高速動車組牽引傳動控制系統(tǒng)仿真研究

朱琴躍 陳江斌 成林坤 周云光

(同濟大學電子與信息工程學院，201804，上海∥第一作者，副教授)

CRH380A型動車組是在CRH2C型電力動車組基礎上自主研發(fā)的新型動車組。相比于其它CRH系列動車組，CRH380A的持續(xù)運行速度可達380 km/h，運行速度得到了很大的提升。為保證動車組高速、穩(wěn)定、安全地運行，必須采用先進、成熟的牽引傳動系統(tǒng)以及更為合理的牽引傳動控制策略。但我國在高性能牽引傳動系統(tǒng)上的研發(fā)能力較為欠缺，許多關鍵部件依舊需要從國外進口，重要技術也依舊依賴國外的技術支持。因此，要發(fā)展高性能、具備完全自主知識產權的高速動車組需對其牽引傳動系統(tǒng)及控制策略作深入研究。基于此，本文以CRH380A型動車組為研究對象，對牽引傳動系統(tǒng)工作原理和控制策略進行分析和建模，探討仿真模型在不同工況下的運行特性并獲得相應結論，為牽引傳動系統(tǒng)中關鍵部件及核心技術的國產化研究和優(yōu)化設計提供技術參考。

1 牽引傳動系統(tǒng)主電路基本工作原理

CRH380A型動車組牽引傳動系統(tǒng)主要由變壓器、四象限脈沖整流器、中間直流環(huán)節(jié)、牽引逆變器和異步電機等組成，其系統(tǒng)能量流動如圖1所示。牽引工況下，受電弓將接觸網的AC 25 kV輸送給牽引變壓器，降壓后輸出1 500 V單相工頻交流電供給脈沖整流器，整流輸出的DC 2 600～3 000 V直流電經中間直流環(huán)節(jié)處理后作為牽引逆變器的輸入，逆變后輸出電壓0～2 300 V、頻率0～220 Hz可控的三相交流電供給異步電動機;再生制動工況下，電機處于發(fā)電機狀態(tài)，電流經逆變器續(xù)流二極管整流，再由四象限脈沖整流器轉換為交流電回饋給電網，實現(xiàn)能量的回饋。

圖1 動車組牽引傳動系統(tǒng)能量流動圖

1.1 牽引變流器工作原理

牽引變流器作為動車組完成電能轉換和傳遞的關鍵部件，其性能好壞直接關系到動車組能否安全可靠運行。牽引變流器主要由四象限脈沖整流器、中間直流環(huán)節(jié)和三電平逆變器構成。其中整流和逆變均采用三電平二極管箝位型結構，每相由4個反并聯(lián)續(xù)流二極管的開關管和2個箝位二極管構成。

(1)瞬態(tài)電流控制方法。CRH380A型動車組脈沖整流器采用瞬態(tài)電流控制方法。該方法為電壓和電流雙閉環(huán)控制，即無論任何環(huán)節(jié)的參數(shù)發(fā)生變化，系統(tǒng)都能夠自動調節(jié)其參數(shù)，使輸出的直流電壓保持穩(wěn)定，動態(tài)響應快，因此非常適用于動車組整流器等大功率電力電子模塊［1－2］。

(2)空間矢量 PWM(脈寬調制)控制［3－4］。空間矢量PWM控制(SVPWM)的直流電壓利用率要比SPWM(正弦波脈寬調制)高15%，且輸出轉矩脈動較小。目前CRH380A型動車組的三電平逆變器就采用該調制方式。三電平SVPWM和兩電平的調制原理相似，主要包括如下幾個步驟:判斷參考矢量所在扇區(qū)，根據(jù)最近三矢量原則確定輸出矢量，計算各矢量作用時間，優(yōu)化輸出矢量的開關順序。

1.2 轉子磁場定向間接矢量控制原理

CRH380A型動車組采用轉子磁場定向間接矢量控制系統(tǒng)實現(xiàn)對牽引逆變器和異步電機的控制［5－7］。控制系統(tǒng)主要由同步旋轉坐標系(MT坐標系)下的異步電機模型、三電平SVPWM逆變器及其它反饋環(huán)節(jié)組成。矢量控制系統(tǒng)采用的旋轉坐標系的M軸與轉子磁場方向一致，即按轉子磁場定向。

2 牽引傳動控制系統(tǒng)

CRH380A 型動車組牽引傳動控制系統(tǒng)［8－9］主要包括磁通和轉矩計算模塊、恒速控制模塊和轉子磁場定向控制模塊，其框圖如圖2所示。

圖2 牽引傳動控制系統(tǒng)框圖

2.1 磁通計算模塊

CRH380A型動車組轉子磁通與運行速度v的關系如下式所示:

2.2 轉矩計算模塊

動車組牽引、再生制動力的計算是確定牽引工況、再生工況下異步電機轉矩的基本前提。由CRH380A型動車組牽引特性曲線可知，當運行速度v≤154 km/h時，牽引力基本保持不變;而當v＞154 km/h時，牽引力與速度呈反比(恒功率)。采用線性插值法可得動車組牽引力與運行速度的數(shù)學關系如下。

當0＜v≤154 km/h時:

當154 km/h＜v≤377 km/h時:

則異步電機牽引轉矩給定指令為:

此外，CRH380A 型動車組運行阻力為［10－11］:

因此，由式(2)和(3)可得每臺異步電機的負載轉矩為:

以上式中:定員時車輛計算質量m=442 t，齒輪傳動比 μc=2.379，齒輪傳動效率 ηGear=0.95，輪徑d=0.82 m，牽引電機總臺數(shù)N=6×4=24。

