葛興來(lái)，張曉華

(西南交通大學(xué) 磁浮技術(shù)與磁浮列車(chē)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都　610031)

高鐵走出去戰(zhàn)略促進(jìn)了中國(guó)高速鐵路蓬勃發(fā)展，同時(shí)也對(duì)高速列車(chē)性能和安全提出了更高的要求。建立1套以高速列車(chē)為核心的多學(xué)科協(xié)同仿真系統(tǒng)，在未來(lái)高速鐵路的發(fā)展中將具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。牽引傳動(dòng)系統(tǒng)協(xié)同仿真是高速列車(chē)耦合大系統(tǒng)仿真平臺(tái)的重要組成部分，這就需要搭建更真實(shí)的牽引傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型，以及設(shè)計(jì)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)與仿真平臺(tái)間的協(xié)同仿真。

文獻(xiàn)[1]基于dSPACE實(shí)時(shí)仿真器建立牽引傳動(dòng)系統(tǒng)純數(shù)字實(shí)時(shí)綜合仿真系統(tǒng)，并利用MATLAB軟件建立牽引傳動(dòng)系統(tǒng)控制器模型和被控對(duì)象模型；文獻(xiàn)[2]以6軸電力機(jī)車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)為例，分別采用硬件回路(HIL)和快速控制原型(RCP)2種半實(shí)物仿真方式，對(duì)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行建模和分析。但二者都需要昂貴的硬件設(shè)備支持。文獻(xiàn)[3]采用純軟件設(shè)計(jì)的方式，結(jié)合SIMULINK和VC++軟件的優(yōu)點(diǎn)，建立了CRH2和CRH3型動(dòng)車(chē)組的牽引傳動(dòng)系統(tǒng)模型，可以在脫離MATLAB軟件的環(huán)境下運(yùn)行，但僅可進(jìn)行牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的獨(dú)立仿真，而且沒(méi)有考慮過(guò)分相、中間直流側(cè)電壓抬升以及與列車(chē)運(yùn)行控制模塊間的協(xié)同仿真，并且在高速列車(chē)全速域均采用異步空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)，這與實(shí)際不相符[4-7]。文獻(xiàn)[8]研究了可在線計(jì)算作用時(shí)間的同步SVPWM算法，但文中只給出了同步4脈沖和同步2脈沖2種開(kāi)關(guān)序列。另外，有關(guān)基于純軟件的高速列車(chē)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)全速域、多學(xué)科協(xié)同仿真研究，目前也未見(jiàn)報(bào)道。

本文針對(duì)高速列車(chē)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)與運(yùn)行控制系統(tǒng)的協(xié)同仿真問(wèn)題，從牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真建模和協(xié)同仿真軟件設(shè)計(jì)兩方面展開(kāi)研究。研究的同步7脈沖和同步5脈沖調(diào)制算法作為中速區(qū)的同步SVPWM算法，以提高列車(chē)中速區(qū)SVPWM算法的諧波性能；基于SIMULINK軟件搭建高速列車(chē)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型，通過(guò)Real-Time Workshop將模型轉(zhuǎn)換為C/C++代碼，然后基于VC++設(shè)計(jì)可單步運(yùn)行的用于高速列車(chē)耦合大系統(tǒng)仿真平臺(tái)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)與運(yùn)行控制系統(tǒng)的協(xié)同仿真軟件，并驗(yàn)證本文研究及設(shè)計(jì)的協(xié)同仿真軟件的有效性。

1　高速列車(chē)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真

1.1　牽引傳動(dòng)系統(tǒng)

CRH2型高速動(dòng)車(chē)組三電平交—直—交型牽引傳動(dòng)系統(tǒng)如圖1所示，其中牽引控制單元(TCU)是牽引控制系統(tǒng)的核心，用于接收司控臺(tái)發(fā)送的牽引/制動(dòng)指令，控制牽引變流器和牽引電機(jī)跟蹤指令運(yùn)行。變流器的控制分為整流和逆變兩部分，網(wǎng)側(cè)單相三電平整流器輸出穩(wěn)定的中間直流電壓、網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)，其調(diào)制與控制算法已有詳盡研究[9]，在此不做贅述；雖電機(jī)側(cè)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制或直接轉(zhuǎn)矩控制已有成熟研究[10-11]，但有關(guān)三電平逆變器—牽引電機(jī)的全速域SVPWM算法研究較少或不足[12-13]。因此，對(duì)三電平逆變器—牽引電機(jī)全速域SVPWM算法做深入研究。

