摘要：随着我国经济的快速发展，社会在不断的进步，近年来轨道交通在国内各主要城市发展迅猛，地铁列车一牵引网的稳定运行是确保乘客安全以及城市交通秩序的关键，因此地铁牵引传动系统的稳定性成为近年来研究的重点，受到广泛的关注。地铁列车为直一交变流结构，稳定的直流供电是牵引传动系统良好调速性能的关键。然而受车载变流装置本身空间、重量以及谐波抑制等诸多因素的限制，充当稳压滤波的直流侧滤波电感以及支撑电容的选值往往难以满足系统稳定性的需要，同时由矢量控制等调速方案在负载侧所引起的负阻抗极大地削弱了系统阻尼，使得系统在外界激励作用下容易发生直流侧振荡。因此，研究分析这一车网失稳现象，探究其失稳机理并提出振荡抑制措施具有重要的理论和工程应用意义。
关键词：地铁牵引；传动系统；LC谐振；抑制方法；研究
引言
交流传动技术的发展推动了我国综合交通体系的建立，高性能变流控制技术是其中的核心。随着国家经济发展与城市建设的需要，为更好地解决城市交通拥堵问题，大运量、立体式的轨道交通建设迎来了高峰期，国内各主要城市都己建设或规划了轨道交通线路，并保持高速增长态势。截止2017年上半年，国内共有31个城市开通运营城市轨道交通，共计133条线路，运营线路总长度达4152.8公里，其中地铁3168.7公里，占76.3070，其他制式结构的轨道交通也呈现多样化并与地铁轨道交通互补发展，其中包括轻轨、单轨、市域快轨、现代有轨电车、磁浮交通、APM等共计984公里。此外，十三五期间，己开工建设轨道交通的城市有53个，规划建设规模超过9000公里，在建规模约5770公里，预计到2020年，我国城市轨道交通建设将达到一个新的层次。
1交流牵引传动系统振荡分析与抑制研究现状
对于直流供电下的变流器一感应电机系统，由于前级滤波环节的存在其直流供电侧在运行过程中很容易产生振荡失稳，特别是针对牵引传动领域，牵引网、变电站以及牵引网分布参数的存在使得列车与列车之间以及列车与牵引供电网之间存在祸合，更容易引起失稳情况的发生，同时也大大增加了该问题的复杂性。针对地铁牵引传动系统，受车载变流装置本身空间、重量以及谐波抑制等诸多因素的限制，因此滤波电感以及支撑电容的取值往往难以满足系统稳定性的需要，且由于高性能调速方案自身的特点，稳定的恒功率控制容易引起牵引传动系统负载侧负阻抗的出现，这将极大地削弱系统阻尼，使得系统对外部干扰变得敏感，容易在外界激励下发生振荡。此外，鉴于运营的实际需求，多车多工况运行以及频繁的牵引和制动过程大大增加了列车和牵引网参数设计的复杂性，同时也增加了系统失稳的不确定性。此外，随着近年来四象限变流器等吸收装置在供电系统中的引入，在特定运行频段和工况下，一旦供电系统控制参数设计与当前实际运营数据不匹配，很可能诱发系统直流侧LC谐振，并进一步引起直流供电网压振荡，使得电机输出转矩脉动，严重时会触发过压、过流故障保护，大大降低了系统的可靠性。
2地铁牵引传动系统主电路及矢量控制技术
2.1地铁牵引传动系统主电路
城市轨道交通供电电源一般取自城市电网，经由牵引变电站、整流变压器以及24脉波整流器实现牵引供电网1_SOOV等级或7_50V等级的牵引供电电压。通常，牵引供电电压由架空式接触网或第三轨式接触网引入机车，牵引时电能依次通过主断路器等车载高压电器为牵引电传动系统供电[}s2}。地铁牵引传动系统主要由高压电器、输入滤波环节、制动电阻、牵引变流器、异步牵引电机、牵引控制单元(DCU)以及车辆逻辑控制环节等组成。
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2.2基于矢量控制的异步电机调速控制
高性能调速控制方案实现了对输出转矩的有效控制，异步电机内部定、转子之间存在着强祸合关联，这种非线性的控制关系使得异步电机调速困难，难以实现对输出转矩动态过程的稳定控制[[53]0磁场定向矢量控制从维度的角度进行坐标变换，利用角度定向思维进行矢量坐标分解，获得了理论上的dq轴励磁电流分量与转矩电流分量，从而实现了两电流的解祸控制。
