋補償前后的控制性能進行對比。

2.4前饋功率計算

2.4.1輔助變流器消耗功率計算

輔助變流器消耗功率可采用2種方法進行計算。1）采用中間直流側(cè)電流計算。采用該方法時，需要在牽引變流器中間直流環(huán)節(jié)向輔助變流器供電的線路上加裝電流傳感器。由于輔助變流器的輸入側(cè)通常采用三相橋式逆變電路，因此電流傳感器測量到的瞬時值并非穩(wěn)定的直流量，這種情況下需要對采集的電流進行濾波處理以得到輔助直流電流的平均值。采用輔助變流器電壓電流計算。該方法由輔助變流器控制器計算出功率，然后通過數(shù)字通信接口將功率值傳遞給牽引變流器控制單元，這種情況下可省去在線路上加裝電流傳感器，適用于主輔一體的變流器結(jié)構(gòu)。進行輔助變流器控制需要采集三相隔離變壓器二次側(cè)電壓和一次側(cè)電流數(shù)據(jù)，可根據(jù)三相隔離變壓器的聯(lián)結(jié)方式和變比將二次側(cè)電壓折算至一次側(cè)。

2.4.2電機損耗計算

采用異步電機作為牽引電機時，電機損耗主要包括定子、轉(zhuǎn)子銅耗和定子、轉(zhuǎn)子鐵耗，以及包括機械損耗在內(nèi)的其他損耗。其中，銅耗和鐵耗所占比例較大（至少80%以上），因此前饋功率補償中僅考慮電機的銅耗和鐵耗即可。

2.4.3牽引逆變器損耗計算

牽引逆變器在能量傳遞過程中均會產(chǎn)生損耗。逆變器損耗主要包括功率器件的通態(tài)損耗、開關(guān)損耗以及線路損耗，通態(tài)損耗取決于器件的管壓降和負(fù)載電流，開關(guān)損耗取決于開關(guān)頻率和負(fù)載電流。

3試驗結(jié)果

試驗臺采用變流器-牽引電機“背靠背”對拖式結(jié)構(gòu)，試驗過程中陪試系統(tǒng)工作在速度模式，被試牽引系統(tǒng)工作在轉(zhuǎn)矩模式。輔助變流器輸入側(cè)連接到牽引變流器中間直流環(huán)節(jié)，并投入一定功率的輔助負(fù)載。牽引變流器收到過分相指令后進入中間直流電壓保持模式，然后出分相退出中間直流電壓保持模式，進入中間直流電壓保持模式后，變流器中間直流電壓跟隨指令值變化到約3500V，牽引電機轉(zhuǎn)矩由牽引特性轉(zhuǎn)變?yōu)樵偕苿犹匦?，并且在整個過分相試驗過程中，中間直流電壓及電機轉(zhuǎn)矩保持穩(wěn)定。由于試驗電機轉(zhuǎn)速由陪試系統(tǒng)控制，因此在再生制動工況下電機轉(zhuǎn)速維持恒定。從切換時刻到進入穩(wěn)態(tài)的過程中，電機電壓、電流均在出現(xiàn)因控制切換造成的突變擾動之后較快地恢復(fù)穩(wěn)定，控制策略達到良好的動態(tài)效果。牽引變流器中間直流電壓初始值約為1000V，收到無動力回送模式指令后，切換到中間直流電壓保持模式，通過中間直流電壓保持控制將中間直流電壓提升至約3500V，維持一段時間之后再平穩(wěn)退出中間直流電壓保持模式。在無動力回送工況下，通過中間直流電壓保持控制可以較快地建立并保持系統(tǒng)工作所需要的中間直流電壓，電機電壓、電流變化正常，控制策略的動態(tài)、穩(wěn)態(tài)響應(yīng)良好。

結(jié)論

本文在介紹動車組變流器中間直流電壓保持模式的特點及應(yīng)用工況的基礎(chǔ)上，研究并提出了基于矢量控制的中間直流電壓保持控制策略，從理論上分析了功率前饋補償對控制的影響，給出了相應(yīng)的前饋功率計算方法。試驗結(jié)果驗證了本文提出的控制策略在過分相和無動力回送工況下，可以有效實現(xiàn)變流器中間直流電壓的保持控制，且具有良好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。

參考文獻

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（作者單位：北京鐵路集團天津動車客車段天津動車所）