單寶鈺, 曲詩健, 姜連生

(中國中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司，遼寧 大連 116022)

0 引 言

牽引控制系統(tǒng)由直流供電、預充電回路、濾波電路、牽引逆變器、異步電機組成。實際運行時，由于直流側濾波電路和逆變器開關電路參數匹配，以及矢量控制算法在全速度范圍內動態(tài)調節(jié)時，會使主電路出現負阻抗的情況。當出現負阻抗時，系統(tǒng)阻尼降低，此時直流側電壓和電流容易產生持續(xù)振蕩，引起電機轉矩脈動，設備發(fā)熱，同時會使牽引控制系統(tǒng)進行過壓、過流故障保護，嚴重時會損壞系統(tǒng)中的設備。

文獻[1]介紹了更改LC參數的方法，這種方法在牽引系統(tǒng)設計初期可以采用，可實際運行時往往無法更改LC參數，由外部因素引起牽引系統(tǒng)的振蕩。文獻[2]中作者介紹了壓頻比控制振蕩抑制控制策略，對定子電壓進行補償，為了改善電機負載輸出電流振蕩問題，屬于對控制算法進行優(yōu)化，有一定局限性。

針對系統(tǒng)參數、矢量控制算法等因素引起的直流側電壓和電流振蕩問題進行深入研究，本文提出了一種通過動態(tài)調節(jié)轉矩電流Isq給定值，即增加主電路正阻抗的方法，達到振蕩抑制的目的。

本文通過建立數學模型，搭建Matlab仿真模型進行了仿真對比分析，提出了基于矢量控制振蕩抑制控制策略，最后通過半實物仿真平臺和地面聯(lián)調試驗，驗證了本文提出方法的合理性和可行性。

1 基于振蕩抑制控制策略研究

1.1 牽引系統(tǒng)主電路原理及振蕩原因分析

1.1.1牽引系統(tǒng)主電路

牽引系統(tǒng)主電路原理圖如圖1所示。

圖1 牽引系統(tǒng)主電路原理圖

如圖所示，牽引系統(tǒng)主電路由輸入濾波電抗、預充電回路、支撐電容、功率模塊、牽引電機組成，輸入電壓為DC750V。

因此，直流母線電壓、電流振蕩主要是由控制不當、或者主電路LC參數不匹配引起的。

1.1.2振蕩原因分析

目前直流供電接觸網是由24脈波不控整流供電，當列車牽引功率增加時，直流網壓下降，牽引逆變器呈負阻抗特性，系統(tǒng)阻尼降低，導致直流母線會在諧振頻率點附近持續(xù)振蕩[3]。當控制不當時，主電路無功分量增加，也會使主電路處于負阻抗狀態(tài)，引起直流側振蕩。如果不進行抑制，會使得振蕩不斷發(fā)散，最終系統(tǒng)進行保護停止運行。

為方便振蕩原因分析，本文簡化了系統(tǒng)主電路架構，假設牽引逆變器的輸出功率不變，忽略電路傳動損耗，不考慮后端負載，則系統(tǒng)阻尼系數和穩(wěn)定性條件為：

(1)

(2)

為了提高系統(tǒng)等效電阻，增加后端負載電阻阻值，即原系統(tǒng)等效阻值變?yōu)镽′=R+RL。

因此，本文提出了一種牽引系統(tǒng)振蕩抑制控制策略，在全速度范圍內對振蕩都會有效地進行抑制。

1.2 基于振蕩抑制控制策略數學模型建立

考慮到直流母線振蕩與LC參數匹配情況，調制策略、PI參數等因素有關，因此本文建立了異步電機數學等效模型、脈寬調制策略以及轉子磁場定向矢量控制的定向線性化模型。并對牽引傳動系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性進行了分析。先對基于矢量控制異步電機牽引系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型進行分析。

圖2 異步電機穩(wěn)態(tài)等效電路

如圖2所示，在正弦穩(wěn)態(tài)下，電壓和電流空間矢量復變量形式如下：

(3)

穩(wěn)態(tài)時電磁轉矩為

(4)

由穩(wěn)態(tài)模型可知，動態(tài)模型下電磁轉矩等效數學模型為

(5)

式中，Te為電磁轉矩；np為電機極對數；Lm為電路等效互感；Lr為等效轉子電感；Isq為定子q軸電流分量；ψr為轉子磁鏈[4-5]。

在牽引系統(tǒng)主電路中引入正阻抗可有效抑制振蕩，由數學模型可知，通過改變電流轉矩分量給定值，可以改變電磁轉矩值，即調節(jié)主電路中正阻抗給定值。

異步電機輸入三相電壓是由逆變器開關管對直流母線電壓Udc進行斬波合成后得到，其空間矢量可以表示如下：

us(t)=k(t)Ud(t)