①—主斷路器；②—牽引變壓器；③—四象限脈沖整流器；④—三電平逆變器；⑤—牽引電機(jī)；⑥—TCU

1.2　三電平逆變器工作原理

CRH2型高速動(dòng)車(chē)組采用二極管鉗位型三電平NPC(Neutral-Point-Clamped)逆變器(簡(jiǎn)稱三電平逆變器)，其主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中：Ud為直流側(cè)電壓；C1，C2分別為直流側(cè)上、下支撐電容；Ta1—Ta4，Tb1—Tb4，Tc1—Tc4為三相橋臂功率開(kāi)關(guān)器件。

圖2　三電平NPC逆變器主電路結(jié)構(gòu)

根據(jù)三電平逆變器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，定義三相橋臂狀態(tài)函數(shù)Si(i=a，b，c)為

(1)

以A相橋臂為例，定義輸出端對(duì)三相負(fù)載中性點(diǎn)的橋臂相電壓為uan，則：Si=P時(shí)，uan=Ud/2；Si=O時(shí)，uan=0；Si=N時(shí)，uan=-Ud/2。故三電平逆變器共有33=27種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的基本電壓矢量分布如圖3示，圖中：Uref為目標(biāo)電壓矢量；對(duì)空間電壓矢量平面按每隔60°為1個(gè)大扇區(qū)，共劃分出6個(gè)大扇區(qū)；且在第1扇區(qū)內(nèi)再劃分出6個(gè)小扇區(qū)。

圖3　三電平逆變器基本電壓矢量分布圖

1.3　三電平逆變器—牽引電機(jī)全速域SVPWM算法

針對(duì)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)低開(kāi)關(guān)頻率的特點(diǎn)，牽引電機(jī)額定頻率以下區(qū)段分為異步調(diào)制區(qū)和分段同步調(diào)制區(qū)。

1.3.1異步SVPWM算法

傳統(tǒng)對(duì)稱七段式SVPWM算法(異步SVPWM算法)的調(diào)制模式是根據(jù)目標(biāo)電壓矢量Uref的位置選擇臨近冗余小矢量對(duì)，具有更優(yōu)的諧波性能和中點(diǎn)電位平衡能力[12]。

矢量選擇：以第1扇區(qū)為例，各小扇區(qū)首發(fā)矢量均為正小矢量(POO或PPO)，保證扇區(qū)切換時(shí)無(wú)矢量突變。小扇區(qū)5和6的矢量時(shí)序與傳統(tǒng)的對(duì)稱七段式無(wú)異，分別為POO→PON→PNN→ONN→PNN→PON→POO，PPO→PPN→PON→OON→PON→PPN→PPO。其余小扇區(qū)的電壓矢量時(shí)序如圖4示。圖中：Tx，Ty，Tz分別為對(duì)應(yīng)電壓矢量Ux，Uy和Uz的作用時(shí)間。

合成時(shí)間計(jì)算：在1個(gè)開(kāi)關(guān)周期Ts內(nèi)，按最近三矢量合成原則，將電壓矢量Ux，Uy和Uz合成目標(biāo)電壓矢量Uref；根據(jù)伏秒平衡關(guān)系，各電壓矢量作用時(shí)間Tx，Ty和Tz滿足下式。

UrefTs=UxTx+UyTy+UzTz

其中，

Ts=Tx+Ty+Tz

(2)

圖4　電壓矢量時(shí)序圖

定義調(diào)制度m=πUref/(2Ud)，以圖4所示小扇區(qū)電壓矢量時(shí)序圖為例，小扇區(qū)1和2，及小扇區(qū)3和4的電壓矢量作用時(shí)間分別見(jiàn)式(3)、式(4)。

(3)

(4)

式中：θ為目標(biāo)電壓矢量Uref的相角。

1.3.2同步SVPWM算法

同步調(diào)制的設(shè)計(jì)步驟與異步調(diào)制基本一致，不同的是同步調(diào)制以角度作為自變量進(jìn)行開(kāi)關(guān)角的求解，則式(2)的伏秒平衡關(guān)系可等價(jià)為

