李學(xué)明, 徐紹龍, 蔣奉兵, 褚金鵬

(株洲中車時代電氣股份有限公司,湖南 株洲 412001)

0 引 言

列車自動駕駛技術(shù)作為軌道交通智能化的重要前沿技術(shù)之一，已在行業(yè)內(nèi)得到充分關(guān)注和應(yīng)用[1]。上海軌道交通10號線、北京燕房線等率先實(shí)現(xiàn)了城市軌道交通領(lǐng)域的列車全自動駕駛；廣東惠莞線和京張高鐵線分別建成了中國列車運(yùn)行控制系統(tǒng)-2級(CTCS2)+列車自動運(yùn)行系統(tǒng)(ATO)的干線城際鐵路和基于CTCS3+ATO的高速鐵路自動駕駛試驗(yàn)[2]。由中車株洲所研發(fā)的HXD1 型機(jī)車自動駕駛系統(tǒng)已累計(jì)安全運(yùn)行27萬多公里[3]。隨著軌道交通裝備智能化程度的提高，客戶對設(shè)備運(yùn)營的安全可靠、平穩(wěn)、正點(diǎn)、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、高效等方面提出了更高的要求[4]。

機(jī)車特別是大功率機(jī)車，其單軸牽引電機(jī)額定功率一般超過1 000 kW，機(jī)車能耗絕大部分為牽引能耗，而牽引電機(jī)額定功率運(yùn)行時的效率一般在0.90～0.95之間，在額定功率以下運(yùn)行時則效率更低，且在同一速度下不同牽引力發(fā)揮時其效率相差較大。目前關(guān)于電機(jī)節(jié)能控制方法研究較多，主要有基于電機(jī)損耗模型的最優(yōu)控制[5-10]，降壓節(jié)電控制[11]，搜索控制[12]、恒功率因數(shù)控制[13]、最小勵磁電流控制[14]等。

綜上所述,通常以單臺電機(jī)為考慮對象，通過建立電機(jī)損耗模型或與損耗強(qiáng)相關(guān)的控制量，從而調(diào)整實(shí)時控制策略，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前工況下電機(jī)損耗優(yōu)化控制。此類方法需對電機(jī)損耗模型進(jìn)行深入研究并對成熟控制策略進(jìn)行大量調(diào)整優(yōu)化，工程實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜。為此，本文考慮從整車系統(tǒng)出發(fā)，基于HXD1自動駕駛機(jī)車自動駕駛裝置的規(guī)劃信息，提出了一種基于牽引功率動態(tài)分配的機(jī)車牽引電機(jī)節(jié)能控制方法。根據(jù)牽引噸位、線路約束的牽引功率需求等約束，實(shí)時計(jì)算未來規(guī)劃區(qū)間內(nèi)的功率需求，基于牽引電機(jī)效率最優(yōu)進(jìn)行各軸牽引力動態(tài)分配，在保證安全運(yùn)用的條件下，實(shí)現(xiàn)牽引電機(jī)能耗最低。

1 機(jī)車牽引傳動系統(tǒng)及其牽引力分配控制原理

1.1 機(jī)車牽引傳動系統(tǒng)介紹

交流傳動電力機(jī)車牽引傳動系統(tǒng)典型主電路結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。主要由牽引變壓器、牽引變流器(包括充電回路、四象限整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器等)和牽引電機(jī)3部分組成。單相25 kV交流電經(jīng)過受電弓、真空斷路器VCB和牽引變壓器一次側(cè)進(jìn)入車體，由牽引變壓器二次側(cè)繞組向變流電路提供單相交流電。交流電流在四象限整流器的作用下變換成脈動直流電，經(jīng)中間直流環(huán)節(jié)濾波后，利用逆變器轉(zhuǎn)換成頻率和幅值可變的三相交流電驅(qū)動牽引電機(jī)，從而控制機(jī)車以不同速度和牽引力前進(jìn)。以HXD1機(jī)車為例，其機(jī)車軸式為2(B0-B0)，整個機(jī)車由2節(jié)完全相同的4軸電力機(jī)車通過固定重聯(lián)方式構(gòu)成。每節(jié)機(jī)車配置1臺牽引變壓器、1臺變流器和4臺牽引電機(jī)，每個牽引變流器配置1個傳動控制單元(TCU)[15]，實(shí)現(xiàn)牽引傳動系統(tǒng)的實(shí)時控制、診斷與保護(hù)及網(wǎng)絡(luò)通信等功能。

