直交型電力機車直流側電壓穩(wěn)定控制及改善方法

杜昌明

【摘 ?要】隨著我國的經濟在快速的發(fā)展，社會在不斷的進步，針對直交型電力機車在恒功率工況下的直流側電壓不穩(wěn)定問題，提出一種網側電路與牽引傳動系統(tǒng)動態(tài)解耦的有源阻抗穩(wěn)定控制方法，并提出一種回饋系數(shù)改善策略，以降低網側電壓紋波對牽引傳動系統(tǒng)的影響。建立了系統(tǒng)等效數(shù)學模型，依據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定判據(jù)提出一種有源阻抗穩(wěn)定控制方法，然后分析了在網側電壓含有紋波時穩(wěn)定控制對牽引傳動系統(tǒng)的影響，通過引入合適的控制回饋系數(shù)對控制效果進行改善，通過仿真與實驗證明了所提控制方法與改善策略的可行性和正確性。

【關鍵詞】電力機車;有源阻抗;牽引傳動系統(tǒng);回饋系數(shù);恒功率;電壓控制

引言

自19世紀初第一條鐵路誕生以來，鐵路運輸成為世界交通運輸行業(yè)一個重要的組成部分。鐵路運輸行業(yè)的發(fā)展幾經起伏，在20世紀中葉，為了扭轉在運輸行業(yè)競爭中的被動局面，提高競爭力，我國開始引入電氣傳動系統(tǒng)，逐步地將傳統(tǒng)動力的機車升級替換為新型電力機車。電力機車在提高能效、節(jié)約能源的同時能夠大幅度提升鐵路運輸能力，并且能夠降低污染利于環(huán)保，新技術的采用也為后來的幾次鐵路大提速奠定了基礎，為我國的鐵路運輸行業(yè)帶來了翻天覆地的變化。

1優(yōu)化原則與利弊分析

1）原則網絡控制系統(tǒng)的構架優(yōu)化主要基于以下兩個原則：（1）根據(jù)設備和信號的冗余分類，保證劃分后的網絡具有更高的冗余度;（2）一致性較高的設備在同一網段，第三方設備在同一網段。2）利弊分析網絡控制系統(tǒng)的構架優(yōu)化的優(yōu)點主要有以下幾點：（1）提高網絡抗干擾能力，確保個別設備的故障不影響整個網絡癱瘓，將故障影響降到最低;（2）各網段的電纜總長度遠小于原來電纜長度;（3）提高網絡冗余度，部分設備故障不影響機車運用;（4）不明原因的故障可以明確定位;網絡控制系統(tǒng)的構架優(yōu)化的劣勢主要有以下幾點：1）增加成本和安裝空間，包括新增設備和電纜以及協(xié)調主機廠增加設備安裝空間;2）增加布線長度和布線難度，總體的電纜布線距離變長，電纜多次穿過司機室墻體，由原單一的總線結構變?yōu)榭偩€+星型混合結構網絡;3）新增網絡設備，增加該設備的故障點。

2有源阻抗穩(wěn)定控制方法

2.1DAB變換器移相控制策略

對于DAB變換器，一種比較主流的控制方式是雙主動全橋移相控制方式。這種控制方式下變換器兩側H橋均工作于某種逆變狀態(tài)，并通過主動控制令逆變電壓間相差一定的相位角度，該方式更加易于直接利用前一節(jié)分析得到的DAB變換器功率關系，故本文所研究的級聯(lián)型PET隔離級DAB變換器采用這種方案進行控制。采用移相控制進行脈沖調制的時候可以有以下幾種不同的方式。比較常見的一種是最簡單的SPS（SinglePhaseShift）控制，該方式下變換器兩側H橋均工作于雙極性逆變狀態(tài)，發(fā)出占空比為50%的方波，直接利用方波間的相位差以及變壓器漏電感進行能量傳遞。在此基礎上，還可以在變壓器原邊側H橋兩橋臂間加入移相角，使原邊側H橋工作于移相逆變狀態(tài)（單極性狀態(tài)），這樣變換器的控制中采用了兩重移相控制，稱為DPS

