直交型電力機車直流側電壓穩定控制及改善方法

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定問題，提出一種網側電路與牽引傳動系統動態解耦的有源阻抗穩定控制方法，并提出一種回饋系數改善策略，以降低網側電壓紋波對牽引傳動系統的影響。建立了系統等效數學模型，依據系統穩定判據提出一種有源阻抗穩定控制方法，然后分析了在網側電壓含有紋波時穩定控制對牽引傳動系統的影響，通過引入合適的控制回饋系數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;回饋系數;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一個重要的組成部分。鐵路運輸行業的發展幾經起伏，在20世紀中葉，為了扭轉在運輸行業競爭中的被動局面，提高競爭力，我國開始引入電氣傳動系統，逐步地將傳統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帶來了翻天覆地的變化。

1優化原則與利弊分析

1）原則網絡控制系統的構架優化主要基于以下兩個原則：（1）根據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的構架優化的優點主要有以下幾點：（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;網絡控制系統的構架優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為總線+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，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分析得到的DAB變換器功率關系，故本文所研究的級聯型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，發出占空比為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（單極性狀態），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。網絡控制系統使用分布式控制技術，即分布采集及執行，中央集中控制與管理的模式。機車網絡控制系統硬件由網關模塊GWM、事件記錄模塊E-DRM、中繼器REP、數字量輸入輸出模塊DXM、數字量輸入模塊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ETS和無線重聯裝置OCE等智能設備進行通信。各單元之間通過MVB_EMD接口完成數據通信，各模塊通信接口定義符合IEC61375標準。

2.3仿真驗證

為驗證本文穩定控制效果，先設定指令轉速為定值，此時系統未進入恒功率狀態，后通過改變指令轉速方式使系統進入恒功率狀態，由此對穩定控制的實際作用進行分析。至5.6s時，系統指令轉速改變，電機進入恒功率工況，由于該系統參數設定不滿足式的系統穩定性判據，隨后電壓、電流出現不穩定振蕩，至6.3s時電壓、電流出現等幅振蕩現象，且電機轉矩受其影響出現劇烈振蕩現象，可知此時電機存在較大的功率波動。由前文分析可知，直流側電壓出現的不穩定現象與系統引入的負阻尼相關。而加入穩定控制后，當系統進入恒功率工況后，穩定系統消除了負阻尼，使系統工作于自然阻尼狀態，此時網側電路與牽引傳動系統解耦，系統運行過程中未出現之前的不穩定現象，各信號均達到設計值并穩定運行，穩定效果明顯。但同時，穩定控制系統會對牽引傳動系統產生干擾，其主要表現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以降低穩定控制對牽引傳動系統造成的影響。含有紋波時，穩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，驗證回饋系數改善策略的影響。電機在回饋系數選擇合理情況下運行速度穩定，但由于直流側電壓含有紋波，電機定子側電流出現發生畸變。

結語

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