Urefθs=Uxθx+Uyθy+Uzθz

其中，

θs=θx+θy+θz=ωsTs

(5)

式中：θs為電壓采樣角度；θx，θy，θz分別為對(duì)應(yīng)電壓矢量的作用角度；ωs為牽引電機(jī)基波角頻率，rad·s-1。

表1　滿足同步和對(duì)稱條件的橋臂狀態(tài)函數(shù)

根據(jù)最近三矢量合成原則，同步調(diào)制區(qū)零矢量電壓已經(jīng)不參與矢量合成，余下的小矢量、中矢量、大矢量電壓分別用Usv，Umv和Ubv表示。根據(jù)不同的目標(biāo)電壓采樣次數(shù)SN和采樣位置，可設(shè)計(jì)不同的開(kāi)關(guān)序列。以圖3所示第1扇區(qū)為例，當(dāng)SN=2時(shí)，同步調(diào)制采樣電壓矢量的分布如圖5所示，電壓采樣角度θs=30°，電壓矢量U1的采樣位置為θ1=15°，剩余11個(gè)采樣電壓矢量U2—U12的采樣位置基于對(duì)稱性逆時(shí)針依次分布。

圖5　同步調(diào)制采樣電壓矢量分布圖

同步多脈沖調(diào)制的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)合理的開(kāi)關(guān)矢量序列。以圖5為例，在第1扇區(qū)共有2個(gè)采樣電壓矢量，選用矢量序列Usv→Ubv→Umv在0°～30°范圍內(nèi)對(duì)采樣電壓矢量U1進(jìn)行合成，選用矢量序列Umv→Ubv→Usv在30°～60°范圍內(nèi)對(duì)采樣電壓矢量U2進(jìn)行合成。由式(5)分別得到電壓矢量U1和U2的作用角度，見(jiàn)式(6)、式(7)。

(6)

(7)

根據(jù)各大扇區(qū)的對(duì)稱性，由式(8)可推導(dǎo)出其他5個(gè)大扇區(qū)的矢量開(kāi)關(guān)序列。

(8)

故在設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)序列時(shí)，只需設(shè)計(jì)第一扇區(qū)滿足同步和對(duì)稱性要求的開(kāi)關(guān)矢量序列，則可由式(8)計(jì)算得出整個(gè)基波周期內(nèi)的同步多脈沖調(diào)制開(kāi)關(guān)序列。經(jīng)過(guò)推導(dǎo)，得到同步7脈沖和同步5脈沖2種新的調(diào)制算法作為中速區(qū)的同步SVPWM算法，提高了傳統(tǒng)全速域SVPWM算法的諧波性能。其中，同步7脈沖的相角θn=1,2,3,4,5=[6°，18°，30°，42°，54°]，對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)序列為UsvUmvUbv→UsvUbvUmv→UsvUmvUsv→UmvUbvUsv→UbvUmvUsv，同步5脈沖的相角θn=1,2,3,4=[7.5°，22.5°，37.5°，52.5°]，對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)序列為UsvUmvUbv→UsvUbvUmv→UmvUbvUsv→UbvUmvUsv。

1.4　牽引傳動(dòng)系統(tǒng)全速域仿真

在高速列車(chē)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)仿真控制中，對(duì)四象限脈沖整流器采取功率解耦控制，對(duì)牽引電機(jī)采取間接轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制，隨著列車(chē)速度的上升采取的三電平逆變器—牽引電機(jī)全速域SVPWM算法依次為異步調(diào)制→同步7脈沖→同步5脈沖→同步4脈沖→同步2脈沖→單脈沖控制。圖6中虛線框所示為2個(gè)聯(lián)動(dòng)選擇開(kāi)關(guān)，其若為0，則系統(tǒng)進(jìn)入獨(dú)立仿真模式，不考慮線路數(shù)據(jù)和列車(chē)運(yùn)行控制；若為1，則系統(tǒng)進(jìn)入?yún)f(xié)同仿真模式，讀取列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)輸出的牽引力、速度、阻力等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)線性處理后作為牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的指令信號(hào)。

圖6　三電平牽引傳動(dòng)系統(tǒng)全速域仿真控制框圖

牽引電機(jī)參數(shù)：額定功率為365 kW，額定電壓為2 700 V，額定頻率為140 Hz，定子的電阻為0.144 Ω、漏感為1.417 mH，轉(zhuǎn)子的電阻為0.146 Ω、漏感為1.294 mH、互感為32.848 mH、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為362 kg·m2，極對(duì)數(shù)為2。

