軌道交通車(chē)輛永磁同步牽引系統(tǒng)斷電區(qū)穿越控制策略

張偉偉 肖 飛 劉計(jì)龍 麥志勤 林克文

軌道交通車(chē)輛永磁同步牽引系統(tǒng)斷電區(qū)穿越控制策略

張偉偉 肖 飛 劉計(jì)龍 麥志勤 林克文

（海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430033）

永磁同步牽引傳動(dòng)系統(tǒng)是軌道交通車(chē)輛穩(wěn)定運(yùn)行的重要組成部分，由于車(chē)輛經(jīng)過(guò)斷電區(qū)時(shí)，供電系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)短暫失電而引起母線(xiàn)電壓突變，對(duì)牽引系統(tǒng)造成電流沖擊以及LC振蕩，甚至觸發(fā)系統(tǒng)發(fā)生重大故障，影響系統(tǒng)運(yùn)行。為使車(chē)輛能夠平穩(wěn)穿越斷電區(qū)，該文通過(guò)建立軌道車(chē)輛永磁同步牽引系統(tǒng)穿越斷電區(qū)的等效電路，推導(dǎo)出系統(tǒng)進(jìn)入斷電區(qū)前后的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上提出一種通過(guò)整流發(fā)電穩(wěn)定母線(xiàn)電壓穿越斷電區(qū)的控制策略，避免關(guān)閉牽引系統(tǒng)和斷開(kāi)主接觸器，同時(shí)降低駛離斷電區(qū)時(shí)母線(xiàn)電壓突變，從而減小牽引系統(tǒng)的沖擊及振蕩。仿真和試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提控制策略的有效性和可行性。

軌道交通車(chē)輛 永磁同步電機(jī) 牽引控制系統(tǒng) 斷電區(qū) 整流發(fā)電

0 引言

軌道交通車(chē)輛永磁同步牽引傳動(dòng)系統(tǒng)由接觸軌受電模塊、直流充電濾波模塊、牽引變流器、永磁同步牽引電機(jī)等組成，集電靴從接觸軌取電后經(jīng)濾波器和牽引變流器驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM），為車(chē)輛的運(yùn)行提供動(dòng)力[1]。鑒于目前供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，車(chē)輛運(yùn)行線(xiàn)路中，接觸軌供電存在失電區(qū)域，即供電電壓突然中斷，一段時(shí)間后又恢復(fù)供電的區(qū)間，通常稱(chēng)之為斷電區(qū)[2]。牽引系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，供電電壓直接影響母線(xiàn)電壓，而母線(xiàn)電壓突變?nèi)菀滓痣娏鳑_擊以及低頻振蕩，甚至可能觸發(fā)系統(tǒng)重故障，造成停機(jī)[3]。為確保牽引系統(tǒng)順利穿越斷電區(qū)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)很多研究，提出相關(guān)的解決措施，并且取得一定效果。

文獻(xiàn)[4]以上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)旅客捷運(yùn)系統(tǒng)為例，對(duì)受電車(chē)輛在穿越斷電區(qū)時(shí)產(chǎn)生過(guò)電流的原因進(jìn)行分析，并結(jié)合線(xiàn)路實(shí)際工況提出了車(chē)輛穿越斷電區(qū)的解決方法，但是未能從理論上解決斷電區(qū)電壓突變對(duì)車(chē)輛牽引系統(tǒng)的沖擊問(wèn)題，所提方法不具有普適性。文獻(xiàn)[5]以高速牽引列車(chē)為研究對(duì)象，建立了考慮濾波電感在內(nèi)的牽引供電系統(tǒng)模型，分析了濾波電感對(duì)于降低電流沖擊的作用，然而并沒(méi)能提出解決斷電區(qū)穿越引起巨大沖擊和LC振蕩的有效方法。文獻(xiàn)[6]以電動(dòng)車(chē)輛永磁同步牽引系統(tǒng)為例，對(duì)母線(xiàn)電壓波動(dòng)造成的影響進(jìn)行分析，并從控制算法上提出了優(yōu)化措施，雖然能夠降低母線(xiàn)電壓波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的沖擊，但是車(chē)輛進(jìn)入斷電區(qū)時(shí)仍然需要關(guān)閉牽引系統(tǒng)，待通過(guò)斷電區(qū)后再重啟系統(tǒng)，對(duì)操作人員的依賴(lài)程度較高。文獻(xiàn)[7]對(duì)電力機(jī)車(chē)中直流母線(xiàn)電壓與電力電子變壓器進(jìn)行建模，通過(guò)仿真分析了大信號(hào)擾動(dòng)對(duì)直流母線(xiàn)電壓的影響，提出了電壓前饋補(bǔ)償策略調(diào)節(jié)母線(xiàn)電壓，并為母線(xiàn)電壓控制器的設(shè)計(jì)提供了準(zhǔn)則，不足之處在于只進(jìn)行了仿真分析，沒(méi)有通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行具體驗(yàn)證。

