摘要：近年来，随着我国经济的快速发展，城镇化进程加速，城市地铁工程建设日益完善。城市交通的发展，地铁轨道交通列车的运行，大大减少了地面交通的压力。地铁牵引供电系统作为轨道交通的能源设施为地铁的运行提供电力能源，以保证地铁持续正常的运行。地铁牵引系统良好的稳定性，是地铁能够安全平稳运行的基础条件。牵引系统的稳定性与系统电路参数的匹配度息息相关，不匹配的系统参数，可以引起系统直流侧电流出现震荡，极大的影响系统的稳定性和可靠性。受到直流侧震荡因素的影响，会对地铁牵引系统的稳定性产生不良影响，进而难以确保地铁牵引系统的运行稳定性。以上借助于地铁牵引系统空间等效电路模型研究直流侧震荡稳定的产生原因，并通过实施震荡抑制的策略提高地铁牵引系统的运行稳定性水平，以取得良好的系统稳定性控制效果。
关键词：地铁；牵引系统；稳定性；提升控制
引言
地铁牵引供电系统作为城市轨道交通中的重要能源设施，能够为地铁的稳定运行提供必要的电力能源保障。同时，地铁牵引系统的稳定性与系统电路参数的匹配度密切相关，若系统参数不匹配，则极有可能导致系统直流侧电流出现震荡，从而造成地铁牵引系统的稳定性受损。本文通过对地铁牵引系统侧震荡产生原因进行分析，以研究系统稳定性提升控制的相关策略，望引起重视。
1地铁牵引系统侧振荡产生的原因分析
地铁牵引传动系统的基本组成主要包括：LC滤波器、牵引变流器、感应电机以及控制系统4个部分。牵引系统中的控制系统负责接收地铁驾驶司机通过手柄传导的转矩指令，再以感应电机电流和转子角速度为参考条件，对牵引逆变器的桥臂进行开关的操作，对达到准确控制电机转矩的目的。地铁牵引系统运行的工作状况非常复杂，很难直观的表现出来。为了便于分析，运用小信号分析法将地铁牵引系统简化为等效电路模型，R为直流侧线路及电抗L的总和，u表示直流网侧电压，si表示网侧电流；假设变流器输出功率P是恒定不变的，等效电流源可表示为/ddiPu=。设定此等效模型的额定参数的直流侧额定电压du为1500V，网侧电流si为280A，在此参数设定下，得到此变流器和感应电机的阻抗之和2/ddZuP=−，其特性表现为负阻抗。系统阻尼系数ξ在负阻抗的影响下有所降低，内阻L越小，电容越大，而输出功率P却随着内阻L的减小而减小，从而等效内阻R越小，所以牵引系统的稳定性和变流器的各项参数有着直接的关系。理论上将只有直流侧电阻R大于268mΩ的时候，系统才能保持足够的稳定性。但是在实际中直流侧的电阻远低于这个值，无法满足需要，因此出现了直流侧振荡的情况，系统不能够保持稳定。要提升系统的稳定性，就需要附加电阻，但是如果这样，就会增加损耗，因此，采取抑制振荡的方法是实现系统稳定性提升控制的有效方法。
2提升系统稳定性的控制策略
据此，在传统的牵引电机间接磁场定向矢量控制基础上，提出了带“振荡抑制”和广义“时延补偿”的牵引系统稳定性提升策略。
2.1“振荡抑制”环节
随着功率增大，整个系统的阻尼系数ζ逐渐减少，甚至可能为零阻尼、负阻尼，导致系统的阻尼特性变差，这样任何小的激励源都可能引起DC侧电压/电流的剧烈振荡，从而降低牵引性能，严重时甚至导致变流器保护关断。“振荡抑制”意味着当振荡现象发生时，该控制环节的介入可主动提高系统阻尼以缓解/抑制振荡。系统采集变流器直流侧电容电压ud(t)作为输入量，采用时间常数为τ的低通滤波器以获取其平均值Ud。当系统未发生振荡时，DC侧电容电压是直流且基本恒定，ud(t)近似与Ud相等;当主电路振荡时，则ud(t)相比于Ud多出了振荡分量。然后，将转矩给定指令Te(ref)与(ud(t)/Ud)n相乘，其结果作为最终给定转矩指令参与电机矢量控制。
