孫一峰

摘要：高速動車組變流裝置包括牽引變流器與輔助變流器。牽引變流器的主要功能是將牽引變壓器降壓后的單相交流電，通過交直交變換輸出VVVF三相PWM電壓驅(qū)動牽引電機，為列車的運行提供動力，輔助變流器的主要功能是為動車組運行所必需的輔助設(shè)備供電，例如為各種冷卻裝置、空壓機、照明和空調(diào)、蓄電池等供電。

關(guān)鍵詞：動車組；變流器；中間直流電壓；控制策略

1中間直流電壓保持模式及其應(yīng)用

1.1 中間直流電壓保持模式簡介

牽引變流器部分主要由四象限整流器、中間直流環(huán)節(jié)和牽引逆變器組成。四象限整流器可實現(xiàn)單相交流電與直流電之間的四象限變換，并保證網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近于1；中間直流環(huán)節(jié)主要起到儲能和穩(wěn)定中間直流電壓的作用，并保證能量傳遞時的瞬時功率平衡；牽引逆變器主要為牽引電機提供驅(qū)動電源，可使?fàn)恳姍C工作在牽引或再生制動工況。輔助變流器采用直交型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輸入側(cè)并聯(lián)到牽引變流器中間直流環(huán)節(jié)獲取電能，將中間直流電壓變換成三相380V/50Hz正弦交流電壓提供給各類輔助負(fù)載。列車在牽引工況運行時，牽引電機工作在電動機狀態(tài)，牽引逆變器工作在逆變狀態(tài)，能量從中間直流環(huán)節(jié)流向牽引電機；列車在再生制動工況運行時，牽引電機工作在發(fā)電機狀態(tài)，牽引逆變器工作在整流狀態(tài)，可將牽引電機制動產(chǎn)生的能量回饋至中間直流環(huán)節(jié)。在某些特殊運行工況下，高速列車會失去網(wǎng)側(cè)對牽引系統(tǒng)的供電，四象限整流器將停止工作，此時為保證車載空調(diào)、照明、冷卻裝置等輔助設(shè)備的正常工作，可以使?fàn)恳兞髌鞴ぷ髟谥虚g直流電壓保持模式。中間直流電壓保持模式下牽引變流器不再受控于列車控制級發(fā)送的牽引或制動指令，僅根據(jù)輔助供電系統(tǒng)的功率需求，由變流器控制單元控制中間直流電壓保持穩(wěn)定，利用再生制動反饋的能量保證輔助變流器及必要負(fù)載設(shè)備的持續(xù)正常工作。由于輔助系統(tǒng)的功率相對于牽引系統(tǒng)較小，中間直流電壓保持模式下牽引變流器相當(dāng)于工作在“微電制”狀態(tài)。

1.2 中間直流電壓保持模式應(yīng)用工況

1.2.1過分相

在單相交流供電的電氣化鐵路上，為使電力系統(tǒng)三相負(fù)荷盡可能平衡，接觸網(wǎng)通常采用分段換相供電，每隔20～30km設(shè)置一段供電絕緣區(qū)域，即分相區(qū)。接觸網(wǎng)在分相區(qū)兩側(cè)由不同兩相進(jìn)行供電，在分相區(qū)內(nèi)則無供電。高速列車在經(jīng)過分相區(qū)時，通常需要采用自動過分相方式，控制單元提前接收到過分相信號，并封鎖四象限整流器的控制脈沖。在過分相過程中，僅依靠變流器的中間直流電容儲能難以維持中間直流電壓的穩(wěn)定和輔助系統(tǒng)的持續(xù)工作，因此通常使?fàn)恳兞髌髑袚Q到中間直流電壓保持模式。經(jīng)過分相區(qū)之后，控制單元重新激活對四象限整流器的控制，使?fàn)恳孀兤魍顺鲋虚g直流電壓保持模式恢復(fù)到正常牽引或電制動運行狀態(tài)。

1.2.2無動力回送

高速列車在載客運營過程中，如果發(fā)生嚴(yán)重故障導(dǎo)致失去牽引動力，則需要機車實施救援，將其回送到便于乘客換乘的車站。在無動力回送過程中，將禁止升弓、閉合主斷路器等操作，整個列車將在網(wǎng)側(cè)無供電情況下運行。由于高速列車的車窗為封閉結(jié)構(gòu)，為了不影響乘客乘坐的舒適性，需要使空調(diào)以及照明等設(shè)施能夠正常工作，為解決該問題，動車組變流器通常配備回送發(fā)電裝置。無動力回送工況下，當(dāng)使用回送發(fā)電裝置時，首先通過DC/DC裝置將來自DC110V蓄電池的電壓為中間直流環(huán)節(jié)充電至一定初始電壓，然后利用該初始電壓建立起牽引電機的勵磁，并進(jìn)入中間直流電壓保持模式，控制中間直流電壓上升到給定值且保持穩(wěn)定，進(jìn)而在無動力回送過程中將來自列車的動能轉(zhuǎn)化為電能，為動車組必要的輔助設(shè)備提供持續(xù)供電。

2 中間直流電壓保持控制策略

2.1 牽引傳動系統(tǒng)矢量控制原理

直接矢量控制對同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的勵磁電流分量i*sd和轉(zhuǎn)矩電流分量i*sq進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，電流調(diào)節(jié)器的輸出電壓u*sdc，u*sqc與前饋電壓u*sd，u*sq疊加，得到定子電壓幅值和相角，再經(jīng)PWM調(diào)制產(chǎn)生逆變器輸出電壓，從而實現(xiàn)對電機電流、轉(zhuǎn)矩的瞬態(tài)控制。