為更好地解決軌道交通車(chē)輛永磁同步牽引系統(tǒng)斷電區(qū)穿越問(wèn)題，本文以北京地鐵某線(xiàn)路為例，介紹永磁同步牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析斷電區(qū)問(wèn)題的產(chǎn)生原因及影響，并在此基礎(chǔ)上提出了基于整流發(fā)電穩(wěn)定母線(xiàn)電壓使?fàn)恳到y(tǒng)穿越斷電區(qū)的控制策略，從而使車(chē)輛在不關(guān)閉牽引系統(tǒng)的情況下平穩(wěn)通過(guò)斷電區(qū)，避免了車(chē)輛通過(guò)斷電區(qū)時(shí)因母線(xiàn)電壓突變引起的系統(tǒng)沖擊和振蕩，最后利用仿真和試驗(yàn)對(duì)控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 地鐵永磁同步牽引系統(tǒng)

在常見(jiàn)的地鐵牽引系統(tǒng)中，接觸軌供電、集電靴采電的方式得到越來(lái)越多的應(yīng)用，集電靴采電后經(jīng)過(guò)充電濾波電路向牽引變流器提供1 500V或750V直流電，而后牽引控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前的牽引指令生成目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，并控制三相牽引變流器的開(kāi)通與關(guān)斷，從而驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)運(yùn)行。所選線(xiàn)路地鐵車(chē)輛每套變頻器有4組逆變模塊，驅(qū)動(dòng)4臺(tái)電機(jī)，在結(jié)構(gòu)和控制策略上各模塊完全一致，為簡(jiǎn)化分析，以一組逆變模塊驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電機(jī)進(jìn)行研究，地鐵永磁同步牽引系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 地鐵永磁同步牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

從圖1可以發(fā)現(xiàn)，接觸軌提供的供電電壓經(jīng)過(guò)充電濾波電路向支撐電容充電，而后通過(guò)牽引變流器向永磁同步電機(jī)提供電能。高速斷路器在沒(méi)有重大故障的前提下一直保持閉合，閉合充電接觸器后向支撐電容充電，當(dāng)充電至80%以上時(shí)，閉合短接接觸器，充電電阻被旁路后允許系統(tǒng)運(yùn)行，所以供電電壓的變化會(huì)直接影響轉(zhuǎn)矩指令的生成，進(jìn)而影響系統(tǒng)運(yùn)行。由于接觸軌布置存在斷電區(qū)域，車(chē)輛進(jìn)入該區(qū)域，供電電壓會(huì)突降為零，車(chē)輛離開(kāi)該區(qū)域后，供電電壓瞬時(shí)恢復(fù)。因此，地鐵車(chē)輛在穿越斷電區(qū)時(shí)，供電電壓會(huì)急劇跳變，需要對(duì)車(chē)輛穿越斷電區(qū)的工況進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制策略，使其穩(wěn)定穿越斷電區(qū)。以所選地鐵線(xiàn)路為例，永磁同步牽引系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表1。

2 牽引系統(tǒng)斷電區(qū)穿越分析

2.1 斷電區(qū)的形成

為更好地了解斷電區(qū)特性，設(shè)計(jì)牽引系統(tǒng)斷電區(qū)穿越策略，首先對(duì)斷電區(qū)形成的原因進(jìn)行分析。地鐵車(chē)輛在實(shí)際線(xiàn)路運(yùn)行中，供電電壓由接觸軌提供，而接觸軌的鋪設(shè)并不連續(xù)，通常設(shè)有分段，段與段之間存在間隔，集電靴在間隔區(qū)域不能受電，從而導(dǎo)致車(chē)輛進(jìn)入該區(qū)域后供電中斷[8]。接觸軌分段形成斷電區(qū)示意圖如圖2所示。

表1 地鐵永磁同步牽引系統(tǒng)參數(shù)

Tab.1 The parameters of metro PMSM traction system

圖2 斷電區(qū)示意圖

實(shí)際線(xiàn)路中斷電區(qū)的設(shè)置主要有兩種類(lèi)型：第一種類(lèi)型是電分段，由于地鐵線(xiàn)路跨越距離遠(yuǎn)，通常由多個(gè)變電所進(jìn)行分區(qū)段供電，此外，為提高繼電保護(hù)可靠性，縮小故障影響范圍，車(chē)輛從運(yùn)行線(xiàn)路回到車(chē)輛段時(shí)也存在供電區(qū)間切換問(wèn)題，接觸軌從一個(gè)變電所的供電區(qū)間跨越到另一個(gè)變電所的供電區(qū)間時(shí)，不同供電區(qū)間銜接處設(shè)有電分段；第二種類(lèi)型是物理分段，在地鐵線(xiàn)路接觸軌鋪設(shè)過(guò)程中，考慮到道岔區(qū)、人防工程等因素的影響，接觸軌可能無(wú)法連續(xù)布置，也會(huì)存在不同長(zhǎng)度的中斷，形成物理分段[9]。因此，地鐵永磁同步牽引系統(tǒng)在實(shí)際線(xiàn)路運(yùn)行過(guò)程中，必然會(huì)經(jīng)過(guò)斷電區(qū)，造成直流側(cè)突然失去供電，駛離斷電區(qū)后又恢復(fù)供電。