圖1 機(jī)車牽引傳動系統(tǒng)典型主電路結(jié)構(gòu)原理

1.2 牽引力分配控制原理

HXD1型自動駕駛機(jī)車每節(jié)機(jī)車配置一套自動駕駛裝置ATO[3]，通過接收來自列車運(yùn)行監(jiān)控裝置、網(wǎng)絡(luò)中央控制單元(CCU)、制動控制單元及機(jī)車電臺的數(shù)據(jù)，基于自動駕駛控制策略實(shí)現(xiàn)對機(jī)車牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)的控制，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)車的自動駕駛功能[4]。

圖2 機(jī)車牽引制動力分配控制流程

機(jī)車的牽引制動力分配控制流程如圖2所示。ATO裝置結(jié)合列車運(yùn)行線路數(shù)據(jù)、車輛數(shù)據(jù)、監(jiān)控信號及機(jī)車牽引/制動特性，對列車運(yùn)行行程進(jìn)行評估，基于安全、平穩(wěn)、正點(diǎn)、減負(fù)及節(jié)能等原則，自動規(guī)劃機(jī)車在前方區(qū)間的最優(yōu)化目標(biāo)速度曲線和整車牽引制動力設(shè)定曲線，并以目標(biāo)工況(牽引或制動)和目標(biāo)級位(對應(yīng)手柄級位)的形式發(fā)送給CCU裝置。CCU收到該信息后，結(jié)合目標(biāo)工況，將級位信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換成整車牽引制動力，并按各軸平均分配的方式將整車力分解成每軸牽引制動力，通過多功能車輛總線(MVB)通信方式發(fā)送給該節(jié)機(jī)車對應(yīng)的2個TCU。TCU收到每軸設(shè)定力后，根據(jù)機(jī)車傳動比和輪徑信息將設(shè)定力轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的設(shè)定轉(zhuǎn)矩，并通過控制本軸牽引逆變器(INV)IGBT脈沖，驅(qū)動牽引電機(jī)實(shí)現(xiàn)設(shè)定轉(zhuǎn)矩的實(shí)時閉環(huán)控制。

2 牽引電機(jī)節(jié)能控制策略

2.1 算法基本原理

本文提出的基于功率動態(tài)分配的自動駕駛機(jī)車牽引電機(jī)節(jié)能控制算法如圖3所示。

圖3 基于功率動態(tài)分配的機(jī)車牽引電機(jī)節(jié)能控制算法流程圖

整個算法分成離線設(shè)計(jì)與在線實(shí)現(xiàn)2部分。離線設(shè)計(jì)階段，通過深入分析大量機(jī)車歷史現(xiàn)場運(yùn)用數(shù)據(jù)，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動方法，建立牽引電機(jī)效率與牽引力、速度間的關(guān)系模型并確定評價策略優(yōu)劣的性能指標(biāo)。其中，性能指標(biāo)綜合考慮節(jié)能效果和各軸牽引力的均衡程度，采用帶等式約束的多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)作為其評價指標(biāo)，各目標(biāo)間的權(quán)重系數(shù)根據(jù)用戶需求可自定義。在線實(shí)現(xiàn)階段，在每個運(yùn)行區(qū)間初始位置，首先，讀取區(qū)間規(guī)劃的整車牽引力及速度曲線，根據(jù)策略序號計(jì)算每種牽引力分配策略下的規(guī)劃牽引力和速度曲線。其次，基于離線設(shè)計(jì)得到的牽引電機(jī)效率模型以及性能指標(biāo)計(jì)算式，計(jì)算各種牽引力分配策略下的指標(biāo)值。最后，選定使目標(biāo)函數(shù)最小的策略，并根據(jù)對應(yīng)策略序號輸出相應(yīng)策略下的各軸牽引力進(jìn)行牽引電機(jī)控制。下文對算法中涉及的各功能單元設(shè)計(jì)原理進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