2.3基于磁场定向的矢量控制
交流异步电机电磁转矩存在着励磁电流与转矩电流交互祸合的特点，这种非线性关系的存在使得异步电机调速比较困难。磁场定向控制引入空间矢量的概念，通过将旋转坐标系下的d轴沿着转子磁链方向定向，将异步电机的定子电流分解为沿着d轴的励磁电流分量及q轴的转矩电流分量，并实现了二者控制上的解祸，从而达到近似直流电机的调速性能。
3基于阻尼补偿的LC振荡抑制研究
3.1电压补偿过调制控制
前馈电压补偿方案能够有效地抑制直流侧的振荡，然而由于变流器输出能力有限，在某些情况下可能使得控制方案失效。牵引变流器最大电压输出能力为方波调制下的正六边形区域，其由六个基本空间电压矢量所构成，如图4-12所示。当牵引电机运行在高速弱磁区域时，变流器输出电压将接近正六边形边界区域，因此额外的电压补偿量很可能使得合成后的参考电压矢量超出正六边形区域而导致限幅输出。受此影响，截断部分所引入的功率补偿将失效，因此可能难以实现对系统的稳定控制。为实现对系统全速域内的稳定控制，避免在高速弱磁区域补偿失效情况的发生，这里提出了一种对补偿后的参考电压矢量进行限幅处理的方法，调整电压矢量使其处于逆变器电压输出区域范围内。
3.2稳定性控制的实现与参数的选择
为从控制环节实现对系统的稳定控制，结合上述前馈电压补偿方案讨论分析系统失稳补偿的实现与补偿参数的选择。前馈电压的补偿实质上是对负载功率需求的一种间接调节，使系统输入功率依据直流侧稳定性的需要进行调节。
3.3基于前馈电压补偿的振荡抑制
为实现对系统合理的补偿，准确获取直流侧振荡分量十分重要。由上一章节的分析可知，直流侧振荡电压的频率与输入滤波环节LdcCdc。的谐振频率相近，因此为减小由滤波环节所带来的相位偏差，这里采用由低通滤波器串联高通滤波器所组成的带通滤波环节来提取振荡电压。
结语
1)分析了引起系统LC谐振失稳的因素以及可能的失稳电路拓扑。针对地铁牵引传动系统，结合小信号以及阻抗建模方法，构建了基于矢量控制方案的牵引传动系统阻抗模型，并在此基础之上，结合阻抗比判据条件以及稳定性分析理论，讨论了不同运行条件下系统阻抗变化趋势，并深入分析了运行工况、负载功率以及直流侧滤波参数对系统稳定性的影响。2)结合阻尼补偿的思想，针对被动阻尼抑制方案，讨论分析了三种阻尼电路拓扑，并从拓扑结构、参数选取以及抑制效果方面进行了深入对比分析。同时，考虑从控制上的信号注入补偿方案，提出了一种基于前馈电压补偿的稳定性控制策略，并针对电压补偿在高速弱磁区域可能引起的过调制情况，提出了一种功率平衡控制方法，从而使得系统在牵引电机全速域范围、多工况下的稳定运行。3)基于Matlab/simulink软件平台搭建了地铁24脉波牵引供电网以及牵引传动系统纯数字仿真模型，并完成了机理分析和抑制方法的仿真研究。在此基础之上，基于OP_5600/RT-LAB虚拟被控对象和TMS320F28335DSP数字控制器的硬件在回路半实物测试平台，完成了基于前馈电压补偿的振荡抑制算法和异步电机间接矢量控制的DSP控制程序的编写以及测试验证。仿真和测试结果均验证了本文的理论分析和所提出的稳定性控制方法的正确性和有效性。
参考文献:
[1]冯晓云.电力牵引交流传动及其控制系统「M].高等教育出版社，2009.
[2]中国城市轨道交通年度报告课题组.中国城市轨道交通年度报告2016[M].北京交通大学出版社，2017.
作者简介：杨力，男，汉族，籍贯：汉，生于：1988-12-1，单位：湖北工业大学，职称：讲师， 学历：本科，研究方向：地铁列车牵引系统稳定性
论文作者:杨力
论文发表刊物:《电力设备》2018年第24期
论文发表时间:2019/1/8
标签：电压论文; 系统论文; 矢量论文; 地铁论文; 抑制论文; 变流器论文; 转矩论文; 《电力设备》2018年第24期论文;