高速列車牽引傳動控制系統仿真實現

劉 麗，尹進田，勒國慶，周沛峰

（邵陽學院多電源地區電網運行與控制湖南省重點實驗室，湖南邵陽422000）

高速列車牽引傳動控制系統仿真實現

劉 麗，尹進田，勒國慶，周沛峰

（邵陽學院多電源地區電網運行與控制湖南省重點實驗室，湖南邵陽422000）

以CRH2型動車組為研究對象，介紹了牽引傳動控制系統的結構組成、工作原理及控制策略。根據CRH2型動車組的實際參數，基于Matlab構建了牽引傳動控制系統的模型并對其進行了仿真實驗。仿真結果表明，所建立的CRH2型動車組牽引傳動控制系統能夠很好地模擬實際列車運行情況，這驗證了所搭建模型的正確性，達到了預期的目標。

CRH2型動車組；牽引傳動控制系統；控制策略；Matlab

1 引言

高速是現代鐵路的重要特征。我國高速鐵路近年來得到了快速發展［1］。牽引傳動控制技術是高速列車的關鍵核心技術，是我國鐵路研究機構重點攻克的難關，為了保證列車的高速性、安全性和穩定性，必須采用先進成熟的傳動控制系統和合理的傳動控制策略［2］。但我國目前在該領域有很多重要技術和關鍵部件仍依賴國外技術支持和進口，因此，要形成具有完全自主知識產權的高速列車，就很有必要對牽引傳動系統及其控制策略進行深入地研究［3］。基于此，本文以CRH2型動車組為研究對象，對牽引傳動控制系統的結構組成、工作原理及控制策略進行分析和MATLAB建模，為牽引傳動系統核心技術的研究提供技術參考。

2 牽引傳動控制系統結構組成

CRH2動車組牽引傳動控制系統主要由受電弓、牽引變壓器、脈沖整流器、中間直流環節、逆變器和牽引電機等組成，其結構組成框圖如圖1所示，工作原理圖如圖2所示［4、5］。牽引變壓器將受電弓從電網引入的25kV單相工頻交流電降壓成1500V的單相交流電并送入脈沖整流器，脈沖整流器將此交流電變換成直流電經中間直流環節輸出給逆變器，逆變器輸出三相交流電供給牽引電機。這里逆變器輸出的三相交流電的頻率為0～220Hz，電壓為0～2300V可調。

圖1 CRH2型動車組牽引傳動控制系統結構框圖

圖2 CRH2型動車組牽引傳動控制系統工作原理圖

圖3 牽引傳動控制系統的總體控制策略框圖

圖4 牽引傳動控制系統的牽引電機矢量控制框圖

圖2中，CRH2型高速列車牽引傳動控制系統分為兩部分，一是牽引傳動系統主電路，二是牽引控制器（TCU）。系統接收車載傳感器反饋信號，按照給定的控制策略輸出控制指令，控制脈沖整流器、逆變器等設備器件的工作狀態［6、7］。其中，整流器為單相三電平PWM整流器，控制部分采用SPWM調制控制方式；逆變器采用與脈沖整流器相同的三電平結構，控制部分采用空間電壓矢量調制控制方式。由于中間直流回路無二次濾波，因此，在逆變器的脈寬調制方式中增加相應的控制策略以抑制脈動直流電壓對電動機轉矩的影響。就CRH2型高速列車牽引傳動控制系統而言，其牽引控制器中所采用的控制策略如圖3、圖 4 所示［8］。

3 牽引傳動控制系統Simpower模型構建

根據CRH2型高速列車牽引傳動控制系統的主電路拓撲結構和控制策略，采用Simulink環境下商業化的Simpower－system工具箱和Simulink基本單元庫，分別構建牽引傳動控制系統的主電路拓撲結構和控制器，如圖5所示。

通過Simpower－system工具箱搭建的牽引傳動控制系統主電路總體框圖如圖6所示。其中包含單相三電平脈沖整流器模型、中間直流電路仿真模型和三電平逆變器仿真模型，分別如圖7～圖9所示。

圖5 Simulink環境下的牽引傳動控制系統仿真平臺

圖6 牽引傳動控制系統主電路總體框圖

圖7 牽引傳動控制系統的單相三電平脈沖整流器模型

圖8 牽引傳動控制系統的中間直流電路仿真模型

圖9 牽引傳動控制系統的三電平逆變器仿真模型

圖10 基于Simulink的牽引控制器總體框圖

通過Simulink基本單元庫搭建的牽引傳動控制系統的牽引控制器的總體框圖如圖10所示。其中，單相三電平脈沖整流器控制策略和三電平逆變器SVPWM矢量控制策略框圖分別如圖11和圖 12 所示［9］。