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2.2“时延补偿”环节
进行“振荡抑制”分析的前提之一是认为给定的转矩指令Te(ref)即为实际转矩，但实际应用中，由于PWM死区、采样滤波延迟、控制器计算处理时间以及机械连接柔性、间隙等因素的存在，不可避免存在系统时延，进而导致定子电流的转矩/磁通分量无法完全解耦，必然会影响到对转矩的精确控制。对于中小功率传动系统，由于开关频率较高，系统时延带来的相位滞后和幅值衰减对闭环系统的影响很小，但在地铁牵引等低开关频率、中大功率应用场合，系统时延引入的相位延迟尤为显著，如开关频率为1kHz，电机频率112Hz运行时，延时1.5个开关周期将带来约60°的相位滞后，这将造成系统动态性能恶化、电流调节器失效，严重时系统失控，发生电流振荡、电机转速摇摆等不稳定现象。事实上，由系统时延带来的相位延迟Φ，将使得实际反馈d－q轴电流中存在耦合分量，并且耦合分量随着Φ的增大而增大，从而难以实现对转子磁场的准确定向。而衡量转子磁场准确定向的一个重要特征量是转子磁链q轴分量ψqr，当定向准确时，ψqr=0;定向不准时，ψqr≠0。因此可以根据ψqr来实时校正磁场位置，间接地对时延进行补偿。
3试验验证
当地铁列车加速至60km/h(对应于电频率84Hz)，可以很明显的得出，牵引变流器的直流侧电压ud(t)、电机电流iA、iB均发生严重的振荡，在列车中乘坐能明显地感觉到抖动，这不仅影响电机轴及齿轮寿命，而且严重影响乘客乘坐的舒适性。加入稳定性提升控制策略后，列车由40km/h加速到60km/h时各变量波形，当牵引电机控制中加入稳定性提升的控制策略后，牵引变流器的直流侧电压ud(t)、电机电流iA、iB均幅值平稳，且后续试验过程中无论加－减速、牵引－制动均未出现电压、电流振荡情形，完全消除了主电路振荡现象。
结语
本文建立了地铁牵引系统在额定工作点处的小信号等效电路模型，通过分析得到了直流侧LC电路参数与系统稳定性之间关系式。由于客观因素限制了LC的取值，随着输出功率增加，将不可避免地产生系统振荡。如果仍采用传统的转矩控制策略，则难以保证牵引系统在全功率范围内的稳定。基于此，提出了带振荡抑制和时延补偿的电机磁场定向矢量控制策略，前者通过主动提高系统阻尼以抑制振荡，后者则通过对转子磁通位置的实时校正实现对数字采样、处理、死区等广义系统时延补偿，保证了转矩的实时精确控制，提升了系统的稳定性，并采用根轨迹法进行了分析验证。最后，带以上稳定性提升控制策略的牵引系统在列车上进行了试验，试验波形的对比验证了所提出的控制策略的正确性和有效性。因为直流侧振荡的影响，地铁牵引系统的稳定性收到影响，运行的可靠性无法保证。本文通过牵引系统的空间等效电路模型对直流侧振荡产生的原因进行分析，提出采用振荡抑制的策略提高系统的稳定性取得良好的效果。
参考文献
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论文作者:李双智
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年第13期
论文发表时间:2019/8/28
标签：系统论文; 稳定性论文; 地铁论文; 变流器论文; 转矩论文; 电流论文; 电机论文; 《工程管理前沿》2019年第13期论文;