2　牽引傳動(dòng)系統(tǒng)協(xié)同仿真軟件設(shè)計(jì)

2.1　系統(tǒng)需求分析

牽引傳動(dòng)系統(tǒng)仿真子系統(tǒng)負(fù)責(zé)模擬高速列車(chē)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行情況，是高速列車(chē)耦合大系統(tǒng)仿真平臺(tái)的重要組成部分。

針對(duì)高速列車(chē)耦合大系統(tǒng)的協(xié)同仿真要求，牽引傳動(dòng)仿真子系統(tǒng)應(yīng)該具備如下功能。

(1)模擬真實(shí)的高速列車(chē)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)及其動(dòng)態(tài)運(yùn)行情況，系統(tǒng)包括牽引變壓器、牽引變流器、牽引電機(jī)模型以及全速域調(diào)制與控制算法，滿足列車(chē)較寬范圍內(nèi)調(diào)速性能的要求。

(2)根據(jù)牽引/制動(dòng)特性曲線實(shí)現(xiàn)高速列車(chē)牽引/制動(dòng)運(yùn)行的控制，能與高速列車(chē)耦合大系統(tǒng)仿真平臺(tái)中其他模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信，并具有讀寫(xiě)數(shù)據(jù)庫(kù)的接口。

(3)具有良好的可擴(kuò)展性和兼容性，友好的人機(jī)交互界面，并可集成現(xiàn)有型號(hào)的高速列車(chē)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)仿真模型。

2.2　協(xié)同仿真軟件設(shè)計(jì)

基于MATLAB/Simulink軟件進(jìn)行動(dòng)車(chē)組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)全速域動(dòng)態(tài)仿真，雖然是一種被廣泛認(rèn)可的研究方法，但其存在可移植性差、依賴MATLAB軟件運(yùn)行環(huán)境、交互性較差等不足。而完全采取C/C++編程實(shí)現(xiàn)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真，開(kāi)發(fā)難度較大且周期長(zhǎng)。因此，本文采取混合編程的設(shè)計(jì)方法，將牽引傳動(dòng)系統(tǒng)仿真計(jì)算內(nèi)核程序放在MATLAB/Simulink軟件中實(shí)現(xiàn)，而將交互界面、數(shù)據(jù)可視化等上位機(jī)程序放在VC++中實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，為加快牽引傳動(dòng)系統(tǒng)仿真模型的計(jì)算速度，基于C語(yǔ)言編寫(xiě)了三電平牽引傳動(dòng)系統(tǒng)全速域SVPWM算法，以及三電平四象限脈沖整流器—支撐電容—逆變器—電機(jī)等主電路模型的S-Function模塊，并通過(guò)MEX函數(shù)進(jìn)行調(diào)用。協(xié)同仿真軟件的設(shè)計(jì)框圖如圖7所示。協(xié)同仿真軟件通過(guò)接口數(shù)據(jù)處理程序?qū)⑸衔粰C(jī)程序和計(jì)算內(nèi)核程序連通，完成仿真參數(shù)設(shè)定、消息指令傳送、仿真結(jié)果數(shù)據(jù)處理與顯示等基本功能，大大降低了仿真軟件開(kāi)發(fā)的難度和周期。

圖7　協(xié)同仿真軟件設(shè)計(jì)框圖

設(shè)計(jì)的協(xié)同仿真軟件不僅可實(shí)現(xiàn)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)獨(dú)立仿真[3]，最主要的是還可實(shí)現(xiàn)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)與高速列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)間的協(xié)同仿真，即消息指令來(lái)自于列車(chē)運(yùn)行控制模塊[14-15]，牽引傳動(dòng)系統(tǒng)單步計(jì)算內(nèi)核程序在線實(shí)時(shí)對(duì)指令值進(jìn)行跟蹤，并輸出實(shí)際的電機(jī)轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩等仿真數(shù)據(jù)。圖8給出了獨(dú)立仿真模式下?tīng)恳齻鲃?dòng)系統(tǒng)協(xié)同仿真軟件的主界面，包括仿真參數(shù)配置、數(shù)據(jù)監(jiān)視等功能。