2.2 斷電區(qū)穿越工況

為便于對(duì)地鐵車(chē)輛穿越斷電區(qū)的具體工況進(jìn)行分析，建立永磁同步牽引系統(tǒng)斷電區(qū)穿越等效模型如圖3所示。

圖3 牽引系統(tǒng)斷電區(qū)穿越等效模型

圖3中，L為母線(xiàn)電壓，即由接觸軌供電在牽引系統(tǒng)直流側(cè)形成的電壓，當(dāng)集電靴受電時(shí)，母線(xiàn)電壓由供電電壓決定，集電靴不受電時(shí)，母線(xiàn)電壓由電容電壓決定；dc為直流母線(xiàn)電流；dc為支撐電容電壓；f為布置在牽引變流器和直流供電網(wǎng)之間的濾波電感，母線(xiàn)電壓經(jīng)過(guò)濾波電感向支撐電容充電，該電感對(duì)于降低直流側(cè)電壓波動(dòng)以及電流沖擊對(duì)牽引變流器的影響具有重要作用，同時(shí)對(duì)于牽引系統(tǒng)具備斷電區(qū)穿越能力也極為關(guān)鍵。

當(dāng)?shù)罔F車(chē)輛進(jìn)入斷電區(qū)后，由于供電線(xiàn)路失電，母線(xiàn)電壓L會(huì)瞬時(shí)突降為0，而支撐電容電壓dc在極短的時(shí)間內(nèi)的變化相對(duì)較慢。根據(jù)所選線(xiàn)路器件選型情況，直流支撐電容容值為20mF，該支撐電容在無(wú)供電電壓的情況下僅支持牽引系統(tǒng)滿(mǎn)功率繼續(xù)運(yùn)行約10ms。車(chē)輛進(jìn)入斷電區(qū)后，如果繼續(xù)按照原牽引指令運(yùn)行，在10ms左右支撐電容就會(huì)完全失電，而實(shí)際線(xiàn)路中車(chē)輛通過(guò)斷電區(qū)的時(shí)間約為0.5～1s，所以，在供電丟失的情況下，單純依靠支撐電容儲(chǔ)備的電能不足以支持車(chē)輛穿越斷電區(qū)。待車(chē)輛駛離斷電區(qū)，集電靴再次和接觸軌連接恢復(fù)供電，母線(xiàn)電壓從0V突增至750V，必然會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成很大的電流沖擊以及LC低頻振蕩[10-11]。牽引系統(tǒng)在支撐電容失電情況下恢復(fù)供電沖擊等效電路如圖4所示，該沖擊電流可能損壞直流支撐電容，甚至觸發(fā)高速斷路器動(dòng)作，進(jìn)而引起系統(tǒng)重故障，造成系統(tǒng)停機(jī)。此外，地鐵車(chē)輛在穿越斷電區(qū)時(shí)，由于供電電壓突變還可能引起燃弧、集電靴熔斷器損壞、接觸軌防護(hù)罩移位、牽引制動(dòng)異常等一系列故障[12]。

按照表1中地鐵永磁同步牽引系統(tǒng)參數(shù)，進(jìn)行電容失電情況下供電電壓恢復(fù)的仿真分析，牽引系統(tǒng)直流側(cè)仿真波形如圖5所示。可以看出，母線(xiàn)電壓由0V突增至850V時(shí)，瞬間沖擊電流達(dá)到400A，同時(shí)直流側(cè)電壓電流產(chǎn)生LC振蕩，降低了平波電抗器和支撐電容的壽命。

圖4 電容失電情況下恢復(fù)供電沖擊等效電路

圖5 母線(xiàn)電壓由0V突增至850V直流側(cè)仿真波形

當(dāng)前地鐵線(xiàn)路采取的斷電區(qū)穿越控制策略主要可分為兩大類(lèi)：

第一大類(lèi)，車(chē)輛以牽引系統(tǒng)關(guān)閉并且主接觸器（包含圖1中充電接觸器和短接接觸器）分閘狀態(tài)通過(guò)斷電區(qū)，其中，主接觸器分閘又可分為主動(dòng)分閘和故障分閘兩小類(lèi)：①主動(dòng)分閘，即在車(chē)輛進(jìn)入斷電區(qū)之前主動(dòng)將接觸器分閘（如引言中提到的依靠司機(jī)操作）；②故障分閘，即系統(tǒng)進(jìn)入斷電區(qū)，檢測(cè)到母線(xiàn)電壓過(guò)低，判定為欠電壓故障后主接觸器自動(dòng)分閘。無(wú)論是主動(dòng)分閘還是故障分閘，牽引系統(tǒng)的主接觸器以分閘狀態(tài)通過(guò)斷電區(qū)后，需要按照正常啟動(dòng)流程執(zhí)行充電接觸器合閘、電容電壓充電至母線(xiàn)電壓的80%以上、短接接觸器合閘這三步操作（電容電壓充電的三步常規(guī)流程），然后牽引系統(tǒng)再恢復(fù)運(yùn)行。