根據(jù)CRH380A型動車組的再生制動曲線可知，當運行速度v＜70 km/h時，再生制動力呈現(xiàn)恒定力矩特性;而當v＞70 km/h時，隨著速度上升再生制動力緩慢下降。故采用線性插值法可得每節(jié)動車再生制動力與運行速度的數(shù)學關系式如下。

當15 km/h＜v≤70 km/h時:

Fzd=35.800 kN

當70 km/h＜v≤294 km/h時:

Fzd=［35.800 － 0.032(v － 70)］(kN)

當294 km/h＜v≤350 km/h時:

Fzd=［28.700 － 0.107(v － 294)］(kN)

2.3 恒速控制模塊

恒速控制模塊主要實現(xiàn)2個功能:①實現(xiàn)牽引、制動、惰行等多種工況間的平穩(wěn)切換，以防止不同工況切換時引起較大的轉矩和電流波動;②避免動車組啟動時過大的電流電壓沖擊。為此，CRH380A動車組采用圖3所示的恒速控制策略［12］:當速度差Δv＞6 km/h時，控制系統(tǒng)進入牽引模式;當－6 km/h＜Δv＜6 km/h時，系統(tǒng)進入恒速控制模式;當 Δv＜－6 km/h時，系統(tǒng)進入再生制動模式。恒速控制模塊各個階段給定轉矩、運行狀態(tài)如表1所示。

表1 恒速控制各階段轉矩給定及運行狀態(tài)表

3 不同工況下牽引傳動控制系統(tǒng)仿真研究

為了分析CRH380A型動車組在不同工況下的牽引傳動特性，本文根據(jù)上述牽引傳動系統(tǒng)控制方法的討論分析，構建了MATLAB仿真模型。

根據(jù)表2所示的仿真參數(shù)，配置各個模塊。經過仿真調試，對不同工況下系統(tǒng)輸出轉矩、直流環(huán)節(jié)的電壓變化以及定子電流的波形進行分析。經測算，仿真時間∶實際時間 =1∶200。

表2 系統(tǒng)仿真參數(shù)

3.1 牽引工況下的仿真分析

牽引工況下牽引傳動系統(tǒng)仿真波形如圖4所示。在牽引工況下，設定動車組由靜止啟動加速至給定速度300 km/h，如圖4a)所示。仿真運行時動車組按照實際的啟動加速度0.42 m/s2加速，隨著運行速度的提高，加速度減小;達到300 km/h時，剩余加速度約為0.27 m/s2。由圖4b)所示的異步電機輸出轉矩波形可知:系統(tǒng)啟動后，隨著加速度增加，輸出轉矩增大且有較大波動;當運行速度較大時，加速度減小，輸出轉矩減小;當仿真運行1.3 s左右時，動車組運行速度和異步電機輸出轉矩都達到穩(wěn)定。同時，當異步電機啟動時，其a相定子電流較大，而當動車組運行穩(wěn)定后，定子電流也趨于穩(wěn)定，如圖4c)所示。

3.2 再生制動工況下的仿真分析

再生制動工況下牽引傳動系統(tǒng)仿真波形如圖5所示。假設動車組運行速度曲線如圖5a)所示，即由啟動、加速并穩(wěn)定運行至300 km/h，當仿真運行至1.5 s時實施制動，相應的異步電機輸出轉矩仿真波形如圖5b)所示。由圖5b)可知:動車組實施再生制動時，異步電機反轉，輸出轉矩不斷增加;當動車組仿真運行達2.8 s時運行速度降為0，此時電機輸出轉矩為0。同時，再生制動工況下異步電機的a相定子電流波形如圖5c)所示。

圖4 牽引工況下牽引傳動系統(tǒng)仿真波形

圖5 再生制動工況下牽引傳動系統(tǒng)仿真波形

3.3 不同運行速度下的仿真分析

不同運行速度下牽引傳動系統(tǒng)仿真波形如圖6所示。假設動車組按照圖6a)所示速度變化曲線運行，即根據(jù)實際平均啟動加速度0.38 m/s2加速至給定速度200 km/h，恒速運行1s時實施制動，0.2 s后再減速至150 km/h;在此基礎上再恒速運行至仿真時間1.5 s時，以加速度0.38 m/s2開始加速，且加速度不斷減小，并在仿真時間2.5 s時動車組加速至300 km/h;當運行至仿真時間3s時動車組開始制動直至完全停止。該過程主要模擬了動車組在4.5 s內經歷了兩段牽引加速、兩段制動減速和三段恒速的仿真運行，由此而得的電機輸出轉矩如圖6b)所示。

圖6 不同運行速度下牽引傳動系統(tǒng)仿真波形

由圖6可以看出，異步電機的輸出轉矩在牽引、再生制動和恒速等不同工況切換時穩(wěn)定，能夠較好地跟隨給定值變化。仿真結果表明，本文所搭建的CRH380A型動車組牽引傳動系統(tǒng)模型能夠實現(xiàn)動車組在不同運行工況間的穩(wěn)定切換，且驗證了恒速控制模塊的有效性和可靠性。

4 結語

本文詳細分析了牽引傳動系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的工作原理及其控制策略，基于Matlab/Simulink軟件對CRH380A型動車組牽引傳動系統(tǒng)進行了仿真建模，并分析了動車組在牽引、再生制動以及不同運行速度等工況下牽引傳動系統(tǒng)的電機輸出轉矩和定子相電流。仿真結果表明，本文所搭建的模型能夠實現(xiàn)動車組的穩(wěn)定運行以及在各個工況間的平滑切換。本文的研究成果將對發(fā)展我國具備完全自主知識產權的高速動車組提供理論參考。

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