交流牽引機車庫內移車矢量控制系統研究

張　帥，易吉良，程　焰，劉小文，楊曉芳

（湖南工業大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

交流牽引機車庫內移車矢量控制系統研究

張帥，易吉良，程焰，劉小文，楊曉芳

（湖南工業大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

針對交流牽引電力機車在庫內低速移動的工況，提出以機車DC 110 V蓄電池作為動力源，采用基于模糊自適應PI速度控制器的矢量控制系統。通過控制異步電機的轉速，從而控制交流牽引電力機車在庫內低速、穩定移動。最后，利用MATLAB/Simulink對本控制系統進行建模和仿真實驗。仿真結果表明，基于模糊自適應PI速度控制器的矢量控制系統具有電壓利用率高、轉速誤差及超調小、系統速度調節的自適應能力強等優點。

交流牽引；矢量控制；模糊PI；異步電機

0　引言

隨著我國鐵路建設的快速發展，交流傳動電力機車將成為主流機車。交流傳動電力機車在運行過程中，由于受腐蝕、振動、摩擦及自然老化等因素的影響，機車各部件會逐漸磨損，超過一定期限就會發生故障，使機車不能正常運行，因此，定期對交流傳動電力機車進行保養與檢修是非常重要的，可保證機車的安全運行，延長機車的使用壽命［1-2］。電力機車檢修車庫內沒有供電牽引網。在無供電牽引的情況下，庫內移動機車主要有以下兩種方式。

1）利用外加輔助設備推動機車，例如使用內燃機車或者直流機車推動和諧機車行走。該方法的缺點是成本高，占用空間。

2）使用交流牽車設備，即將AC 380 V電源直接引入電力機車的移車裝置上。但是當機車庫內移車結束后，需要人為切斷電源，收回電源線。該方法的缺點是操作繁瑣，且存在安全隱患。

為了解決上述兩種方法的缺陷，需要研究一種低成本、高效率、高實用性的電力機車庫內移車方式。因此，本文以電力機車DC 110 V蓄電池為機車牽引電機的動力源，設計了庫內移車矢量控制系統，以實現電力機車在庫內低速移車。該系統先將DC 110 V通過升壓電路模塊升壓至DC 560 V，再接入變流裝置，逆變輸出AC 380 V電壓，再接入驅動電機的電源端，控制電機轉速，從而控制機車在庫內移動。本文利用MATLAB/Simulink搭建了庫內移車矢量控制系統的仿真模型，并進行仿真分析。仿真結果表明，本系統是合理、可行的。

1　移車牽引系統方案

以HXD3型電力機車為例說明庫內移車牽引系統的可行性。HXD3型電力機車的蓄電池組容量為170 Ah。蓄電池組的性能如下：蓄電池組能夠承受的最大沖擊電流為6 100 A；蓄電池組每小時的放電電流最高可達170 A；機車啟動時，蓄電池組的沖擊電流低于120 A；電力機車以1 km/h低速移動時，蓄電池組的電量消耗低，電流低于60 A。電力機車以1 km/h低速移動，出入庫一次的行走時間約為3 min。因此，車載蓄電池組作為機車庫內移車動力源，能夠滿足實際需求。

電力機車在庫內移車的過程中，機車的部分用電設備工作會造成蓄電池組的電量顯著下降。當蓄電池組的電量過低時，會導致機車無法正常工作，如蓄電池組的電壓處于77 V以下，機車的受電弓將無法升起與供電網接觸，控制線路的主斷路器將閉合，切斷供電線路與電源之間的連接。為了解決上述問題，整體方案采用超級電容組與蓄電池組進行能量分配，但能量分配策略將在另外一篇論中文進行說明。

現有的機車庫內移車一般采用正弦波脈寬調制方法（sinusoidal pulse width modulation， SPWM），該方法的直流電壓利用率偏低，最大只有0.5，而且會產生高次諧波、轉矩脈動的問題。而采用空間矢量脈寬調制方法（space vector pulse width modulation， SVPWM），其直流電壓利用率比SPWM控制方法高15%。因此，本文采用SVPWM控制方法，并引入模糊控制算法對PI速度控制器進行改進，設計了基于模糊自適應PI速度控制器的矢量控制系統。改進的PI速度控制器能夠更好地適應異步電機復雜的動態特性。機車庫內移車牽引系統如圖1所示。

圖1　整體方案結構圖Fig. 1　An overall structure of the program

2　庫內移車牽引系統控制策略

2.1SVPWM控制原理

異步電機的SVPWM控制，就是對電機的轉速進行控制。如果要對電機的轉速進行實時控制，必須要完全解耦電機的磁通電流分量和轉矩電流分量。而磁通電流分量和轉矩電流分量的完全解耦，可采用轉子磁場定向矢量控制方法。轉子磁場定向矢量控制方法的關鍵，是確保轉子磁鏈與d軸的方向保持同步［1］。在同步旋轉坐標系d-q下，異步電機的轉子磁鏈r、轉差角頻率Δ、電磁轉矩Te分別為：