第二大類(lèi)，即車(chē)輛通過(guò)斷電區(qū)時(shí)主接觸器一直保持合閘狀態(tài)，由于過(guò)斷電區(qū)之前不用分閘，過(guò)斷電區(qū)之后也不用執(zhí)行電容電壓充電的三步流程。采用該類(lèi)策略時(shí)，進(jìn)入斷電區(qū)后，需要將牽引系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩迅速降到0，以避免支撐電容上的電能被迅速消耗掉。

對(duì)于第一大類(lèi)斷電區(qū)穿越控制策略，由于接觸器需要分閘，機(jī)械開(kāi)關(guān)動(dòng)作會(huì)降低元器件使用壽命。對(duì)于異步電機(jī)牽引系統(tǒng)，這種操作方式尚可接受；而對(duì)于永磁同步牽引系統(tǒng)，直流側(cè)主接觸器斷開(kāi)、變頻器停機(jī)后，永磁同步牽引系統(tǒng)可能工作在不控整流狀態(tài)，使支撐電容電壓迅速抬高，對(duì)系統(tǒng)正常工作產(chǎn)生不利影響。

對(duì)于第二大類(lèi)斷電區(qū)穿越控制策略，需要通過(guò)控制電機(jī)的電流使其輸出的轉(zhuǎn)矩為零，由于母線(xiàn)已經(jīng)和支撐電容斷開(kāi)且支撐電容的電壓處于不控狀態(tài)（或者叫開(kāi)環(huán)狀態(tài)），所以?xún)H僅控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為零（需要考慮對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制精度），轉(zhuǎn)矩控制精度可能引起電容電壓波動(dòng)，無(wú)法保證電容電壓一直保持在750V附近。駛離斷電區(qū)供電電壓恢復(fù)時(shí)，最?lèi)毫拥那闆r下支撐電容上的電能耗盡，母線(xiàn)電壓從0V突增至750V附近，會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生劇烈沖擊。

3 基于穩(wěn)壓穿越的斷電區(qū)控制策略

3.1 穩(wěn)壓控制器設(shè)計(jì)

為了減小地鐵車(chē)輛穿越斷電區(qū)時(shí)母線(xiàn)電壓突變引起的系統(tǒng)沖擊，降低對(duì)司機(jī)的依賴(lài)程度，避免關(guān)閉牽引系統(tǒng)斷開(kāi)接觸器，本文提出一種利用整流發(fā)電穩(wěn)定母線(xiàn)電壓穿越斷電區(qū)的控制策略。牽引系統(tǒng)檢測(cè)到車(chē)輛進(jìn)入斷電區(qū)，系統(tǒng)不再執(zhí)行司控室發(fā)來(lái)的轉(zhuǎn)矩指令（實(shí)際運(yùn)行中由于供電電壓跌落，系統(tǒng)也無(wú)法繼續(xù)執(zhí)行原指令），利用車(chē)輛的超大慣性使永磁同步牽引系統(tǒng)進(jìn)入整流發(fā)電狀態(tài)，將直流母線(xiàn)電壓穩(wěn)定在供電電壓附近，從而在供電電壓恢復(fù)時(shí)可以大大降低電壓突變引起的沖擊。車(chē)輛駛離斷電區(qū)后，牽引系統(tǒng)退出整流發(fā)電狀態(tài)，恢復(fù)至正常牽引狀態(tài)，重新執(zhí)行司控室發(fā)來(lái)的轉(zhuǎn)矩指令。

根據(jù)第2.2節(jié)的分析，車(chē)輛經(jīng)過(guò)斷電區(qū)時(shí)，母線(xiàn)電壓L會(huì)瞬間跌落，而電容電壓dc變化相對(duì)較慢，因此，可以根據(jù)母線(xiàn)電壓的變化情況判斷地鐵車(chē)輛是否進(jìn)入了斷電區(qū)[13]。牽引系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)母線(xiàn)電壓額定值為750V，由于供電線(xiàn)路電壓存在波動(dòng)，允許母線(xiàn)電壓變化范圍為500～900V，因此，設(shè)置母線(xiàn)電壓低于450V作為進(jìn)入斷電區(qū)的判斷條件。

