地鐵牽引系統的穩定性提升控制

楊林

摘 要：隨著城市化進程在我國的不斷推進，城市土地資源愈加緊張起來，有限的城市空間使得地面交通壓力變大，各主要城市紛紛在地下修建地鐵軌道，通過運行地鐵軌道交通列車來緩解地面交通壓力。而地鐵列車需要使用地鐵牽引系統來支持其正常運行，因此確保地鐵牽引系統穩定是非常有必要的。本文試對地鐵牽引系統穩定性的提升控制措施進行探索和研究。

關鍵詞：地鐵牽引系統；穩定性；性能提升；控制措施

地鐵牽引系統的穩定性依托于系統參數的正確匹配，若是參數配置錯誤，將會導致牽引系統出現交流、直流電壓電流振蕩，若是振蕩較為劇烈、達到一定程度，便會啟動逆變器的保護裝置，使牽引系統的供電被強行終止，牽引系統穩定性因此而大打折扣。數十年來，我國及國外學者都試圖提出各種方案來解決牽引系統的穩定性問題，目前，已經取得了可喜的成就。

1 牽引傳統系統及其存在的振蕩問題

地鐵所使用的牽引傳統系統由LC濾波器、感應電機、控制系統以及牽引變流器四大部分組成，其中控制系統通過接收地鐵司機的手柄傳輸轉矩指令，結合感應電機產生的電流與轉子角速度等參考信息，控制系統可以開啟或關閉牽引逆變器，使其橋臂可以精準地控制電機的轉矩。

由于牽引系統在運行時具有極為復雜的工作狀況，很難通過直觀描述來體現出來，因此可以基于小信號分析法簡化牽引系統為一種等效電路模型，見圖1，其中所涉及的參數包括：①R：直流側線路與電抗（L）的總和；②U：直流網側電壓；③is：網側電流，若逆變器的輸出功率P始終保持不變，則等效電流源id等于P/Ud，在本研究中額定電壓Ud設定為1500V則計算得出網側電流is為280A，基于這樣的參數設定，可計算出逆變器與感應電機二者阻抗之和為Zd=Ud·Ud/P，負阻抗為其主要特性表現。④Δ：小信號，為變量。這一模型的線性狀態空間可以使用如下方程表達式來描述，即：

（1）；而小信號的表達

式為：（2）。若要確保牽引系統穩定，則必

須要滿足首要條件，即：P/（Ud·Ud）2 提升控制措施

2.1 抑制直流側振蕩

分析牽引系統的振蕩問題可以發現，若是能在轉矩控制上實現對直流側電壓的控制，則可以有效抑制振蕩的發生，在抑制過程中，牽引逆變器所具有的特性由正阻抗形式體現出來，恰好可以彌補因負阻抗而帶來的阻尼減小問題，LC濾波器所發生的振蕩也會得到有效抑制，牽引系統的穩定性也將得到良好的控制。基于這樣的基礎思想，設計者與維護者可以通過低通濾波器來獲取電容電壓直流分量，隨后在結合高通濾波器，通過與低通濾波器的串聯來獲取電容電壓振蕩分量，在濾波器和高通濾波器的串聯下，高頻分量可以被過濾、除去，電壓信號諧振動頻率也會得到相應的延時補償。在分析振蕩抑制時，考慮到濾波器振蕩所具有的小周期性，可建設電機速度始終保持不變，結合牽引系統的控制轉矩，可以得出如下結論：在對直流側振蕩進行控制時可以借助牽引逆變器所具有的正阻抗特性來實現有效的震蕩抑制。在上文所提及的模型中，設計者與維護者可添加振蕩抑制環節，在添加后需驗證其穩定性控制效果，以下狀態空間表達式即為所獲得的新小信號：

（3）。

而通過實踐發現，在增加了振蕩抑制環節之后，牽引系統的直流側濾波器并沒有再出現振蕩現象，系統始終平穩運行，因此證明此方法確實可以有效提升牽引系統穩定性。

2.2 時延補償

若要實現對振蕩抑制的準確分析，則要滿足“轉矩指令精確”這一前提保障條件。然而在現實操作中，受到濾波延遲、控制器處理時間等因素的影響，整個牽引系統會出現一定程度的延遲。若是傳統系統具有較高的功率，開關的功率同樣比較高，那么牽引系統將會帶來明顯的相位滯后表現，這種表現所帶來的影響也是非常大的，牽引系統很可能在動態性能上出現明顯的變化，最終導致調節器中止運行，而調節器停止工作會導致電機轉速搖擺，引起電流振蕩。對于這種情況，可以采取間接的方式進行時延補償，因此來避免電流振蕩的發生。

在牽引系統中增加時延補償環節同樣需要通過實驗來驗證其可行性。假設某地鐵牽引系統的直流側電壓為1.5kV，輸入電流設為500A，輸出頻率不高于112Hz，在地鐵列車不斷加速運行的狀態下為其給予時延補償，可以發現地鐵達到25km/h這一車速時列車尚處于惰性工況，待車速提至50km/h，則牽引系統的振蕩問題得到了有效抑制，可見上文所提即的時延補償方案與振蕩抑制方案均具有鮮明的可行性與有效性。

3 結語

地鐵牽引系統由逆變器、電機等部分組成，針對其發生的振蕩問題，可以通過采取“振蕩抑制”與“時延補償”等方案進行解決，而本文證實了這些方案的可行性，地鐵牽引系統可借由這些措施來提升控制系統穩定性。

參考文獻

[1]張全.試論地鐵牽引系統穩定性提升控制[J].中國設備工程，2016，（14）：41-42.

（作者單位：重慶市軌道交通（集團）有限公司）