摘要：我国经济的快速发展推动我国各行业发展迅速。随着社会基础设施建设的不断推进，轨道交通便利性日渐凸显，在客运行业占据了较大比重。目前在城市轨道交通中，直交型电力机车已成为主流，其运行的高效性、稳定性问题备受关注。当前电力机车牵引电机普遍采用直流供电变流器控制方式，故确保直流侧电压的稳定对机车运行有重要意义。
关键词：直交型电力机车；直流侧电压稳定；控制及改善方法
引言
科学技术的快速发展是我国快速进入现代化发展阶段。针对直交型电力机车在恒功率工况下的直流侧电压不稳定问题，提出一种网侧电路与牵引传动系统动态解耦的有源阻抗稳定控制方法，并提出一种回馈系数改善策略，以降低网侧电压纹波对牵引传动系统的影响。
1含有纹波的回馈系数改善策略
考虑网侧电压含有纹波情况，稳定控制信号在回馈至矢量控制器时，将在电机定子侧ｄ轴与ｑ轴电压矢量上产生额外的纹波电压，故其在稳定直流侧电压的同时，将形成纹波有源阻抗，对稳定控制与回馈系数设定产生影响。回馈纹波信号通过有源阻抗控制作用于矢量控制系统。由于其在经坐标变换所得的电机定子侧ｄ、ｑ轴电压上增加了纹波分量，这将改变电机定子侧电流，进而改变电路等效模型中电流源，最终引起直流侧电压的改变。
2供电系统的组成
八轴交流传动电力机车向客车车辆提供2路2×200kW的DC600V电源，每节机车提供1路，列车供电系统还具有保护、监视及冗余功能，由每节机车的列车供电管理柜(LGM)进行控制，LGM完成接地检测及保护功能，与机车监测控制系统(TCMS)、列供功率单元(LGU)、6A系统之间采用RS485方式进行通信。LGM将DC600V电源的状态发送给6A系统，通过开关量信号向LGU发出指令，LGU完成过流、过压和过载保护功能。供电系统的配置，每节机车中的列车供电单元集成在牵引变流器中，共用牵引、辅助系统的冷却水进行冷却。每节机车中的2组LGU输出在LGM柜中并联，LGM同时管理和监视2组LGU的输出电压、电流、电能等工作状态，并控制LGU的启停。另一节机车的供电回路也进入到LGM中，在特定的状态下，可以控制接触器KM3闭合，改变列供系统主回路结构，实现不同的系统功能。供电系统主要参数，列车供电模块采用IGBT作为开关元件，PWM整流技术，额定输入电压为AC304V，输出电压为DC600V。正常工况为每路2组LGU并联，进行均流控制，当某组LGU故障时，同路的另一组LGU可单独输出，此时，当网压≮25kV时，最大输出电流≮500A。
3电容式硅橡胶套管结构
安装在SS4改机车上的高压电压互感器的套管芯体采用电容式绝缘层设计。采用电容式结构是为了在有限的绝缘厚度条件下，起到均匀分布接地法兰与高压端电场的作用，从而实现绝缘性能的最大化。电容式芯体主要由端部法兰、高压屏（铝套）、电容式绝缘层、安装法兰和接地引线等组成。整个芯体在制造缠绕过程中，使用4层碳纤维材料分次间隔缠绕在整个绝缘层中，形成环状电容屏。成型加工后，端部法兰开槽与铝套连接，最外层电容屏经接地引线与安装法兰连接。芯体在专用模具内，经注射硅橡胶高温硫化后，变成可安装在电压高压电压互感器上户外使用的套管。分析该套管的结构可发现，该电容式套管的铝质套管与端部法兰的连接方式为插入式，且靠制造过程中法兰与套管的压紧方式连接，顶部法兰靠与电容层的螺纹连接进行紧固，接触位置仅为顶部连接。
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4提升电力机车高压电气设备的绝缘水平
在电力机车高压电气设备的运行和维护过程中，对线路、元器件和功能部位的绝缘问题一直不够重视，这就导致因外界环境、内部运行而产生的过电压在整个设备系统中持续震荡、回击、冲击，严重影响了电力机车高压电气设备的稳定运行。要想提升电力机车高压电气设备整个体系的绝缘水平就必须提升电力机车高压电气设备的避雷参数，抑制因外界因素和外界环境传导而来的冲击波和过电压。同时，应从两级绝缘和多级避雷的角度出发，落实电力机车高压电气设备防雷的措施和技术，真正实现对电力机车高压电气设备的过电压防护。可通过绝缘水平和绝缘配合两种路径多层次消除过电压和冲击波的影响，以保障电力机车高压电气设备的安全运行。
5仿真验证
为验证本文稳定控制效果，先设定指令转速为定值，此时系统未进入恒功率状态，后通过改变指令转速方式使系统进入恒功率状态，由此对稳定控制的实际作用进行分析。未加入与加入有源阻抗稳定控制时的系统波形。未加入稳定控制仿真在开始时转速给定为定值，系统各项运行平稳。至5.6s时，系统指令转速改变，电机进入恒功率工况，由于该系统参数设定不满足系统稳定性判据，随后电压、电流出现不稳定振荡，至6.3s时电压、电流出现等幅振荡现象，且电机转矩受其影响出现剧烈振荡现象，可知此时电机存在较大的功率波动。由前文分析可知，直流侧电压出现的不稳定现象与系统引入的负阻尼相关。而加入稳定控制后，当系统进入恒功率工况后，稳定系统消除了负阻尼，使系统工作于自然阻尼状态，此时网侧电路与牵引传动系统解耦，系统运行过程中未出现之前的不稳定现象，各信号均达到设计值并稳定运行，稳定效果明显。但同时，稳定控制系统会对牵引传动系统产生干扰，其主要表现在电机会伴随有一定的转矩波动，故应选择合理的回馈系数以降低稳定控制对牵引传动系统造成的影响。由前文分析可知，含有纹波时，稳定控制的加入将对电机定子侧电压矢量信号产生影响，进而影响电机电流，故通过仿真分析引入网侧纹波时电机定子侧电流谐波分量，验证回馈系数改善策略的影响。电机在回馈系数选择合理情况下运行速度稳定，但由于直流侧电压含有纹波，电机定子侧电流出现发生畸变。通过检测A相电流THD可知，电流中谐波主要含有两部分：一部分为25-75Hz谐波，主要受电路元件、结构等影响，是电路固有电压波动量；另一部分为250-350Hz谐波，主要由稳定控制系统将纹波电压回馈至电机定子侧引起，这与分析结果一致。可知250-350Hz谐波含量较大，因此可在稳定控制中引入改善策略，以降低其对牵引传动系统造成的影响。
结语
对恒功率工况下的直流侧电压不稳定问题机理进行分析，通过建立网侧电路与牵引传动系统等效数学模型，得到电路方程与稳定性判据，并提出一种动态解耦的有源阻抗稳定控制方法；然后分析了网侧电压含有纹波时稳定控制对电机定子侧电压矢量产生的影响，并根据等效数学模型，提出一种可增加有源纹波阻抗的回馈系数改善策略，以降低纹波的影响；最后通过仿真与实验证明了所提稳定控制方法的稳定效果以及回馈系数改善策略的可行性与正确性。
参考文献
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论文作者:王庆荣
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第7期
论文发表时间:2019/8/27
标签：电压论文; 电力机车论文; 稳定论文; 电机论文; 系统论文; 过电压论文; 定子论文; 《当代电力文化》2019年第7期论文;