圖8　牽引傳動(dòng)系統(tǒng)協(xié)同仿真軟件主界面

考慮到可擴(kuò)展性，將三電平牽引傳動(dòng)系統(tǒng)仿真內(nèi)核封裝為動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的形式，便于后續(xù)對(duì)不同車(chē)型、不同控制策略牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的集成。理論上模型中所有的參數(shù)均可以預(yù)留接口，并在軟件中進(jìn)行參數(shù)修改和仿真調(diào)試，包括主電路參數(shù)和控制器參數(shù)。

3　仿真結(jié)果

3.1　獨(dú)立仿真模式下的仿真結(jié)果

不考慮線路數(shù)據(jù)和列車(chē)運(yùn)行控制，將圖6所示的牽引傳動(dòng)系統(tǒng)模型按獨(dú)立仿真模式配置，其中四象限脈沖整流器采取功率解耦控制，牽引電機(jī)采取內(nèi)嵌全速域SVPWM的間接轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制。仿真得到牽引和制動(dòng)工況下網(wǎng)側(cè)電壓和電流的波形如圖9所示。由圖9可見(jiàn)：在牽引工況下網(wǎng)側(cè)電壓us和網(wǎng)側(cè)電流is同相位，而在制動(dòng)工況下它們的相位差為180°，牽引和制動(dòng)工況下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)均為1，驗(yàn)證了仿真模型及四象限脈沖整流器功率解耦控制算法的正確性，能夠滿足高速列車(chē)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行要求。

牽引傳動(dòng)系統(tǒng)中間直流側(cè)電壓波形如圖10所示。由圖10可見(jiàn)：中間直流側(cè)電壓可平順地從2 600 V抬升至3 000 V，幅值波動(dòng)較小，可實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位的平衡；0～3 s為整流器在啟動(dòng)階段經(jīng)過(guò)預(yù)充電、不控整流使直流側(cè)電壓達(dá)到目標(biāo)值的過(guò)程，這與高速列車(chē)的實(shí)際運(yùn)行情況相一致，即先啟動(dòng)整流器并封鎖逆變器脈沖，待到中間直流側(cè)電壓充電到目標(biāo)值，再對(duì)牽引逆變器—牽引電機(jī)解除脈沖封鎖。

圖9　牽引和制動(dòng)工況下網(wǎng)側(cè)電壓和電流的波形

圖10　中間直流側(cè)電壓波形

獨(dú)立仿真模式下?tīng)恳?制動(dòng)全過(guò)程的轉(zhuǎn)矩—速度曲線如圖11所示。由圖11可見(jiàn)：仿真模型輸出的實(shí)際轉(zhuǎn)矩能夠較好地跟蹤給定轉(zhuǎn)矩，表明采取的同步SVPWM算法可在一定程度上減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

圖11　轉(zhuǎn)矩—速度曲線

3.2　各區(qū)段SVPWM算法切換的仿真結(jié)果

圖12為各區(qū)段SVPWM算法動(dòng)態(tài)切換過(guò)程中相電壓、相電流和轉(zhuǎn)矩的波形。圖中：Sg為調(diào)制模式。由圖12可見(jiàn)：在各調(diào)制模式下，仿真模型輸出的電壓波形與理論設(shè)計(jì)相一致，牽引電機(jī)的電流正弦度較高、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較小，且不同調(diào)制模式間切換沖擊很??；觀察不同區(qū)段的牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩波形，可以看到在同步調(diào)制區(qū)段，轉(zhuǎn)矩在1個(gè)基波周期內(nèi)有6次周期性脈動(dòng)，而其脈動(dòng)規(guī)律與設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)序列直接相關(guān)，同時(shí)也與基波頻率相關(guān)。

3.3　協(xié)同仿真模式仿真結(jié)果

考慮線路數(shù)據(jù)和列車(chē)運(yùn)行控制，將圖6所示牽引傳動(dòng)系統(tǒng)模型按協(xié)同仿真模式配置，讀取列車(chē)運(yùn)行控制模塊輸出的全程明細(xì)數(shù)據(jù)，主要有牽引力、速度、阻力、運(yùn)行工況、過(guò)分相指令等關(guān)鍵參數(shù)，經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)線性處理，作為控制指令輸入牽引傳動(dòng)系統(tǒng)仿真內(nèi)核，進(jìn)行模型的單步迭代計(jì)算。圖13為仿真全程網(wǎng)側(cè)電流波形。由圖13可見(jiàn)：電流幅值反映了牽引電機(jī)的輸出功率，在500 s之前牽引傳動(dòng)系統(tǒng)主要是牽引過(guò)程，即網(wǎng)側(cè)電流先從0抬升至20 A左右，然后保持恒定不變，分別對(duì)應(yīng)著電力牽引恒轉(zhuǎn)矩、恒功率運(yùn)行區(qū)。

