北京地鐵9號(hào)線永磁牽引系統(tǒng)直流電壓穩(wěn)定控制

鄔春暉，張世海，譚雅翊，謝 浩，張 祺

（1.北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司運(yùn)營(yíng)二分公司，北京 100043；2.湘潭電機(jī)股份有限公司，湖南 湘潭 102208；3.北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司地鐵運(yùn)營(yíng)技術(shù)研發(fā)中心，北京 411101）

作為新一代軌道交通牽引系統(tǒng)，永磁同步電氣牽引系統(tǒng)具備綠色、節(jié)能、高效等亮點(diǎn)。自長(zhǎng)沙地鐵1號(hào)線裝載運(yùn)營(yíng)永磁牽引系統(tǒng)，徹底開啟了“永磁列車”高速發(fā)展的時(shí)代，許多城市也陸續(xù)開始推廣應(yīng)用。北京地鐵9號(hào)線09038車也試點(diǎn)裝載永磁同步電氣牽引系統(tǒng)，該系統(tǒng)是由湘潭電機(jī)開發(fā)研制，系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定。地鐵車輛牽引變流器在運(yùn)行時(shí)容易出現(xiàn)直流側(cè)振蕩[1-3]，永磁牽引變流器也會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象，這不僅影響整個(gè)電傳動(dòng)系統(tǒng)的功能及穩(wěn)定性，有時(shí)甚至可能會(huì)涉及地鐵電源網(wǎng)絡(luò)及乘客安全。本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的直流電壓波動(dòng)現(xiàn)象，利用比例諧振控制器提取波動(dòng)分量前饋補(bǔ)償，抑制電壓波動(dòng)，穩(wěn)定整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)。

1 永磁牽引變流器

北京地鐵9號(hào)線列車編組形式為：Tc1—M2—T3—M4—M5—Tc6，是3動(dòng)3拖結(jié)構(gòu)，其中1動(dòng)1拖為一個(gè)牽引單元。針對(duì)一列車的永磁電氣牽引傳動(dòng)系統(tǒng)，研制了12臺(tái)永磁牽引同步電機(jī)、3臺(tái)永磁VVVF逆變器裝置來替換038車中的原異步系統(tǒng)電機(jī)和VVVF逆變器，其他設(shè)備均采用原車產(chǎn)品。新裝載的永磁同步牽引系統(tǒng)與原車裝載的異步牽引系統(tǒng)，在接口、協(xié)議、尺寸等方面保持一致，能夠完全替換。永磁牽引VVVF逆變器依據(jù)永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)，采用1C1M方式，主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為二電平，采用先進(jìn)的矢量控制算法。永磁同步電機(jī)定子結(jié)構(gòu)形式與異步電機(jī)類似，采用永磁體內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，全封閉，降噪減重，與異步電機(jī)相比，功率密度更高。

VVVF逆變器主要技術(shù)參數(shù)如下。

輸入電壓：DC750 V（500～900 V，再生制動(dòng)時(shí)1 000 V）。

控制容量：4×180 kW永磁牽引電機(jī)。

輸出電壓：0～550 V。

輸出頻率：-7～180 Hz。

額定輸出電流：205 A×4。

控制方式：VVVF矢量控制。

額定工作點(diǎn)效率：0.98。

防護(hù)等級(jí)：IP55。

冷卻方式：熱管走行風(fēng)冷。

永磁牽引系統(tǒng)的主電路如圖1所示，受流器接觸第三軌，先對(duì)電容預(yù)充電，然后經(jīng)電感FL、電容FC的濾波回路，通過IGBT逆變輸出，驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)。根據(jù)參考文獻(xiàn)[1-5]，變流器的直流側(cè)特性由于是負(fù)阻抗，往往使得電壓或電流常出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象，而波動(dòng)頻率一般在電容電感的諧振頻率附近，可通過增大線阻、增大電容或減少電感來增加系統(tǒng)阻尼。考慮到成本及散熱等問題，常采用軟件方法來抑制波動(dòng)。

圖1 主電路框圖

2 電壓穩(wěn)定控制

在對(duì)地鐵永磁同步牽引電機(jī)控制中，VVVF逆變器采用通過控制電機(jī)不同目標(biāo)轉(zhuǎn)矩下q軸電流給定和d軸電流給定的關(guān)系，來實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩電流比控制。這樣可以保證在輸出一定轉(zhuǎn)矩Te的條件下，使得定子繞組電流最小，從而降低裝置損耗，提高電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的效率。

逆變器具體控制框圖如圖2所示。根據(jù)司控器或者ATO的指令，VVVF逆變器將指令轉(zhuǎn)換為永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩，再利用最大轉(zhuǎn)矩電流比控制方法，得到當(dāng)前的dq軸電流給定。電流傳感器采樣的電機(jī)電流利用旋轉(zhuǎn)變壓器的角度信息進(jìn)行分解，得到實(shí)際的dq軸電流。dq軸電流給定與實(shí)際dq軸電流相減，再經(jīng)過PI調(diào)節(jié)控制器，可以得到dq軸下的輸出控制電壓，再經(jīng)過變換輸出SVPWM，驅(qū)動(dòng)IGBT逆變器輸出交流到永磁電機(jī)。