圖11 基于Simulink的單相脈沖整流器控制策略

圖12 基于Simulink的三電平逆變器SVPWM矢量控制策略

4 牽引傳動控制系統Simpower模型仿真研究

本文所涉及的參數均參照《中國高速鐵路技術叢書和諧號CRH動車組技術系列——CRH2型動車組》中的數據進行設置［4］，部分參數設置如下：變壓器二次側漏電阻 R＝0.2Ω；漏感 LN＝2mH；中間直流電壓 Udc＝2600V，支撐電容 C1＝C2＝16mF；動車總重量 m＝408.5t，機車輪徑 d＝2r＝0.82m，牽引電機總臺數 N＝16，傳動比 a＝3.036，傳動效率 ηGear＝0.95；電機額定電壓 UN＝2000V，額定頻率 fN＝140Hz，額定功率 PN＝300kW；轉子電阻 Rr＝0.146Ω，轉子電感 Lr＝0.001294H；定子電阻 RS＝0.114Ω，定子電感LS＝0.001417H，極對數 p＝2，互感 Lm＝0.032848H。

仿真模型建立后，仿真時長設置為6s，并采用1e－5s的定步長進行計算。通過CRH2型高速列車牽引傳動控制系統的車載傳感器觀測仿真平臺的輸出數據，車載傳感器的布局圖如圖2所示。在本文仿真環境下傳感器的輸出結果分別如圖13～圖16所示。

圖14 中間直流電路電壓上下側支撐電壓值

圖15 逆變器三相電流輸出

圖16 列車時速、電機轉速及電機轉矩輸出

從以上仿真結果可以看出，列車時速、電機轉速、電磁轉矩、變壓器二次側電壓和電流、中間直流環節上下支撐電壓、逆變器三相電流輸出等觀測量都符合CRH2列車實際運行要求，驗證了本文所搭建的CRH2型動車組牽引傳動控制系統仿真模型的正確性和可靠性。

5 結束語

本文分析了CRH2型動車組控制系統的組成、工作原理及控制策略，基于Matlab軟件搭建了CRH2型動車組牽引傳動控制系統的仿真模型。仿真結果表明，本文所搭建的模型能夠很好地模擬實際列車的運行情況，驗證了該模型的正確性。本文的研究成果可為高速列車的進一步研究提供參考。

［1］周新軍.高速鐵路助推中國低炭經濟發展［J］.鐵道工程學報，2010，（11）：96－97.

［2］Ch en C L.Reshaping Chinese Space－Economy Through High－Speed Trains：Opportunities and Challenges［J］.Journal of Transport Geography，2012，（22）：312－316.

［3］朱琴躍，陳江斌，等.高速動車組牽引傳動控制系統仿真研究［J］.城市軌道交通研究，2015，（2）：19－23.

［4］張曙光.CRH2型動車組［M］.北京：中國鐵道出版社，2008.

［5］許韻武，鄧小軍，鄢桂珍，等.CRH2型 200km／h動車組［J］.機車電傳動，2007，（3）：39－45.

［6］任晉旗，葛瓊璇，李耀華.CRH2型動車組牽引系統電機控制策略研究［J］.鐵道機車車輛，2008，28（12）：109－113.

［7］馮江華，王 堅，等.高速列車牽引傳動系統綜合仿真平臺的分析與設計［J］.鐵道學報，2012，34（2）：21－26.

［8］王利軍，李偉東，張峻領，等.高速動車組再生制動控制系統的研究與仿真［J］.鐵道工程學報，2012，（6）：78－82.

［9］丁榮軍，桂衛華，等.電力機車交流傳動系統的半實物實時仿真［J］.中國鐵道科學，2008，29（4）：96－102.

Simulation of traction drive control system of high－speed EMUs

LIU Li，YIN Jin－tian，LE Guo－qing，ZHOU Pei－feng
（Hunan Provincial Key Laboratory of Grids Operation and Control on Multi－Power Sources Area，Shaoyang University，Shaoyang 422000，China）

Taking the CRH2 EMUs as the research object，the structure，the working principle and the control strategies of the traction drive system are presented.According to the actual design parameters of the CRH2 EMUs，the Matlab simulation model of the traction drive control system is set up and the simulation experiments are carried out.The simulation results show that the CRH2 EMU traction drive control system can well simulate the actual train operation.The validity of the established model is verified，and it can achieve the expected goal.

CRH2 EMUs；traction drive control system；control strategy；Matlab

TM46；TM614

A

劉 麗（1984－），女，碩士，講師，主要研究方向為檢測技術與自動化裝置。

2016－11－05

1005—7277（2017）02—0012—04

湖南省教育廳基金項目（2016C1450）；湖南省重點實驗室基金項目（2016TP1023）

尹進田（1981－），男，碩士，講師，主要研究方向為牽引傳動系統控制與故障診斷。