車(chē)輛進(jìn)入斷電區(qū)后，系統(tǒng)由正常牽引控制模式切換至斷電區(qū)穿越控制模式，此時(shí)電機(jī)處于整流發(fā)電狀態(tài)，電容電壓及母線(xiàn)電壓穩(wěn)定在目標(biāo)值。為盡量減小供電電壓恢復(fù)時(shí)母線(xiàn)電壓突變對(duì)牽引系統(tǒng)的沖擊，設(shè)定穩(wěn)壓控制器的控制目標(biāo)為母線(xiàn)電壓額定值750V。由于支撐電容上基本沒(méi)有消耗能量的路徑，需要的功率非常小，當(dāng)轉(zhuǎn)矩指令為正值時(shí)，永磁電機(jī)消耗能量，電容電壓下降；轉(zhuǎn)矩指令為負(fù)值時(shí)，永磁電機(jī)惰行發(fā)電，能夠向電容回饋能量，電容電壓上升[14-15]。因此，將電容電壓作為閉環(huán)控制量，通過(guò)PI控制器生成對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩指令，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)電容電壓的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。地鐵永磁同步牽引系統(tǒng)斷電區(qū)穿越穩(wěn)壓控制器如圖6所示。

圖6 斷電區(qū)穿越穩(wěn)壓控制器

當(dāng)?shù)罔F車(chē)輛駛離斷電區(qū)，而牽引系統(tǒng)并未下達(dá)由斷電區(qū)穿越模式切換至正常運(yùn)行模式指令時(shí)，由于集電靴重新從接觸軌受電，母線(xiàn)電壓L以及電容電壓dc實(shí)際由接觸軌供電電壓決定[16-17]。此時(shí)PI調(diào)節(jié)器達(dá)到飽和，穩(wěn)壓控制器無(wú)法繼續(xù)調(diào)節(jié)電容電壓，轉(zhuǎn)矩指令為調(diào)節(jié)器允許輸出的極值。如果母線(xiàn)電壓低于電容電壓給定，電壓調(diào)節(jié)負(fù)向飽和，轉(zhuǎn)矩給定為PI調(diào)節(jié)器允許輸出的最小值（負(fù)轉(zhuǎn)矩）；如果母線(xiàn)電壓高于電容電壓給定，電壓調(diào)節(jié)正向飽和，轉(zhuǎn)矩給定為PI調(diào)節(jié)器允許輸出的最大值（正轉(zhuǎn)矩）。因此，在斷電區(qū)穿越控制模式供電電壓恢復(fù)調(diào)節(jié)器達(dá)到飽和后，并不會(huì)影響系統(tǒng)運(yùn)行，牽引系統(tǒng)按照設(shè)定的最大最小轉(zhuǎn)矩值恒指令運(yùn)行，待系統(tǒng)給出退出斷電區(qū)指令后再恢復(fù)正常運(yùn)行。

3.2 斷電區(qū)穿越控制模型

從圖6可以發(fā)現(xiàn)，斷電區(qū)穿越模式的控制目標(biāo)為電容電壓，與正常牽引模式的區(qū)別在于不再執(zhí)行司控室的轉(zhuǎn)矩指令，而是通過(guò)穩(wěn)壓控制器對(duì)電容電壓的調(diào)節(jié)得到轉(zhuǎn)矩指令。因此，牽引系統(tǒng)處于斷電區(qū)穿越模式時(shí)，電流內(nèi)環(huán)的控制方式與正常牽引模式是相同的，只需要在正常牽引模式的基礎(chǔ)上增加電壓外環(huán)調(diào)節(jié)，便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)斷電區(qū)穿越的控制。

在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，永磁同步牽引系統(tǒng)電壓與電流的關(guān)系[18-19]為

式中，d、q分別為d、q軸電壓；d、q分別為d、q軸電流；d、q分別為d、q軸電感；s為定子電阻；re為電角速度；f為轉(zhuǎn)子磁。

根據(jù)式（1）中電壓與電流關(guān)系式，可以得到永磁同步牽引系統(tǒng)電流內(nèi)環(huán)控制框圖如圖7所示。

圖7 永磁同步牽引系統(tǒng)電流內(nèi)環(huán)控制框圖

據(jù)此，可以得到電流內(nèi)環(huán)的傳遞函數(shù)，d、q軸開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)id和iq分別為

根據(jù)上面的分析，地鐵車(chē)輛駛離斷電區(qū)后，供電電壓恢復(fù)，穩(wěn)壓控制器中電壓外環(huán)調(diào)節(jié)器會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)，所以可以使電壓外環(huán)調(diào)節(jié)器進(jìn)入飽和狀態(tài)并保持一段時(shí)間，作為系統(tǒng)由斷電區(qū)模式重新進(jìn)入牽引模式的判定條件?？紤]到在極特殊情況下，如果母線(xiàn)電壓出現(xiàn)擾動(dòng)，電壓外環(huán)調(diào)節(jié)器也可能出現(xiàn)瞬間飽和的狀態(tài)[20]。因此，系統(tǒng)退出斷電區(qū)模式進(jìn)入正常牽引模式還設(shè)置了第二個(gè)保底條件，即保持?jǐn)嚯妳^(qū)模式運(yùn)行設(shè)定的固定時(shí)間后退出。兩個(gè)條件配合使用既保證了控制模式識(shí)別的效率，又保證了控制模式切換的可靠性。此外，考慮到接觸軌自身出現(xiàn)供電丟失引起系統(tǒng)進(jìn)入斷電區(qū)模式的情況，當(dāng)牽引系統(tǒng)給出退出斷電區(qū)穿越模式回到正常牽引模式指令后，如果供電電壓依然沒(méi)有恢復(fù)，即系統(tǒng)再次檢測(cè)到母線(xiàn)電壓過(guò)低，則判定為供電丟失，牽引系統(tǒng)報(bào)欠電壓故障并停止運(yùn)行。