(6)

其中，k(t)為脈寬調制(PWM)等效系數，Ud(t)為該時刻開關電壓值。為了抑制直流側振蕩，可將上式k(t)定義為[6-8]

(7)

通過式(3)和式(4)可得空間電壓矢量數學模型為

(8)

通過電壓與電流關系可以推導出：

isq(t)≈Gc(p)isqref(t)+Gd(p)Ud(t)

(9)

式中，usref0和Ud0為穩(wěn)態(tài)值，通過上式可知，通過對定子轉矩電流分量isq進行動態(tài)補償可以有效對振蕩進行抑制。

通過對傳感函數進行離散化后，將式(9)進行工程簡化可得：

(10)

根據振蕩抑制數學模型實時計算補償電流值，對q軸電流實際給定值進行補償，增加系統(tǒng)等效電阻。

1.3 基于振蕩抑制控制策略仿真分析

為了對比分析單組逆變器和兩組逆變器分別運行時，對主電路振蕩情況進行仿真分析，通過Matlab建立了牽引系統(tǒng)仿真模型，模擬實際運行情況進行仿真分析[9-10]。仿真模型如圖3、圖4所示。

圖3 牽引系統(tǒng)仿真模型

圖4 主電路仿真模型

如圖3、圖4所示，仿真模型主要包括：基于S函數編寫的轉差型矢量控制程序，主電路模型、逆變器模型、電機模型、相應觀測單元。

仿真試驗說明：系統(tǒng)內部采樣時間為400 μs，外圍采樣時間1 μs，網壓Uline= 760 V，主電路電感值為L=1.5 mH，電容值C=6000 μF，線路等效電阻為Rline=0.15 Ω。電機參數與實際試驗用參數相同，額定功率為120 kW，額定電壓530 V，額定頻率84 Hz，定子電阻0.01085 Ω，轉子電阻0.008995 Ω，定子漏感0.000204 H，轉子漏感0.000193 H，互感為0.004779 H，4極。

陪試電機轉速n=1950 r/min，給定轉矩100%，對比分析未加振蕩抑制和加入振蕩抑制兩種控制策略波形情況。

圖5 電壓/電流仿真波形

圖6 Isq電流仿真波形

圖7 Isq電流給定補償波形

如上所示，未加入振蕩抑制控制算法母線電壓、電流、轉矩在Isq電流給定值達到最大后產生振蕩，電壓振蕩峰峰值為40 V，電流振蕩峰峰值為80 A。

加入振蕩抑制控制算法后，針對牽引系統(tǒng)的Isq電流給定值進行動態(tài)補償，補償后電壓峰峰值為10 V，電流峰峰值20 A。

通過對比仿真結果可知，牽引系統(tǒng)運行在振蕩速度段時，基于振蕩抑制算法對轉矩電流分量給定值進行超前調節(jié)，有效抑制了直流側電壓、電流振蕩，驗證了本文算法的合理性。

2 基于振蕩抑制控制算法試驗分析

試驗設備：城軌100低地板鉸接車用動力單元柜體、被試異步電機、陪試電機、陪試變頻器、DL850示波器?？刂茊卧鐖D8所示。

圖8 牽引系統(tǒng)控制單元

試驗條件：給定滿轉矩、直流供電電壓750 V、速度給定1800 r/min，觀測母線電壓、母線電流、輸出電流、輸出電壓波形，通過以太網與牽引控制單元進行通信，對比分析傳統(tǒng)控制策略與本文提出控制策略結果，來驗證本文提出方法的可行性。試驗波形如圖9所示。

圖9 電壓/電流試驗波形

如圖9所示，CH3通道為母線電壓波形(40 V/div)，CH4為母線電流波形(100 A/div)，未加振蕩抑制控制算法的牽引系統(tǒng)直流側母線電壓/電流在速度為1800 r/min時產生振蕩，振蕩無法恢復，電壓振蕩峰峰值為65 V，電流振蕩峰峰值為127 A，嚴重影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，當振蕩得不到控制時，會導致停機保護，嚴重時會損壞設備。

當通過軟件給定指令加入振蕩抑制控制算法后，振蕩得到有效抑制，電壓波動峰峰值為8 V，電流波動峰峰值為4 A。

試驗結果與仿真分析結果相符，驗證了本文提出算法的合理性和可行性。

3 結 語

(1)本文提出了一種基于矢量控制異步電機振蕩抑制算法，搭建了數學模型和仿真模型，通過仿真試驗分析和地面聯(lián)調試驗結果分別驗證了本文提出方法的合理性和可行性。

(2)通過試驗結果表明，采用振蕩抑制控制策略，試驗結果與理論結果基本一致，達到預期，可以有效抑制直流側電壓、電流振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。