式（1）～（3）中：Lm， Lr分別為電機的自感和互感；isd， isq分別為定子電流d， q軸分量；Tr為轉子時間常數；P為微分算子；np為電機的極對數。

圖2　計算， Δ，的結構圖Fig. 2　Structure diagram of the calculation of， Δand

2.2模糊自適應PI速度控制器

結構簡單、穩定性好、適應強是常規PI控制器的特性，但若要整定出一組最佳的控制器參數非常困難。如當系統參數有變動時，常規PI控制器無法及時調整控制器的參數，就會導致控制器的性能不能滿足系統的要求，使整個系統出現紊亂現象。高階次、多變量、強耦合以及非線性是異步電機的動態數學模型特征［3］。對于這種狀態下，常規PI控制器整定一組最佳的PI參數極其困難，即使能夠整定出最佳的，其控制效果并不能適應異步電機復雜的動態特性［4］。因此，本文采用模糊控制理論的自校正特性與常規的PI控制理論相結合的模糊自適應PI控制器［5］。該控制器的結構如圖3所示，圖中，nref為速度給定量，nω為電機轉子實際轉速。

圖3　模糊自適應PI控制器的結構圖Fig. 3　Structure diagram of the fuzzy adaptive PI controller

由圖3可知，模糊推理模塊的兩個輸入量，分別是電機的轉速誤差e和誤差變化率ec，根據專家知識建立的輸出修正量Δ Kp，Δ Ki與速度誤差e、誤差變化率ec之間的模糊規則（見參考文獻［6］），推理出最優的ΔKp，ΔKi。經過推理修正的PI參數，可以適應不同時刻的轉速誤差e和誤差變化率ec，因而控制器的適應性能與系統的穩定性都有很大提升［6］。通過式（4）～（5）可以獲得整定的模糊自適應PI控制器的PI參數。

2.3基于模糊自適應PI速度控制器的矢量控制系統

在本文所設計的基于模糊自適應PI速度控制器的SVPWM控制系統中，模糊自適應PI控制器的轉速環為系統外環，常規PI控制器的轉矩、勵磁電流環為系統內環［7］。系統結構如圖4所示。

由圖4可知，模糊自適應PI控制器的輸入量為電機的給定轉速nref與實際轉速nω的差值，經ASR輸出，其為轉矩控制器ATR的輸入量；給定磁鏈經計算模塊得到勵磁電流，其為磁鏈控制器APhiR的輸入量［8］；實測的定子電流i， i， i經Clarke變換和Park

ABC

變換輸出d-q坐標系的轉矩電流isd和勵磁電流isq，經轉子磁鏈計算模塊算出θ，并送至坐標變換環節。分別與對應的進行差值運算，經轉矩控制器、磁鏈控制器輸出電壓指令；再將得到的電壓指令接入Park逆變換模塊，輸出靜止坐標系 -下的；最后，經SVPWM模塊得到可控制的電壓脈沖，控制三相逆變器的開關時間和三相交流電壓的幅值，從而控制異步電機的轉速。

3　建模與仿真分析

3.1系統建模

在MATLAB/Simulink中，建立模糊自適應PI速度控制器的SVPWM控制系統的仿真模型。該系統中的各個仿真模塊具體設計如下。

1）模糊自適應PI速度控制器的仿真模塊如圖5所示［6］。該模塊是將電機轉速的誤差e和誤差變化率ec通過建立的模糊規則，輸出修正量ΔKp， ΔKi，對Kp，Ki進行在線整定，得到適應瞬時時刻電機動態特性的最佳參數。

2）轉矩ATR控制器與磁鏈APhiR控制器均是帶輸出限幅的常規PI控制器，具有相同的結構，只是參數不同。轉矩ATR控制器仿真模塊，磁鏈APhiR控制器仿真模塊分別如圖6、圖7所示。

圖5　模糊自適應PI速度控制器仿真模塊Fig. 5　Emulation modules for a fuzzy adaptive PI speed controller

圖6　轉矩ATR控制器仿真模塊Fig. 6　Emulation modules for the torque ATR controller

圖7　磁鏈APhiR控制器仿真模塊圖Fig.7　Emulation modules for the APhiR controller

3）異步電機的轉差角頻率Δ ω可由式（2）得到。轉差角頻率Δ ω與檢測出的轉子角頻率ωr兩者之和為電機實際定子頻率。由相位角與定子頻率之間的數學關系可得，轉子磁鏈的相位角θ等于定子頻率的積分值［8］，關系式如式（6）～（7）。

由式（1）、式（3）和式（7）建立的計算磁鏈Phir、勵磁轉矩Te、轉子磁鏈的相位角的仿真模塊如圖8所示。

圖8　磁鏈觀測仿真模塊Fig. 8　Flux observer emulation modules

4）SVPWM模塊由電壓矢量扇區判定模塊、扇區基本電壓矢量工作時間計算模塊、PWM波開關切換時間模塊、SVPWM波形生成模塊構成［1］，如圖9所示［9］。圖中X， Y， Z是計算電壓矢量工作時間引入的中間變量。

