高速動車組牽引傳動控制系統仿真研究

朱琴躍 陳江斌 成林坤 周云光

(同濟大學電子與信息工程學院，201804，上海∥第一作者，副教授)

CRH380A型動車組是在CRH2C型電力動車組基礎上自主研發的新型動車組。相比于其它CRH系列動車組，CRH380A的持續運行速度可達380 km/h，運行速度得到了很大的提升。為保證動車組高速、穩定、安全地運行，必須采用先進、成熟的牽引傳動系統以及更為合理的牽引傳動控制策略。但我國在高性能牽引傳動系統上的研發能力較為欠缺，許多關鍵部件依舊需要從國外進口，重要技術也依舊依賴國外的技術支持。因此，要發展高性能、具備完全自主知識產權的高速動車組需對其牽引傳動系統及控制策略作深入研究。基于此，本文以CRH380A型動車組為研究對象，對牽引傳動系統工作原理和控制策略進行分析和建模，探討仿真模型在不同工況下的運行特性并獲得相應結論，為牽引傳動系統中關鍵部件及核心技術的國產化研究和優化設計提供技術參考。

1 牽引傳動系統主電路基本工作原理

CRH380A型動車組牽引傳動系統主要由變壓器、四象限脈沖整流器、中間直流環節、牽引逆變器和異步電機等組成，其系統能量流動如圖1所示。牽引工況下，受電弓將接觸網的AC 25 kV輸送給牽引變壓器，降壓后輸出1 500 V單相工頻交流電供給脈沖整流器，整流輸出的DC 2 600～3 000 V直流電經中間直流環節處理后作為牽引逆變器的輸入，逆變后輸出電壓0～2 300 V、頻率0～220 Hz可控的三相交流電供給異步電動機;再生制動工況下，電機處于發電機狀態，電流經逆變器續流二極管整流，再由四象限脈沖整流器轉換為交流電回饋給電網，實現能量的回饋。

圖1 動車組牽引傳動系統能量流動圖

1.1 牽引變流器工作原理

牽引變流器作為動車組完成電能轉換和傳遞的關鍵部件，其性能好壞直接關系到動車組能否安全可靠運行。牽引變流器主要由四象限脈沖整流器、中間直流環節和三電平逆變器構成。其中整流和逆變均采用三電平二極管箝位型結構，每相由4個反并聯續流二極管的開關管和2個箝位二極管構成。

(1)瞬態電流控制方法。CRH380A型動車組脈沖整流器采用瞬態電流控制方法。該方法為電壓和電流雙閉環控制，即無論任何環節的參數發生變化，系統都能夠自動調節其參數，使輸出的直流電壓保持穩定，動態響應快，因此非常適用于動車組整流器等大功率電力電子模塊［1－2］。

(2)空間矢量 PWM(脈寬調制)控制［3－4］。空間矢量PWM控制(SVPWM)的直流電壓利用率要比SPWM(正弦波脈寬調制)高15%，且輸出轉矩脈動較小。目前CRH380A型動車組的三電平逆變器就采用該調制方式。三電平SVPWM和兩電平的調制原理相似，主要包括如下幾個步驟:判斷參考矢量所在扇區，根據最近三矢量原則確定輸出矢量，計算各矢量作用時間，優化輸出矢量的開關順序。

1.2 轉子磁場定向間接矢量控制原理

CRH380A型動車組采用轉子磁場定向間接矢量控制系統實現對牽引逆變器和異步電機的控制［5－7］。控制系統主要由同步旋轉坐標系(MT坐標系)下的異步電機模型、三電平SVPWM逆變器及其它反饋環節組成。矢量控制系統采用的旋轉坐標系的M軸與轉子磁場方向一致，即按轉子磁場定向。

2 牽引傳動控制系統

CRH380A 型動車組牽引傳動控制系統［8－9］主要包括磁通和轉矩計算模塊、恒速控制模塊和轉子磁場定向控制模塊，其框圖如圖2所示。

圖2 牽引傳動控制系統框圖

2.1 磁通計算模塊

CRH380A型動車組轉子磁通與運行速度v的關系如下式所示:

2.2 轉矩計算模塊

動車組牽引、再生制動力的計算是確定牽引工況、再生工況下異步電機轉矩的基本前提。由CRH380A型動車組牽引特性曲線可知，當運行速度v≤154 km/h時，牽引力基本保持不變;而當v＞154 km/h時，牽引力與速度呈反比(恒功率)。采用線性插值法可得動車組牽引力與運行速度的數學關系如下。

當0＜v≤154 km/h時:

當154 km/h＜v≤377 km/h時:

則異步電機牽引轉矩給定指令為:

此外，CRH380A 型動車組運行阻力為［10－11］:

因此，由式(2)和(3)可得每臺異步電機的負載轉矩為:

以上式中:定員時車輛計算質量m=442 t，齒輪傳動比 μc=2.379，齒輪傳動效率 ηGear=0.95，輪徑d=0.82 m，牽引電機總臺數N=6×4=24。