圖8 地鐵永磁同步牽引系統(tǒng)斷電區(qū)穿越整體框圖

4 仿真與試驗(yàn)

4.1 斷電區(qū)穿越仿真分析

為了對(duì)本文提出的基于穩(wěn)壓穿越斷電區(qū)控制策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證，基于PLECS平臺(tái)搭建了地鐵永磁同步牽引系統(tǒng)仿真模型?？紤]到供電電壓波動(dòng)范圍為500～900V，為將母線(xiàn)電壓波動(dòng)與電容電壓間形成突變的影響考慮在內(nèi)，設(shè)置母線(xiàn)電壓為850V。在實(shí)際線(xiàn)路運(yùn)行中，車(chē)輛通過(guò)斷電區(qū)時(shí)間在1s左右，由于試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)條件限制，直流供電需要人為操作開(kāi)關(guān)，難以在1s內(nèi)實(shí)現(xiàn)供電開(kāi)關(guān)斷開(kāi)并重新合閘的過(guò)程，為便于實(shí)現(xiàn)在斷電區(qū)穿越模式內(nèi)完成供電電壓的恢復(fù)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)定斷電區(qū)模式保持時(shí)間為5s。為保證仿真與試驗(yàn)環(huán)境一致，仿真分析時(shí)設(shè)置斷電區(qū)模式保持時(shí)間也為5s，母線(xiàn)電壓恢復(fù)時(shí)間為2.5s。

地鐵永磁同步牽引系統(tǒng)斷電區(qū)穿越仿真參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 斷電區(qū)穿越仿真參數(shù)

Tab.2 Simulation parameters of power-off traversing

依據(jù)表2中仿真參數(shù)，分別以不采取任何策略直接通過(guò)斷電區(qū)和采用本文提出的穩(wěn)壓策略通過(guò)斷電區(qū)兩種方式，進(jìn)行相同工況下地鐵永磁同步牽引系統(tǒng)斷電區(qū)穿越仿真分析，其中，直接通過(guò)斷電區(qū)策略選取可能出現(xiàn)的最?lèi)毫庸r，即在支撐電容上的電能完全耗盡時(shí)恢復(fù)供電，兩種策略下斷電區(qū)穿越過(guò)程中電壓、轉(zhuǎn)矩及電流仿真波形分別如圖9和圖10所示。

圖9 直接通過(guò)斷電區(qū)仿真波形

圖10 穩(wěn)壓策略通過(guò)斷電區(qū)仿真波形

從圖9仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，不采取任何策略直接通過(guò)斷電區(qū)時(shí)，當(dāng)供電電壓丟失，牽引系統(tǒng)以零轉(zhuǎn)矩運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)斷電區(qū)，待供電電壓恢復(fù)時(shí)，由于母線(xiàn)電壓突變，轉(zhuǎn)矩和電流響應(yīng)均出現(xiàn)劇烈沖擊，直流側(cè)電壓也出現(xiàn)振蕩，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定，同時(shí)會(huì)降低器部件使用壽命。

從圖10仿真波形可以看出，地鐵車(chē)輛在4s時(shí)刻進(jìn)入斷電區(qū)，系統(tǒng)檢測(cè)到母線(xiàn)電壓低于450V時(shí)，牽引系統(tǒng)切換至斷電區(qū)穿越控制模式，穩(wěn)壓控制器開(kāi)始工作，由于此時(shí)電容電壓較低，系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩，向電容充電，電容電壓0.5s內(nèi)穩(wěn)定至750V，此時(shí)系統(tǒng)功率很小，因而電機(jī)轉(zhuǎn)矩基本為零。6.5s時(shí)刻車(chē)輛駛離斷電區(qū)，供電電壓恢復(fù)，母線(xiàn)電壓和電容電壓均恢復(fù)到供電電壓850V，穩(wěn)壓控制器達(dá)到飽和，由于此時(shí)還處于斷電區(qū)穿越控制模式，電機(jī)按照調(diào)節(jié)器允許最大轉(zhuǎn)矩100N·m運(yùn)行。9s時(shí)刻牽引系統(tǒng)給出退出斷電區(qū)穿越模式恢復(fù)正常牽引模式指令后，牽引系統(tǒng)按照司控室下達(dá)轉(zhuǎn)矩指令繼續(xù)運(yùn)行，轉(zhuǎn)矩和電流均恢復(fù)正常。