圖12　牽引傳動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)側(cè)各區(qū)段SVPWM動(dòng)態(tài)切換結(jié)果

圖13　仿真全程網(wǎng)側(cè)電流波形

圖14為協(xié)同仿真模式下全程中間直流側(cè)電壓波形。由圖14可見(jiàn)：中間直流側(cè)電壓的幅值基本保持恒定，不存在中點(diǎn)電位不平衡問(wèn)題。

圖14　仿真全程中間直流側(cè)電壓波形

圖15為協(xié)同仿真模式下全程速度、牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩波形。由圖15可見(jiàn)：列車(chē)的實(shí)際速度可較準(zhǔn)確地跟蹤列車(chē)運(yùn)行控制模塊輸出的給定速度，牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩波形可較真實(shí)地模擬列車(chē)牽引力輸出，實(shí)現(xiàn)了列車(chē)運(yùn)行控制模塊與牽引傳動(dòng)系統(tǒng)模塊間的協(xié)同仿真。

圖15　仿真全程速度、轉(zhuǎn)矩波形

由圖13—圖15可見(jiàn)：在協(xié)同仿真模式下，網(wǎng)側(cè)電流跌落到0，中間直流側(cè)電壓存在一定的過(guò)沖，轉(zhuǎn)矩和速度均存在一定程度的跌落，牽引傳動(dòng)系統(tǒng)能夠正確響應(yīng)列車(chē)運(yùn)行控制模塊發(fā)出的過(guò)分相信號(hào)，較真實(shí)地模擬了高速列車(chē)的實(shí)際運(yùn)行狀況。

4　結(jié)　論

(1)相對(duì)于傳統(tǒng)全速域SVPWM算法，本文的牽引傳動(dòng)系統(tǒng)全速域SVPWM算法(異步調(diào)制—同步7脈沖—同步5脈沖—同步4脈沖—同步2脈沖—單脈沖控制)減小了低開(kāi)關(guān)頻率下逆變器—電機(jī)的電流諧波和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，各區(qū)段SVPWM算法間也實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制下的平滑切換，無(wú)明顯電流、轉(zhuǎn)矩沖擊，輸出諧波性能較好。

(2)在協(xié)同仿真模式下，列車(chē)實(shí)際速度可較好地跟蹤列車(chē)運(yùn)行控制模塊輸出的給定速度，仿真全程的網(wǎng)側(cè)電流、中間直流側(cè)電壓、轉(zhuǎn)矩波形能夠較好地反映實(shí)際牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，以及響應(yīng)列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)發(fā)送的牽引/再生制動(dòng)/過(guò)分相/停車(chē)指令，滿足協(xié)同仿真的設(shè)計(jì)要求。

(3)相較于完全基于Simulink軟件搭建的仿真軟件，基于Simulink和VC++軟件混合編程開(kāi)發(fā)的高速列車(chē)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)全速域協(xié)同仿真軟件具有交互性好、可移植性強(qiáng)、可單步運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，特別是可單步運(yùn)行為牽引傳動(dòng)系統(tǒng)與高速列車(chē)耦合大系統(tǒng)仿真平臺(tái)間的實(shí)時(shí)在線耦合仿真提供了條件。

[1]馮江華，王堅(jiān)，李江紅. 高速列車(chē)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)綜合仿真平臺(tái)的分析與設(shè)計(jì)[J]. 鐵道學(xué)報(bào)，2012，34(2)：21-26.

(FENG Jianghua，WANG Jian，LI Jianghong. Integrated Simulation Platform of High-Speed Train Traction Drive System[J]. Journal of the China Railway Society，2012，34(2)：21-26. in Chinese)

[2]丁榮軍，桂衛(wèi)華，陳高華. 電力機(jī)車(chē)交流傳動(dòng)系統(tǒng)的半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真[J]. 中國(guó)鐵道科學(xué)，2008，29(4)：96-102.

