基于虛擬正阻抗的地鐵牽引傳動系統(tǒng)直流側振蕩抑制策略

李婷婷，胡 曉，劉 川，楊 靜，葛興來

（1.成都運達科技股份有限公司，四川 成都 610097；2.西南交通大學 磁浮技術與磁浮列車教育部重點實驗室，四川 成都 610031）

0 引言

由于地鐵車輛空間有限，其牽引傳動系統(tǒng)主電路濾波器件尺寸受限，參數(shù)選值難以達到系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求；并且，由于系統(tǒng)線路阻抗較小，難以實現(xiàn)穩(wěn)定阻尼的作用。更重要的是，牽引電機在恒功率控制下呈現(xiàn)出的負阻抗特性，進一步削弱了系統(tǒng)阻尼[1-2]；在受到外界激勵源的干擾下，容易引發(fā)地鐵牽引傳動系統(tǒng)直流網(wǎng)側電壓、電流的持續(xù)振蕩。

為抑制直流側可能出現(xiàn)的振蕩現(xiàn)象，相應的控制策略被提出，主要分為被動阻尼與主動阻尼控制2種。被動阻尼控制策略一般采用增加額外裝置實現(xiàn)振蕩抑制，而這將會增加系統(tǒng)的成本和復雜性[3-4]；并且，針對不同的系統(tǒng)，所選擇的裝置可能不同，通用性欠佳。主動阻尼控制策略一般在控制系統(tǒng)進行補償從而實現(xiàn)振蕩抑制，具有易于實現(xiàn)和靈活性好的優(yōu)點，因而受到更多的關注[5-6]。

為抑制牽引傳動系統(tǒng)中的直流側振蕩，文獻[5]提出了一種基于前饋電壓補償?shù)恼袷幰种品椒?，其通過在控制方案中對前饋電壓進行動態(tài)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)直流側電壓振蕩的有效抑制。文獻[7]在基于矢量調(diào)速方案中，通過動態(tài)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩電流的給定值，增加主電路正阻抗從而抑制直流側振蕩。這種方法不需要改變系統(tǒng)的結構，但是電壓、電流信號的注入可能會導致牽引系統(tǒng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，同時系統(tǒng)的動態(tài)響應和效率也受到一定的影響。

針對上述問題，本文提出了一種基于虛擬正阻抗的主動阻尼控制策略，用于抑制地鐵牽引傳動系統(tǒng)直流側振蕩。首先，根據(jù)地鐵牽引系統(tǒng)的簡化線性化模型分析直流側振蕩機理；然后，基于虛擬正阻抗的主動阻尼直流側振蕩抑制策略，利用低通濾波器和直流側電壓得到直流側電壓擾動分量，通過改變電壓擾動分量的極性，實現(xiàn)負阻抗特性的補償；最后，通過仿真驗證了所研究主動阻尼策略的有效性。

1 地鐵牽引傳動系統(tǒng)線性化建模

為便于對地鐵牽引傳動系統(tǒng)進行穩(wěn)定性分析，因此對其進行線性化建模。圖1(a)為地鐵牽引傳動系統(tǒng)結構。由圖可知，地鐵牽引傳動系統(tǒng)由直流側電壓輸入vdc，LC濾波器，逆變器以及牽引感應電機(induction motor, IM)組成。其簡化模型如圖1(b)所示。在恒功率控制條件下，逆變器與電機負載可等效為恒流源(iinv)。其中，Ldc,Rdc分別為濾波電感和線路等效電阻，Cdc為濾波電容，ig為網(wǎng)側電流，Eg為網(wǎng)側電壓，vdc為直流側電壓，iinv是輸出到逆變器的電流，PL為電機側功率，Te為轉(zhuǎn)矩，ωr為電機轉(zhuǎn)速，us為電機定子電壓，is為電機定子電流，上角標“*”代表的是指令值。

圖1 地鐵牽引傳動系統(tǒng)結構圖及其簡化模型Fig. 1 Block diagram of a typical metro traction drive system and its simplified model

2 基于虛擬正阻抗的主動阻尼抑制策略

綜上，可以得到v′dc的重構框圖（圖2）。

圖2 直流側電壓重構框圖Fig. 2 Block diagram of DC-link voltage reconstruction

3 仿真與實驗驗證結果

為驗證本文所提基于虛擬正阻抗的主動阻尼控制策略的有效性，利用Matlab/Simulink仿真工具以及RT-LAB硬件在環(huán)實驗平臺對其進行測試(圖3)。測試用地鐵牽引傳動系統(tǒng)框圖和參數(shù)分別如圖3和表1所示。圖3中，ψr為轉(zhuǎn)子磁鏈幅值；isd和isq分別為定子電流d軸和q軸分量；Esd和Esq分別為前饋電壓d軸和q軸分量；usd和usq分別為定子電壓d軸和q軸分量；usα和usβ分別為定子電壓α軸和β軸分量；Usd和Usq分別為d軸和q軸電流環(huán)輸出；isa，isb和isc分別為定子三相電流；θ為轉(zhuǎn)子磁鏈角。

圖3 基于主動阻尼控制的地鐵牽引傳動系統(tǒng)框圖Fig. 3 Block diagram of the metro traction drive system with the proposed active damping control method