圖9　SVPWM仿真模塊Fig. 9　SVPWM emulation modules

5）矢量坐標變換是一種非常重要的數學方法，它可以將交流電機的復雜模型轉換、等效為簡單模型，是交流電機矢量控制的基礎。根據坐標變換的關系，Park變換、Clarke變換、Park逆變換的模塊結構都是一樣的，只是它們的輸入輸出變量和Fcn函數表達式不同。Park變換的仿真模塊如圖10所示。

圖10　Park變換模塊Fig. 10　Park transformation modules

圖10中，Fcn，Fcn1函數分別為：

將搭建的各個仿真子模塊按相互作用關系連接起來，就構成了采用模糊自適應PI速度控制器的SVPWM控制系統［10］，如圖11所示。

3.2仿真結果及分析

對圖11所示的系統分別采用常規PI速度控制器和模糊自適應PI速度控制器進行仿真對比。設置電機空載啟動，轉速達到給定值后，在t=0.8 s時，以階躍信號的形式突加TL=200 N·m的負載，仿真時間為1.5 s。電機參數為：額定容量為560 kW，額定電壓為2 750 V，額定頻率為138 Hz，Rs=0.106 5，Lsα= 1.31 mH，Rr=0.066 3， Lrσ=1.93 mH，Lm=53.6 mH，轉動慣量J=1.5 kg·m2，極對數np=2，轉子磁鏈的給定值φ=0.45 Wb。機車DC 110 V蓄電池經升壓模塊后，為三相逆變橋、直流母線提供DC 560 V電壓。

當給定轉速n*=30 r/min時，兩種速度控制器的速度響應對比如圖12所示。當給定轉速n*=100 r/min時，兩種速度控制器的速度響應對比如圖13所示。

圖11　系統仿真模型圖Fig. 11　A system emulation diagram

圖12　n*=30 r/min，常規PI與模糊自適應PI仿真速度響應對比圖Fig. 12　n*=30 r/min，A contrast diagram for the simulation speed responses between the conventional PI and fuzzy PI

圖13　n*=100 r/min，常規PI與模糊自適應PI仿真速度響應對比圖Fig. 13　n*=100 r/min，A contrast diagram for the simulation speed responses between the conventional PI and fuzzy PI

從電機轉速的啟動超調值、到達給定轉速的時間、突加負載轉速值、最終轉速值以及定子電流所含諧波的成分5個方面，對采用常規PI速度控制器與模糊自適應PI速度控制器的仿真結果進行對比，分析結果如表1所示。

表1　常規PI與模糊PI控制器對比Table 1　A comparison between the controllers of the conventional PI and the fuzzy PI

由表1可以看出，采用模糊自適應PI速度控制器的調速系統具有轉速超調小、穩態誤差小、定子電流中含有的高次諧波少以及系統的自適應調節能力提升等優點，驗證了設計方案的合理性與可行性。

4　結語

根據交流牽引電力機車庫內低速移動的工況，本文以電力機車車載DC 110 V蓄電池作為動力源，設計基于模糊自適應PI速度控制器的矢量控制系統。該系統具有直流電壓利用率高，轉速誤差及超調小，數字控制實現容易，系統速度調節的自適應能力強等優點，是一種低成本高效率的控制系統，具有很好的應用前景。

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（責任編輯：鄧彬）

On the Vector Control System for the Stall Parking of AC Traction Locomotives

ZHANG Shuai，YI Jiliang，CHENG Yan，LIU Xiaowen，YANG Xiaofang
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，Chin a）

Based on the operating mode of the stall parking of AC traction electric locomotives， a vector control system， with DC 110 V accumulator its power source， has been designed of a fuzzy self-adaptive PI speed controller. By controlling the rotational speed of the induction motor， a slow and steady movement of the AC traction locomotives has been realized in the process of stall parking. The final result of a modeling and simulation test for the control system based on MATLAB/Simulink shows that the vector control system based on the fuzzy self-adaptive PI has the following advantages: more efficient voltage utilization， less rotational speed errors and smaller overshoot， greater self-adaptive capacity for the system speed regulator， etc.

AC traction；vector control；fuzzy PI；induction motor

TM343

A

1673-9833（2016）03-0071-06

10.3969/j.issn.1673-9833.2016.03.013

2016-03-02

國家自然科學基金資助項目（61503131），湖南省教育廳科學研究基金資助項目（14C0327）

張帥（1987-），男，安徽蚌埠人，湖南工業大學碩士生，主要研究方向為現代電力電子技術，E-mail：325115875@qq.com

易吉良（1972-），男，湖南株洲人，湖南工業大學副教授，主要從事電能質量分析，數字信號處理方面的教學與研究，E-mail：yi.jiliang@163.com