仿真結(jié)果表明，在牽引系統(tǒng)穿斷電區(qū)的過(guò)程中，采用本文提出的穩(wěn)壓控制策略，電流沒(méi)有出現(xiàn)明顯沖擊，電壓和轉(zhuǎn)矩也沒(méi)有出現(xiàn)振蕩，仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文所提出的斷電區(qū)穿越控制策略能夠使地鐵車(chē)輛在不關(guān)閉牽引系統(tǒng)不斷開(kāi)主接觸器的情況下穩(wěn)定通過(guò)斷電區(qū)。

4.2 斷電區(qū)穿越試驗(yàn)驗(yàn)證

為檢驗(yàn)所提控制策略在地鐵車(chē)輛實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中斷電區(qū)穿越的控制效果，搭建了如圖11所示永磁同步牽引系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)模擬供電電壓斷電構(gòu)造斷電區(qū)工況。參照仿真條件設(shè)置，斷電區(qū)穿越試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表3。

圖11 地鐵永磁同步牽引系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)

表3 斷電區(qū)穿越試驗(yàn)參數(shù)

Tab.3 Experimental parameters of power-off traversing

按照表3中參數(shù)進(jìn)行地鐵永磁同步牽引系統(tǒng)斷電區(qū)穿越試驗(yàn)驗(yàn)證，基于本文所提穩(wěn)壓穿越控制策略，牽引系統(tǒng)從進(jìn)入斷電區(qū)到恢復(fù)正常運(yùn)行的試驗(yàn)波形如圖12所示?？梢钥闯?，5s時(shí)刻供電電壓丟失，母線(xiàn)電壓瞬間跌落，低于450V時(shí)系統(tǒng)判斷車(chē)輛進(jìn)入斷電區(qū)，切換至斷電區(qū)穿越控制模式，穩(wěn)壓控制器通過(guò)對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)使電容電壓迅速穩(wěn)定至750V。7.5s時(shí)刻恢復(fù)供電，母線(xiàn)電壓恢復(fù)至850V，系統(tǒng)依然處于斷電區(qū)穿越控制模式，此時(shí)調(diào)節(jié)器飽和，系統(tǒng)按照設(shè)定轉(zhuǎn)矩最大值100N·m運(yùn)行，由于功率較小，母線(xiàn)電壓依然維持在850V。10s時(shí)刻由斷電區(qū)穿越模式恢復(fù)正常牽引模式，牽引系統(tǒng)按照司控室下達(dá)的轉(zhuǎn)矩指令正常運(yùn)行，斷電區(qū)順利通過(guò)。試驗(yàn)波形中，10～10.7s母線(xiàn)電壓下降是由于試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)大功率運(yùn)行時(shí)供電電壓被拉低，與本文控制策略的選用沒(méi)有關(guān)系。分析結(jié)果表明，地鐵車(chē)輛永磁同步牽引系統(tǒng)穿越斷電區(qū)的過(guò)程中，響應(yīng)迅速，電壓轉(zhuǎn)矩及電流波形都沒(méi)有出現(xiàn)明顯的沖擊和振蕩，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致，驗(yàn)證了本文提出的基于穩(wěn)壓穿越斷電區(qū)控制策略的可行性。

圖12 永磁同步牽引系統(tǒng)斷電區(qū)穿越試驗(yàn)波形

本文所提出的斷電區(qū)穿越控制策略，依據(jù)母線(xiàn)電壓幅值的跌落判斷車(chē)輛是否進(jìn)入斷電區(qū)，當(dāng)母線(xiàn)電壓幅值滿(mǎn)足L＜450V時(shí)，則判斷地鐵車(chē)輛進(jìn)入斷電區(qū)。根據(jù)仿真和試驗(yàn)分析，從母線(xiàn)電壓跌落到系統(tǒng)進(jìn)入斷電區(qū)控制模式的時(shí)間只需要幾個(gè)ms。系統(tǒng)一旦進(jìn)入斷電區(qū)穿越控制模式，電壓調(diào)節(jié)器開(kāi)始工作，此時(shí)供電電壓不再影響系統(tǒng)運(yùn)行，系統(tǒng)可以一直以斷電區(qū)模式穩(wěn)定運(yùn)行，直到牽引系統(tǒng)檢測(cè)到供電電壓恢復(fù)并發(fā)出退出指令后，系統(tǒng)退出斷電區(qū)穿越模式恢復(fù)到正常牽引模式。根據(jù)實(shí)際線(xiàn)路條件，列車(chē)穿越斷電區(qū)的時(shí)間通常在0.5～1s左右，而系統(tǒng)進(jìn)入斷電區(qū)穿越模式只需要ms級(jí)時(shí)間，所以，系統(tǒng)有充裕的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)入斷電區(qū)控制模式，本文設(shè)計(jì)斷電區(qū)穿越時(shí)間為5s，只為便于試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)供電電源的人為操作。因此，斷電區(qū)長(zhǎng)度不同，或車(chē)輛通過(guò)斷電區(qū)速度不同，只會(huì)影響牽引系統(tǒng)在斷電區(qū)穿越模式的運(yùn)行時(shí)間，并不會(huì)影響采用本文策略穿越斷電區(qū)的控制效果。