2.2中間直流電壓保持控制策略

當(dāng)牽引變流器工作在中間直流電壓保持模式下，矢量控制策略將維持中間直流電壓所需要的功率作為前饋量，重新計算轉(zhuǎn)矩電流給定值i*sq，而勵磁電流的給定仍采用原有方式，以此調(diào)整再生制動轉(zhuǎn)矩，達(dá)到控制中間直流電壓的目的。

2.3前饋補償控制響應(yīng)分析

中間直流電壓保持控制策略中采用了功率前饋補償?shù)姆椒?。相比于不加前饋補償?shù)目刂品椒?，加前饋補償?shù)姆椒軌蛴行岣呦到y(tǒng)對負(fù)載功率的響應(yīng)速度以及閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。從理論上可以通過分析系統(tǒng)對功率變化的敏感性，對加入功率前饋補償前后的控制性能進(jìn)行對比。

2.4前饋功率計算

2.4.1輔助變流器消耗功率計算

輔助變流器消耗功率可采用2種方法進(jìn)行計算。1）采用中間直流側(cè)電流計算。采用該方法時，需要在牽引變流器中間直流環(huán)節(jié)向輔助變流器供電的線路上加裝電流傳感器。由于輔助變流器的輸入側(cè)通常采用三相橋式逆變電路，因此電流傳感器測量到的瞬時值并非穩(wěn)定的直流量，這種情況下需要對采集的電流進(jìn)行濾波處理以得到輔助直流電流的平均值。采用輔助變流器電壓電流計算。該方法由輔助變流器控制器計算出功率，然后通過數(shù)字通信接口將功率值傳遞給牽引變流器控制單元，這種情況下可省去在線路上加裝電流傳感器，適用于主輔一體的變流器結(jié)構(gòu)。進(jìn)行輔助變流器控制需要采集三相隔離變壓器二次側(cè)電壓和一次側(cè)電流數(shù)據(jù)，可根據(jù)三相隔離變壓器的聯(lián)結(jié)方式和變比將二次側(cè)電壓折算至一次側(cè)。

2.4.2電機損耗計算

采用異步電機作為牽引電機時，電機損耗主要包括定子、轉(zhuǎn)子銅耗和定子、轉(zhuǎn)子鐵耗，以及包括機械損耗在內(nèi)的其他損耗。其中，銅耗和鐵耗所占比例較大（至少80%以上），因此前饋功率補償中僅考慮電機的銅耗和鐵耗即可。

2.4.3牽引逆變器損耗計算

牽引逆變器在能量傳遞過程中均會產(chǎn)生損耗。逆變器損耗主要包括功率器件的通態(tài)損耗、開關(guān)損耗以及線路損耗，通態(tài)損耗取決于器件的管壓降和負(fù)載電流，開關(guān)損耗取決于開關(guān)頻率和負(fù)載電流。

3試驗結(jié)果

試驗臺采用變流器-牽引電機“背靠背”對拖式結(jié)構(gòu)，試驗過程中陪試系統(tǒng)工作在速度模式，被試牽引系統(tǒng)工作在轉(zhuǎn)矩模式。輔助變流器輸入側(cè)連接到牽引變流器中間直流環(huán)節(jié)，并投入一定功率的輔助負(fù)載。牽引變流器收到過分相指令后進(jìn)入中間直流電壓保持模式，然后出分相退出中間直流電壓保持模式，進(jìn)入中間直流電壓保持模式后，變流器中間直流電壓跟隨指令值變化到約3500V，牽引電機轉(zhuǎn)矩由牽引特性轉(zhuǎn)變?yōu)樵偕苿犹匦?，并且在整個過分相試驗過程中，中間直流電壓及電機轉(zhuǎn)矩保持穩(wěn)定。由于試驗電機轉(zhuǎn)速由陪試系統(tǒng)控制，因此在再生制動工況下電機轉(zhuǎn)速維持恒定。從切換時刻到進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的過程中，電機電壓、電流均在出現(xiàn)因控制切換造成的突變擾動之后較快地恢復(fù)穩(wěn)定，控制策略達(dá)到良好的動態(tài)效果。牽引變流器中間直流電壓初始值約為1000V，收到無動力回送模式指令后，切換到中間直流電壓保持模式，通過中間直流電壓保持控制將中間直流電壓提升至約3500V，維持一段時間之后再平穩(wěn)退出中間直流電壓保持模式。在無動力回送工況下，通過中間直流電壓保持控制可以較快地建立并保持系統(tǒng)工作所需要的中間直流電壓，電機電壓、電流變化正常，控制策略的動態(tài)、穩(wěn)態(tài)響應(yīng)良好。

結(jié)論

本文在介紹動車組變流器中間直流電壓保持模式的特點及應(yīng)用工況的基礎(chǔ)上，研究并提出了基于矢量控制的中間直流電壓保持控制策略，從理論上分析了功率前饋補償對控制的影響，給出了相應(yīng)的前饋功率計算方法。試驗結(jié)果驗證了本文提出的控制策略在過分相和無動力回送工況下，可以有效實現(xiàn)變流器中間直流電壓的保持控制，且具有良好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。

參考文獻(xiàn)

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[2]李前.高壓直流電壓計量標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場量值傳遞方法的研究[D].華中科技大學(xué)，2017.

（作者單位：北京鐵路集團(tuán)天津動車客車段天津動車所）