2.2 電機(jī)效率建模

基于歷史正常工況下運(yùn)行數(shù)據(jù)中記錄的一次側(cè)電壓、一次側(cè)電流、機(jī)車牽引力、機(jī)車速度等信息，估算機(jī)車效率與牽引力、速度間的關(guān)系，效率隨牽引力和速度的分布三維圖如圖4所示。

圖4 牽引電機(jī)“牽引力-速度-效率”三維圖

分析圖4可知，同一速度下不同牽引力發(fā)揮時效率相差較大，且效率與發(fā)揮牽引力不是單調(diào)線性關(guān)系，基于數(shù)據(jù)對其函數(shù)關(guān)系式以1 km/h為步長進(jìn)行分段五階多項(xiàng)式擬合，擬合式如下:

η=a0(n)·F5+a1(n)·F4+a2(n)·F3+a3(n)·F2+a4(n)·F1+a5(n)

(1)

可得不同速度條件下全牽引力范圍的效率關(guān)系式:

η=fη(F,v)

(2)

式中:a0～a5為多項(xiàng)式函數(shù)中的擬合系數(shù)；n為第n個速度段，如第1個速度段包括的速度范圍v1為0 km/h≤v1<1 km/h,第n個速度段包括的速度范圍vn為(n-1) km/h≤vn

不同速度區(qū)間分段擬合的均方誤差如圖5所示。

圖5 擬合誤差結(jié)果

由圖5可以看出，最大擬合誤差為0.066 5，平均誤差為0.042 6，滿足優(yōu)化目標(biāo)精度要求。

2.3 性能指標(biāo)設(shè)計(jì)

假設(shè)規(guī)劃的區(qū)間長度為SN，則區(qū)間規(guī)劃的速度、牽引力曲線分別為

v=fv(s),0

(3)

F=fF(s),0

(4)

各軸牽引力發(fā)揮存在較大偏差時會對列車平穩(wěn)性等控制性能產(chǎn)生一定影響，因此為了兼固效率同時盡可能均衡各軸牽引力發(fā)揮，有效衡量牽引力分配好壞，構(gòu)造如下優(yōu)化指標(biāo)，求解最優(yōu)化問題求取各軸最佳分配牽引力曲線：

minJ=k1·Jη+k2·JB

(5)

2.4 牽引力分配策略設(shè)計(jì)

在現(xiàn)有的電力機(jī)車自動駕駛牽引力分配中，通常采用均衡分配策略(表1中TS1)，原因是此種分配策略實(shí)現(xiàn)最為簡單。為了在考慮工程實(shí)現(xiàn)方便的同時具備良好的節(jié)能效果，本文綜合單軸牽引電機(jī)效率最優(yōu)曲線以及惰行方案，增加TS2～TS4 3種分配策略，如表1所示。其中，分配策略TS3和TS4中惰行牽引電機(jī)數(shù)目根據(jù)本區(qū)間最大功率需求來確定。3種牽引力分配策略均具有工程實(shí)現(xiàn)簡單，物理意義清晰等優(yōu)點(diǎn)。同時，為了在滿足節(jié)能效果的同時避免頻繁進(jìn)行牽引力分配策略切換，考慮在同一個規(guī)劃區(qū)間只采用一種分配策略，通過對整條線路上每個規(guī)劃區(qū)間內(nèi)均選擇使能耗最小的策略來保證整條線路內(nèi)節(jié)能效果最佳。