(DING Rongjun，GUI Weihua，CHEN Gaohua. HIL Real-Time Simulation of Electric Locomotive AC Drive System[J]. China Railway Science，2008，29(4)：96-102. in Chinese)

[3]LU Qinfen，WANG Bin，HUANG Xiaoyan，et al. Simulation Software for CRH2and CRH3Traction Driver Systems Based on SIMULINK and VC[J]. Journal of Zhejiang University-Science A:Applied Physics & Engineering，2011,12(12)：945-949.

[4]HOLTZ J, OIKONOMOU N. Synchronous Optimal Pulsewidth Modulation and Stator Flux Trajectory Control for Medium-Voltage Drives[J]. IEEE Transactions on Industrial Applications, 2007, 43(2): 600-608.

[5]ZHANG Yongchang, ZHAO Zhengming, ZHU Jianguo. A Hybrid PWM Applied to High Power Three-Level Inverter-Fed Induction-Motor Drives[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011, 58(8): 3409-3420.

[6]RATHORE A K, HOLTZ J, BOLLER T. Generalized Optimal Pulsewidth Modulation of Multilevel Inverters for Low-Switching-Frequency Control of Medium-Voltage High-Power Industrial AC Drives[J]. IEEE Transactions Industrial Electronics, 2013, 60(10): 4215-4224.

[7]BEIG A R，NARAYANAN G，RANGANATHAN V T. Modified SVPWM Algorithm for Three Level VSI with Synchronized and Symmetrical Waveforms[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2007, 54(1): 486-494.

[8]葛興來(lái)，馮曉云. 動(dòng)車(chē)組牽引傳動(dòng)三電平逆變器SVPWM控制[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，43(5)：566-572.

(GE Xinglai，F(xiàn)ENG Xiaoyun. SVPWM Control of Three-Level Inverter for Traction Drive in EMUs[J]. Journal of Southwest Jiaotong University，2008，43(5)：566-572. in Chinese)

[9]HOLMES D G，THOMAS A L.Pulse Width Modulation for Power Converters：Principles and Practice[M].New York：Wiley-IEEE Press，2003.

[10]宋昌林，胡鵬飛，李治. 用于交流傳動(dòng)控制器調(diào)試的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，38(4)：414-417.

(SONG Changlin，HU Pengfei，LI Zhi. Real Time Simulation System for AC Drive Controller Test[J]. Journal of Southwest Jiaotong University，2003，38(4)：414-417. in Chinese)

[11]葛興來(lái)，宋文勝，馮曉云. 基于dSPACE的高速列車(chē)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備，2012，32(3)：18-22.

(GE Xinglai，SONG Wensheng，F(xiàn)ENG Xiaoyun. Drive System Based on dSPACE Platform for High-Speed Train[J]. Electric Power Automation Equipment，2012，32(3)：18-22. in Chinese)

[12]CELANOVIC N，BOROVEVICH D. A Comprehensive Study of Neutral-Point Voltage Balancing Problem in Three-Level Neutral-Point-Clamped Voltage Source PWM Inverters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2000, 15(2): 242-249. in Chinese)

[13]NARAYANAN G，KRISHNAMURTHY H K，ZHAO Di，et al.Advanced Bus-Clamping PWM Techniques Based on Space Vector Approach [J].IEEE Transactions on Power Electronics，2006，21(4)：974-984.

[14]朱金陵，李會(huì)超，王青元，等. 列車(chē)節(jié)能控制的優(yōu)化分析[J]. 中國(guó)鐵道科學(xué)，2008，29(2)：104-108.

(ZHU Jinling，LI Huichao，WANG Qingyuan，et al. Optimization Analysis on the Energy Saving Control for Trains[J]. China Railway Science，2008，29(2)：104-108. in Chinese)

[15]王青元，馮曉云. 列車(chē)準(zhǔn)點(diǎn)節(jié)能運(yùn)行的控制工況最優(yōu)切換研究[J]. 中國(guó)鐵道科學(xué)，2016，37(2)：91-98.

(WANG Qingyuan，F(xiàn)ENG Xiaoyun. Optimal Switching for Control Conditions of Punctual and Energy Efficient Operation of Train[J]. China Railway Science，2016，37(2)：91-98. in Chinese)