為進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)際線(xiàn)路供電出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，牽引系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確識(shí)別并報(bào)出欠電壓故障的控制效果，在系統(tǒng)正常運(yùn)行過(guò)程中，模擬供電電壓中斷，并且不再恢復(fù)供電，試驗(yàn)波形如圖13所示。

圖13 欠電壓故障試驗(yàn)波形

從圖13試驗(yàn)波形可以看出，牽引系統(tǒng)在8s時(shí)刻第一次檢測(cè)到母線(xiàn)電壓低于450V時(shí)，切換至斷電區(qū)穿越控制模式，通過(guò)穩(wěn)壓控制器調(diào)節(jié)母線(xiàn)電壓穩(wěn)定在額定值750V，13s時(shí)刻退出斷電區(qū)控制模式切換至正常牽引模式后，再次檢測(cè)到母線(xiàn)電壓低于450V，判定供電電壓并未恢復(fù)，并報(bào)出線(xiàn)路欠電壓故障。在整個(gè)過(guò)程中，系統(tǒng)響應(yīng)穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所提出的控制策略能夠在發(fā)生供電故障時(shí)使系統(tǒng)平穩(wěn)停機(jī)，準(zhǔn)確報(bào)出欠電壓故障。

5 結(jié)論

本文針對(duì)軌道交通車(chē)輛永磁同步牽引系統(tǒng)斷電區(qū)穿越問(wèn)題，分析了斷電區(qū)的產(chǎn)生原因及具體工況，給出了車(chē)輛進(jìn)入與退出斷電區(qū)的判斷條件，并設(shè)計(jì)了基于穩(wěn)壓穿越的斷電區(qū)控制策略，通過(guò)調(diào)節(jié)牽引系統(tǒng)工作在整流發(fā)電或正常牽引模式，維持支撐電容電壓和母線(xiàn)電壓穩(wěn)定在額定值，從而避免經(jīng)過(guò)斷電區(qū)時(shí)關(guān)閉牽引系統(tǒng)斷開(kāi)主接觸器，并且在牽引系統(tǒng)重新接入供電時(shí)降低母線(xiàn)電壓突變引起的沖擊和振蕩。以北京地鐵某線(xiàn)路為例進(jìn)行了仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的基于穩(wěn)壓穿越斷電區(qū)的控制策略能夠支持地鐵車(chē)輛在不關(guān)閉牽引系統(tǒng)保持接觸器合閘的條件下平穩(wěn)穿越斷電區(qū)，提高了牽引系統(tǒng)的控制性能，降低了故障發(fā)生率。同時(shí)，在檢測(cè)到供電電壓丟失時(shí)，也能準(zhǔn)確報(bào)出欠電壓故障，增加了地鐵永磁同步牽引系統(tǒng)的特色優(yōu)勢(shì)。

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Power-Off Area Traversing Control Strategy of Permanent Magnet Synchronous Motor Traction System in Rail Transit Vehicle

（National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System Naval University of Engineering Wuhan 430033 China）

Permanent magnet synchronous motor (PMSM) traction drive system is an important part of the stable operation of rail transit vehicle. When the vehicle passes through the power-off area, the power supply system will temporarily lose power and cause the bus voltage mutation. Such mutation will bring current shock and LC oscillation to the traction system, and even trigger serious faults of the system, affecting system operation. In order to enable the vehicle to pass through the power-off area smoothly, this paper establishes the equivalent circuit of the PMSM traction system traversing the power-off area, and deduces the mathematical model before and after the rail transit vehicle traction system enters the power-off area. On this basis, a control strategy for stabilizing the bus voltage passing through the power-off area by rectifying power generation is proposed. As a result, the closing of the traction system and the disconnection of the main contactors can be avoided, and the sudden change of bus voltage when passing through the power-off area is reduced, thereby reducing the impact and oscillation of the traction system. Simulation and experimental results verify the feasibility and effectiveness of the proposed control strategy.

Rail transit vehicle, permanent magnet synchronous motor (PMSM), traction control system, power-off area, rectifier generation

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200504

TM46

張偉偉 男，1989年生，博士，助理研究員，主要研究方向?yàn)橛来磐诫姍C(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)。E-mail: zw7589@163.com

劉計(jì)龍 男，1988年生，副研究員，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橛来磐诫姍C(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)以及模塊化多端口電力電子變換器技術(shù)。E-mail: 66976@163.com（通信作者）

2020-05-14

2020-06-29

國(guó)家自然科學(xué)基金（51807200, 51477180）和國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973）（2015CB251004）資助項(xiàng)目。

（編輯 崔文靜）