根據CRH380A型動車組的再生制動曲線可知，當運行速度v＜70 km/h時，再生制動力呈現恒定力矩特性;而當v＞70 km/h時，隨著速度上升再生制動力緩慢下降。故采用線性插值法可得每節動車再生制動力與運行速度的數學關系式如下。

當15 km/h＜v≤70 km/h時:

Fzd=35.800 kN

當70 km/h＜v≤294 km/h時:

Fzd=［35.800 － 0.032(v － 70)］(kN)

當294 km/h＜v≤350 km/h時:

Fzd=［28.700 － 0.107(v － 294)］(kN)

2.3 恒速控制模塊

恒速控制模塊主要實現2個功能:①實現牽引、制動、惰行等多種工況間的平穩切換，以防止不同工況切換時引起較大的轉矩和電流波動;②避免動車組啟動時過大的電流電壓沖擊。為此，CRH380A動車組采用圖3所示的恒速控制策略［12］:當速度差Δv＞6 km/h時，控制系統進入牽引模式;當－6 km/h＜Δv＜6 km/h時，系統進入恒速控制模式;當 Δv＜－6 km/h時，系統進入再生制動模式。恒速控制模塊各個階段給定轉矩、運行狀態如表1所示。

表1 恒速控制各階段轉矩給定及運行狀態表

3 不同工況下牽引傳動控制系統仿真研究

為了分析CRH380A型動車組在不同工況下的牽引傳動特性，本文根據上述牽引傳動系統控制方法的討論分析，構建了MATLAB仿真模型。

根據表2所示的仿真參數，配置各個模塊。經過仿真調試，對不同工況下系統輸出轉矩、直流環節的電壓變化以及定子電流的波形進行分析。經測算，仿真時間∶實際時間 =1∶200。

表2 系統仿真參數

3.1 牽引工況下的仿真分析

牽引工況下牽引傳動系統仿真波形如圖4所示。在牽引工況下，設定動車組由靜止啟動加速至給定速度300 km/h，如圖4a)所示。仿真運行時動車組按照實際的啟動加速度0.42 m/s2加速，隨著運行速度的提高，加速度減小;達到300 km/h時，剩余加速度約為0.27 m/s2。由圖4b)所示的異步電機輸出轉矩波形可知:系統啟動后，隨著加速度增加，輸出轉矩增大且有較大波動;當運行速度較大時，加速度減小，輸出轉矩減小;當仿真運行1.3 s左右時，動車組運行速度和異步電機輸出轉矩都達到穩定。同時，當異步電機啟動時，其a相定子電流較大，而當動車組運行穩定后，定子電流也趨于穩定，如圖4c)所示。

3.2 再生制動工況下的仿真分析

再生制動工況下牽引傳動系統仿真波形如圖5所示。假設動車組運行速度曲線如圖5a)所示，即由啟動、加速并穩定運行至300 km/h，當仿真運行至1.5 s時實施制動，相應的異步電機輸出轉矩仿真波形如圖5b)所示。由圖5b)可知:動車組實施再生制動時，異步電機反轉，輸出轉矩不斷增加;當動車組仿真運行達2.8 s時運行速度降為0，此時電機輸出轉矩為0。同時，再生制動工況下異步電機的a相定子電流波形如圖5c)所示。

圖4 牽引工況下牽引傳動系統仿真波形

圖5 再生制動工況下牽引傳動系統仿真波形

3.3 不同運行速度下的仿真分析

不同運行速度下牽引傳動系統仿真波形如圖6所示。假設動車組按照圖6a)所示速度變化曲線運行，即根據實際平均啟動加速度0.38 m/s2加速至給定速度200 km/h，恒速運行1s時實施制動，0.2 s后再減速至150 km/h;在此基礎上再恒速運行至仿真時間1.5 s時，以加速度0.38 m/s2開始加速，且加速度不斷減小，并在仿真時間2.5 s時動車組加速至300 km/h;當運行至仿真時間3s時動車組開始制動直至完全停止。該過程主要模擬了動車組在4.5 s內經歷了兩段牽引加速、兩段制動減速和三段恒速的仿真運行，由此而得的電機輸出轉矩如圖6b)所示。

圖6 不同運行速度下牽引傳動系統仿真波形

由圖6可以看出，異步電機的輸出轉矩在牽引、再生制動和恒速等不同工況切換時穩定，能夠較好地跟隨給定值變化。仿真結果表明，本文所搭建的CRH380A型動車組牽引傳動系統模型能夠實現動車組在不同運行工況間的穩定切換，且驗證了恒速控制模塊的有效性和可靠性。

4 結語

本文詳細分析了牽引傳動系統各個環節的工作原理及其控制策略，基于Matlab/Simulink軟件對CRH380A型動車組牽引傳動系統進行了仿真建模，并分析了動車組在牽引、再生制動以及不同運行速度等工況下牽引傳動系統的電機輸出轉矩和定子相電流。仿真結果表明，本文所搭建的模型能夠實現動車組的穩定運行以及在各個工況間的平滑切換。本文的研究成果將對發展我國具備完全自主知識產權的高速動車組提供理論參考。

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