表1 仿真和實驗參數(shù)Tab. 1 Simulated and experimental parameters

3.1 仿真結果

為驗證額定工況下的穩(wěn)定性控制效果，在仿真測試中，負載轉(zhuǎn)矩被設置為900 N·m (額定轉(zhuǎn)矩)，電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定控制在2 100 r/min，虛擬正阻抗的增益系數(shù)kv=1。圖4給出了未采用所研究主動阻尼控制策略的直流側電壓及其快速傅里葉變換(fast Fourier transform，F(xiàn)FT)分析結果。由測試結果可知，在負阻抗作用下，牽引傳動系統(tǒng)直流側電壓出現(xiàn)明顯振蕩；由FFT分析結果可知，振蕩頻率為LC諧振頻率。作為對比，圖5中給出采用基于虛擬正阻抗的控制策略的直流側電壓及其 FFT分析結果。由圖5可知，采用該控制策略后，牽引傳動系統(tǒng)的直流側電壓波形振蕩幅值較小，LC諧振頻率附近諧波分量較小，這意味著直流側振蕩已被有效抑制。

圖4 未采用本文所研究主動阻尼抑制策略的直流側電壓仿真結果Fig. 4 Simulation results of DC-link voltage of the traction drive system without the proposed active damping control

圖5 采用本文所研究主動阻尼抑制策略的直流側電壓仿真結果Fig. 5 Simulation results of DC-link voltage of the traction drive system with the proposed active damping control

為驗證本文所研究的基于虛擬正阻抗的主動阻尼控制策略的有效性，圖6給出了在采用抑制策略以及未采用抑制策略下的網(wǎng)側電流、電機轉(zhuǎn)速及電機轉(zhuǎn)矩的對比波形，其中虛線左側為采用主動阻尼控制的測試結果，圖中虛線右側為未采用主動阻尼控制的測試結果。通過圖6的對比結果可以看出，相較于未采用該抑制策略的牽引傳動系統(tǒng)，采用主動阻尼控制策略后，牽引傳動系統(tǒng)穩(wěn)定性得到明顯提升。未采用主動阻尼控制的網(wǎng)側電流振蕩幅值明顯大于施加抑制控制后的網(wǎng)側電流擾動幅值。施加主動阻尼控制的電機轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)矩振蕩幅值均小于未施加主動阻尼控制的振蕩幅值；并且，加入主動阻尼控制后，電機側的輸出特性更加穩(wěn)定。

圖6 采用所研究主動阻尼控制策略的地鐵牽引傳動系統(tǒng)仿真結果Fig. 6 Simulation results of the metro traction drive system with the proposed active damping control strategy

3.2 實驗結果

為進一步驗證所研究的抑制策略的有效性，還進行了硬件在環(huán)實驗測試，硬件在環(huán)測試框圖如圖7所示。

圖7 主動阻尼抑制策略的硬件在環(huán)測試框圖Fig. 7 Block diagram of the HIL test system

圖8示出未施加主動阻尼控制策略的牽引傳動系統(tǒng)實驗測試結果。圖中電機轉(zhuǎn)速由0上升并穩(wěn)定至2 100 r/min，負載轉(zhuǎn)矩從空載增加至900 N·m，虛擬正阻抗的增益系數(shù)kv=1。波形由上至下分別為網(wǎng)側電流ig、直流側電壓vdc、轉(zhuǎn)子速度n以及電磁轉(zhuǎn)矩Te。當電機運行在額定工況時，網(wǎng)側電流與直流側電壓出現(xiàn)等幅振蕩，其中網(wǎng)側電流、直流側電壓最大振幅分別為200 A與300 V。在實際牽引傳動系統(tǒng)中，一旦發(fā)生這種持續(xù)性的振蕩，由于振蕩幅值較大，極易引發(fā)牽引變流器過壓過流保護動作，進而封鎖脈沖，迫使列車停車。

圖8 未采用抑制策略的地鐵牽引系統(tǒng)實驗結果Fig. 8 Experimental results of the metro traction drive system without the proposed active damping control strategy

圖9示出施加基于虛擬正阻抗主動阻尼控制策略的牽引傳動系統(tǒng)實驗波形。由圖可知，當系統(tǒng)運行至額定工況時，系統(tǒng)能夠繼續(xù)穩(wěn)定運行，直流側振蕩得到有效抑制，從而驗證了本文所研究主動阻尼控制方案的正確性和有效性。

圖9 采用該抑制策略的地鐵牽引系統(tǒng)實驗結果Fig. 9 Experimental results of the metro traction drive system with the proposed active damping control strategy

4 結語

本文研究了一種基于虛擬正阻抗的主動阻尼控制策略，用于抑制地鐵牽引傳動系統(tǒng)直流側振蕩。在該控制策略中，首先提取直流側電壓擾動分量，針對電壓擾動分量引入增益因子來提升系統(tǒng)阻尼實現(xiàn)牽引傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定運行；并分析了不同增益系數(shù)對系統(tǒng)的影響。仿真和實驗測試結果表明，所研究的主動阻尼控制策略可以有效地抑制直流側電壓振蕩，顯著提高地鐵牽引傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定性。后續(xù)將探究所研究抑制策略在不同調(diào)制方式下對系統(tǒng)性能的影響。