2.2總體結構描述

網絡控制系統(tǒng)采用二層總線結構：列車級和車輛級控制，列車控制級采用絞線式列車總線WTB，車輛控制級采用多功能車輛總線MVB_EMD。由于多功能車輛總線MVB_EMD網段涉及大量設備（其中包含第三方設備），為進一步劃分網段，同時在一致性試驗未充分驗證的前提下，充分的利用總線+星型混合網絡結構，最大限度的隔離故障設備，因而提高網絡的抗干擾能力，更有效的管理網絡。網絡控制系統(tǒng)使用分布式控制技術，即分布采集及執(zhí)行，中央集中控制與管理的模式。機車網絡控制系統(tǒng)硬件由網關模塊GWM、事件記錄模塊E-DRM、中繼器REP、數(shù)字量輸入輸出模塊DXM、數(shù)字量輸入模塊DIM、模擬量輸入輸出模塊AXM和智能顯示單元DDU等組成，通過MVB與主變流器控制單元TCU、制動控制單元BCU、列車供電系統(tǒng)ETS和無線重聯(lián)裝置OCE等智能設備進行通信。各單元之間通過MVB_EMD接口完成數(shù)據(jù)通信，各模塊通信接口定義符合IEC61375標準。

2.3仿真驗證

為驗證本文穩(wěn)定控制效果，先設定指令轉速為定值，此時系統(tǒng)未進入恒功率狀態(tài)，后通過改變指令轉速方式使系統(tǒng)進入恒功率狀態(tài)，由此對穩(wěn)定控制的實際作用進行分析。至5.6s時，系統(tǒng)指令轉速改變，電機進入恒功率工況，由于該系統(tǒng)參數(shù)設定不滿足式的系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)，隨后電壓、電流出現(xiàn)不穩(wěn)定振蕩，至6.3s時電壓、電流出現(xiàn)等幅振蕩現(xiàn)象，且電機轉矩受其影響出現(xiàn)劇烈振蕩現(xiàn)象，可知此時電機存在較大的功率波動。由前文分析可知，直流側電壓出現(xiàn)的不穩(wěn)定現(xiàn)象與系統(tǒng)引入的負阻尼相關。而加入穩(wěn)定控制后，當系統(tǒng)進入恒功率工況后，穩(wěn)定系統(tǒng)消除了負阻尼，使系統(tǒng)工作于自然阻尼狀態(tài)，此時網側電路與牽引傳動系統(tǒng)解耦，系統(tǒng)運行過程中未出現(xiàn)之前的不穩(wěn)定現(xiàn)象，各信號均達到設計值并穩(wěn)定運行，穩(wěn)定效果明顯。但同時，穩(wěn)定控制系統(tǒng)會對牽引傳動系統(tǒng)產生干擾，其主要表現(xiàn)在電機會伴隨有一定的轉矩波動，故應選擇合理的回饋系數(shù)以降低穩(wěn)定控制對牽引傳動系統(tǒng)造成的影響。含有紋波時，穩(wěn)定控制的加入將對電機定子側電壓矢量信號產生影響，進而影響電機電流，故通過仿真分析引入網側紋波時電機定子側電流諧波分量，驗證回饋系數(shù)改善策略的影響。電機在回饋系數(shù)選擇合理情況下運行速度穩(wěn)定，但由于直流側電壓含有紋波，電機定子側電流出現(xiàn)發(fā)生畸變。

結語

本文首先對恒功率工況下的直流側電壓不穩(wěn)定問題機理進行分析，通過建立網側電路與牽引傳動系統(tǒng)等效數(shù)學模型，得到電路方程與穩(wěn)定性判據(jù)，并提出一種動態(tài)解耦的有源阻抗穩(wěn)定控制方法;然后分析了網側電壓含有紋波時穩(wěn)定控制對電機定子側電壓矢量產生的影響，并根據(jù)等效數(shù)學模型，提出一種可增加有源紋波阻抗的回饋系數(shù)改善策略，以降低紋波的影響;最后通過仿真與實驗證明了所提穩(wěn)定控制方法的穩(wěn)定效果以及回饋系數(shù)改善策略的可行性與正確性。

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（作者單位：中車蘭州機車有限公司）