表1 分配策略列表

整個機(jī)車牽引電機(jī)節(jié)能控制算法在線計(jì)算流程如圖6所示。

圖6 牽引電機(jī)節(jié)能控制算法在線計(jì)算流程圖

在進(jìn)行初始化以及相關(guān)參數(shù)設(shè)置完成后，首先基于機(jī)車當(dāng)前位移對其區(qū)間位置進(jìn)行實(shí)時判斷，當(dāng)處于規(guī)劃區(qū)間起始位置時，置區(qū)間規(guī)劃調(diào)整標(biāo)志為1并開始進(jìn)行分配策略計(jì)算，否則保持當(dāng)前分配策略不變。然后，當(dāng)區(qū)間規(guī)劃調(diào)整標(biāo)志為1時，讀取當(dāng)前規(guī)劃區(qū)間速度及牽引力規(guī)劃曲線，并根據(jù)式(5)計(jì)算4種分配策略對應(yīng)的指標(biāo)值。最后，求取指標(biāo)值最小的分配策略對應(yīng)的各軸牽引力作為牽引電機(jī)的給定輸出。圖6中，F(xiàn)ij表示第i種分配策略下的第j軸牽引力設(shè)定曲線。牽引力分配計(jì)算舉例說明：以HXD1機(jī)車為例，該車每個自動駕駛裝置負(fù)責(zé)4個軸牽引力控制。假設(shè)某時刻整節(jié)車設(shè)定牽引力FT要求為150 kN，此速度下根據(jù)電機(jī)特性曲線求得的單軸最大允許發(fā)揮牽引力Fmax為60 kN,則根據(jù)表1，不同策略下各軸發(fā)揮牽引力計(jì)算如表2所示。

表2 機(jī)車功率分配策略數(shù)值算例

3 算法現(xiàn)場數(shù)據(jù)驗(yàn)證

根據(jù)HXD1機(jī)車記錄的某趟兩站點(diǎn)間實(shí)際線路自動駕駛運(yùn)行數(shù)據(jù)，對上述牽引力分配控制策略的節(jié)能效果進(jìn)行驗(yàn)證。性能指標(biāo)函數(shù)中，k1與k2分別取1.0和0.2。

整個線路的區(qū)間序號以及整車規(guī)劃牽引力和速度如圖7和圖8所示。由圖7、圖8可知，此趟線路長度共約56 km，整個運(yùn)行線路包括8個規(guī)劃區(qū)間，即在此線路上需根據(jù)優(yōu)化指標(biāo)式(5)對分配策略進(jìn)行8次自動規(guī)劃；機(jī)車運(yùn)行速度在0～80 km/h間動態(tài)變化，整車規(guī)劃牽引力在0～465 kN之間波動。

圖7 區(qū)間序號及速度對應(yīng)圖

圖8 整趟線路區(qū)間規(guī)劃整車牽引力及速度

不同策略下各軸分配牽引如圖9所示。從圖9可以看出，采用策略1時，其各軸牽引力均相等，策略2的1軸牽引力最大，策略3的4軸惰行工況最多且1軸牽引力最大，策略4的4軸惰行工況最多且1，2軸牽引力發(fā)揮較均衡，與表1中對應(yīng)分配策略相符。

圖9 不同策略下各軸分配牽引力

各分配策略節(jié)能控制結(jié)果如圖10所示。從圖10可以看出，此趟線路的8個規(guī)劃區(qū)間，不同分配策略節(jié)能效果不盡相同。其中，區(qū)間3、4、5采用策略TS2能達(dá)到最優(yōu)節(jié)能效果，其余區(qū)間采用策略TS3節(jié)能效果最佳，而采用分配策略TS1能耗均最大。

圖10 各分配策略節(jié)能控制結(jié)果

不同策略下各區(qū)間能耗詳細(xì)數(shù)據(jù)如表3所示。從表3可以得出，所有區(qū)間若只采用單一的牽引力分配策略，則4種分配策略的能耗分別為3 415.7、2 836.3、2 411.6、2 876.7 kW·h，比目前采用策略1的分配策略，約節(jié)能了29.4%。

表3 不同策略下各區(qū)間能耗詳細(xì)數(shù)據(jù) kW·h

4 結(jié) 語

本文從整車牽引功率動態(tài)分配角度出發(fā)，提出了一種自動駕駛機(jī)車牽引電機(jī)節(jié)能控制策略?，F(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)測試表明，與目前所用控制方法相比，本文所提動態(tài)功率分配策略，約節(jié)能了29.4%。此外，該方法無需改造現(xiàn)有牽引系統(tǒng)硬件，僅需升級相關(guān)軟件，工程實(shí)現(xiàn)簡單，具有良好的應(yīng)用前景。