圖2 電壓穩(wěn)定控制框圖

根據(jù)前面的介紹，為了增大整個(gè)永磁電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的阻尼，使系統(tǒng)呈現(xiàn)正阻抗特性，往往利用直流電壓波動(dòng)部分對(duì)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ瑏韺?shí)現(xiàn)抑制波動(dòng)保持穩(wěn)定的目的，本文也是采用這種方式。

首先通過電容電壓傳感器采樣得到電容電壓Udc，然后通過比例諧振控制器提取電容電壓的波動(dòng)量△Udc。比例諧振控制器（PR控制器）的傳遞函數(shù)如下：

式（1）中：Kp為比例系數(shù)；Kr為諧振系數(shù)；ω0為諧振頻率。

比例諧振控制器能夠無(wú)靜差跟蹤特定頻率信號(hào)，該控制器在諧振頻率位置，幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他地方，且?guī)挿浅Ｕ瑢?duì)于含有諧振頻率的信號(hào)，利用它能夠完全分離出諧振信號(hào)。在軌道交通應(yīng)用中，一般選取LC時(shí)采取的截至頻率為18～25 Hz，這里設(shè)定比例諧振控制器的諧振頻率也在這個(gè)范圍內(nèi)即可。

利用分離得到的直流電壓波動(dòng)量，前饋補(bǔ)償?shù)睫D(zhuǎn)矩指令，實(shí)現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)矩對(duì)阻抗的補(bǔ)償，補(bǔ)償公式為：

式（2）中系數(shù)k根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況設(shè)定，在對(duì)永磁牽引變流器實(shí)施補(bǔ)償時(shí)，k值不能太小。

3 試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證控制策略的正確性，通過牽引試驗(yàn)進(jìn)行永磁電機(jī)牽引控制各項(xiàng)參數(shù)比對(duì)。圖3為不采用電壓穩(wěn)定控制的運(yùn)行波形，直流側(cè)產(chǎn)生波動(dòng)，且直流電壓波動(dòng)幅度越來越大，永磁電機(jī)電流振蕩越來越明顯，直到電流波動(dòng)達(dá)到過流閾值，逆變器過流故障引起保護(hù)停機(jī)。也就是說，如果不在系統(tǒng)硬件或軟件上采用有效改進(jìn)措施，大部分的牽引傳動(dòng)系統(tǒng)中都有可能出現(xiàn)這種波動(dòng)現(xiàn)象。

圖3 未采用穩(wěn)壓控制的電容電壓和電機(jī)電流

圖4為系統(tǒng)采用穩(wěn)壓策略后，在整個(gè)運(yùn)行過程中，無(wú)論是否帶有載荷，相關(guān)數(shù)據(jù)（電容電壓和電機(jī)電流）沒有出現(xiàn)明顯的振蕩，其波動(dòng)得到有效抑制，說明該方法有效。

圖4 采用穩(wěn)壓控制的電容電壓和電機(jī)電流

永磁牽引系統(tǒng)在北京地鐵9號(hào)線裝載后，在正線試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)的直流電容電壓和直流電流、速度、轉(zhuǎn)矩以及電機(jī)電流波形如圖5所示，P4擋牽引啟動(dòng)，運(yùn)行速度到80 km/h，然后采用B7制動(dòng)停車，可以看到整個(gè)牽引/制動(dòng)過程中，沒有出現(xiàn)電壓的波動(dòng)，電機(jī)電流也運(yùn)行平穩(wěn)。在裝車后正線運(yùn)行時(shí)，直流電壓波動(dòng)頻率有可能會(huì)受到正線其他掛網(wǎng)設(shè)備的影響，而與試驗(yàn)分析的電容電感諧振頻率有所不同，具體頻率還需獲得數(shù)據(jù)后分析計(jì)算，再確定比例諧振控制器的頻率設(shè)定值。

圖5 牽引/制動(dòng)下的直流電容電壓和直流電流、速度、轉(zhuǎn)矩以及電機(jī)電流波形

永磁電氣牽引系統(tǒng)在北京9號(hào)線正線上完成各項(xiàng)裝車實(shí)驗(yàn)，包括AW0AW3載荷下的牽引制動(dòng)運(yùn)行、道路救援、空轉(zhuǎn)滑行、電力中斷、再生負(fù)荷中斷、洗車試驗(yàn)、超速試驗(yàn)、旅行速度測(cè)試及耗電量分析等項(xiàng)目，截至目前運(yùn)行里程超過2 000 km，該系統(tǒng)與車輛及其他各子系統(tǒng)匹配良好，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，表明系統(tǒng)中的永磁電機(jī)控制方法及本文中的直流穩(wěn)壓補(bǔ)償策略運(yùn)用正確。

4 總結(jié)

本文通過分析牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的直流電壓波動(dòng)現(xiàn)象，采用比例諧振控制器的方法，即利用比例諧振控制器提取分離出直流電壓波動(dòng)量，再前饋補(bǔ)償?shù)浇o定轉(zhuǎn)矩，通過輸出轉(zhuǎn)矩增大系統(tǒng)阻抗的方法來穩(wěn)定電壓，抑制牽引變流器工作時(shí)的直流振蕩。本文通過試驗(yàn)及實(shí)際線路運(yùn)行效果，驗(yàn)證該方法不僅有效且可靠性高，滿足工程化應(yīng)用。