（中车株洲所电气技术与材料工程研究院，湖南 株洲 412001）
摘要：介绍了一种应用在城市轨道交通上的列车无电区微制动方案，通过分析列车通过无电区时中间电压变化情况，提出了一种基于PI自适应调节的工程应用方案，并通过试验验证了方案的有效性和实用性。地铁列车无电区微制动应用方案保障列车运行通过无电区时平稳过渡到有电区，提高列车的乘坐舒适度和牵引设备的可靠性，具有重大推广意义。
关键词：中间直流电压；无电区微制动;PI自适应调节;
引言
地铁因其乘坐便捷、占地面积少、环境污染少、运量大等优点而被许多大中城市作为公共交通建设的首选。通常由于供电线路和区域等因素的制约，在地铁的运营线路上会分布着少量无电区，特别是第三轨供电的列车线路。这些无电区长度不一，短的只有几米，长的几十米，超过了列车的车身长度。地铁列车在经过这些无电区时，会出现诸如牵引系统停机、辅变电源系统停机、主电路故障等问题，大大降低了设备的可靠性和乘坐的舒适度，于是解决这一问题成为了地铁运营方的迫切需求。
列车通过无电区引发的诸多问题，根本原因是中间直流电压因网侧失电和机侧逆变电能消耗以及以辅变电源为电能来源的设备电能消耗过快引起的。如图1所示，为了保护电路，牵引系统主断路器闭合后，主电路需将电能引入中间直流回路为支撑电容C1充电。为了限制充电电流，KM1断开KM2闭合，充电电流通过电阻R1对支撑电容C1进行充电。充电完成后，KM1闭合KM2断开，此时中间电压上升到750V，辅助电源系统正常工作，逆变器驱动电机正常运转。
图1 主电路示意图
当列车经过无电区时，主电路与供电网断开，辅助电气设备和逆变器快速消耗支撑电容C1的电能，导致欠压保护以及牵引系统关机等，车载辅助设备（空调等）因辅助电源系统停机也停止工作。当列车通过无电区后，主电路重新得电，此时牵引系统恢复工作时需要重新对C1进行充电、电机励磁、电机力矩建立等一系列步骤，影响列车运行。同时，频繁地保护也降低了相关器件的可靠性和寿命。
如果在列车通过无电区时，利用牵引电机微制动发电，将动能转换成电能来维持中间直流电压在辅变电源系统和牵引系统正常工作条件下稳定，则问题可以得到解决。同时该方案不需要对现有的主电路设计进行改动，也无需增加额外设备，具有很好的实用性和推广意义。
完成上述能量转换的过程的原理如图2：
图2 微制动原理图
以电机给定牵引力Tgu为控制目标，通过实时检测电网电压和中间直流电压的变化，综合网压以及中间直流电压变化趋势、当前列车速度、中间直流电流、辅助电源系统对中间直流电压的要求等判断是否进行微制动。微制动控制器根据目标中间直流电压与实际中间直流电压的差值作为PI调节器的输入。PI调节器输出为电制动力。电机控制器根据给定的电制动力，利用直接转矩控制的快速响应，控制电机制动发电。
1.系统方案设计
1.1硬件方案设计
该应用方案基于TEC3000传动控制单元为硬件平台来实现。TEC3000是株洲中车时代电气的成熟产品，已广泛应用于电力机车、城轨地铁、轻轨等轨道交通领域。
电网电压和中间直流电压经过电压传感器采集、模拟板转换后，作为控制板输入信号。控制板内的CPLD和FPGA对电压信号进行滤波处理后，得到计算用的网侧电压值和中间直流电压值。如图3所示。
图3 硬件方案示意图
1.2软件方案设计
软件开发环境为TI公司的CCS软件，CCS是一种针对TMS320系列DSP的集成开发环境，集成了代码的编辑、编译、链接和调试等诸多功能，而且支持C/C++和汇编的混合编程。微制动控制器代码使用C语言编写，目标码运行于TI公司的DSP-TMS320C6713芯片中。
软件主要分为3个部分：
VoltageJudge()：将采集的网压值、中间直流电压值与上周期的值分别进行滤波和计算，如果变化趋势符合微制动条件，置出标志1。
MicroBrakeLogic()：根据前面的标志，判断中间直流电压低于微制动开启门槛值，置标志2；
中间直流电流低于微制动开启门槛值，置标志3；
当前列车速度低于微制动开启门槛值，置标志4；
微制动持续时间不能超过5秒，如果持续时间超过5秒则强制退出微制动。这个是根据当前车速和无电区长度计算得出，如果微制动持续时间太长，将影响列车运行速度。
通过无电区后，网压恢复，判断网压和中间直流电压高于微制动关闭门槛值，退出微制动。
综合以上判断条件，置出是否进行微制动的标志。
TguPIControl()：通过PI自适应调节，输出符合要求的电制动力。
功能验证
本方案已于2017年在北京地铁燕房线、武汉地铁1号线上进行装车验证。列车完整的从有电区无电区有电区运行的实测。从验证结果来看，该方案稳定可靠，能够满足客户的相关需求。
2.结论
该方案是基于时代电气整套包括牵引逆变器和TEC3000控制平台和处理硬件的成熟产品，再使用成熟的软件控制思路设计，具备100%的原创性和工程实用价值。
本方案使用先进的自适应调节技术，自动根据电压变化施加微制动，利用直接转矩控制算法的快速响应，使列车通过无电区时可以维持中间直流电压在稳定范围内，使牵引系统和辅变电源系统工作更可靠高效，同时提高了地铁乘坐的舒适度，极具推广价值。
参考文献
[1]徐绍龙. 地铁列车无电区微制动技术的研究与应用. 机车电传动. 2013 (01)
论文作者:罗源
论文发表刊物:《知识-力量》2018年8月上
论文发表时间:2018/7/23
标签：电压论文; 列车论文; 方案论文; 系统论文; 地铁论文; 电能论文; 电机论文; 《知识-力量》2018年8月上论文;