電力工程車直流側(cè)電壓穩(wěn)定控制策略

張靜萌 王洋

摘? 要：針對(duì)電力工程車牽引變流器在工作過(guò)程中產(chǎn)生的直流側(cè)振蕩現(xiàn)象，提出一種直流側(cè)電壓穩(wěn)定控制的方法，提取多重可能影響直流側(cè)電壓的振蕩因素，通過(guò)前饋補(bǔ)償?shù)睫D(zhuǎn)矩來(lái)抑制振蕩。文章通過(guò)仿真模型及實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行，對(duì)上述方法進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示該方法能夠有效抑制系統(tǒng)振蕩。

關(guān)鍵詞：電力工程車;電壓穩(wěn)定;振蕩補(bǔ)償

Abstract： During operation of the traction converter in electric locomotive， the DC-link oscillation phenomenon exists. A DC side voltage stability control method is proposed to extract multiple oscillation factors that may affect the DC side voltage. The oscillation is suppressed by feed forward compensation to torque. This paper verifies the method through simulation and actual experiment. The results show that this stability method can effectively suppress system oscillation.

在軌道交通中，電力工程車被廣泛應(yīng)用在線路維護(hù)、車輛救援、道路施工等方面。電力工程車的牽引變流器在運(yùn)行過(guò)程中，由于直變交結(jié)構(gòu)、諧振頻率、恒功率矢量控制等各方面影響，容易使得牽引系統(tǒng)直流側(cè)產(chǎn)生振蕩。直流側(cè)的振蕩不僅會(huì)導(dǎo)致?tīng)恳姍C(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定，大大降低變流器對(duì)牽引電機(jī)的控制性能，甚至影響整個(gè)電傳動(dòng)系統(tǒng)的功能及穩(wěn)定性[1-7]。因此，在牽引變流器的控制過(guò)程中，常常采用直流側(cè)電壓穩(wěn)定控制策略，來(lái)抑制振蕩，保持穩(wěn)定。

1 牽引逆變器主電路

電力工程車牽引系統(tǒng)的主電路見(jiàn)圖1，供電網(wǎng)壓Us經(jīng)過(guò)線路等效電阻R、LC濾波回路、再通過(guò)IGBT的開(kāi)關(guān)動(dòng)作逆變成交流電來(lái)驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)，實(shí)現(xiàn)車輛牽引制動(dòng)等工況。由于直流側(cè)呈現(xiàn)負(fù)阻抗特性，使得整個(gè)系統(tǒng)阻尼太小[1-3]，在變流器運(yùn)行時(shí)，直流側(cè)電壓或電流常常在LC的諧振頻率附近出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。

根據(jù)文獻(xiàn)[2、7]可知，圖1的傳動(dòng)系統(tǒng)電路可利用小信號(hào)分析法等效為圖2所示。當(dāng)牽引電機(jī)在恒功率區(qū)運(yùn)行時(shí)，從直流側(cè)看過(guò)來(lái)，則逆變器與電機(jī)可以看作一體，其等效阻抗為Zd，Ud為電容電壓，P為輸入功率。

因而，可通過(guò)改進(jìn)電路中的R、L、C來(lái)增加系統(tǒng)阻尼，滿足式2條件。但常規(guī)線路中的R一般只有幾十毫歐，增大R會(huì)增加損耗，或者增大濾波電容減少濾波電感，但考慮到空間布局及成本，故而多數(shù)系統(tǒng)通常采用軟件補(bǔ)償方法來(lái)抑制振蕩。

2 直流側(cè)電壓穩(wěn)定控制策略

本文中的電壓前饋式補(bǔ)償控制方法是指，直流電壓的振蕩部分，以及電流環(huán)輸出的轉(zhuǎn)矩電壓，雙重因素呈現(xiàn)出來(lái)的正阻抗特性，補(bǔ)償?shù)睫D(zhuǎn)矩上，達(dá)到抑制振蕩使其穩(wěn)定的目的，如圖3所示。

在對(duì)牽引電機(jī)實(shí)施矢量控制過(guò)程中，文獻(xiàn)[1，5]提出功率調(diào)節(jié)對(duì)直流側(cè)振動(dòng)的影響，故計(jì)算電流環(huán)輸出的轉(zhuǎn)矩電壓Vq對(duì)直流電壓的影響比Vq/Ud。將直流側(cè)電壓振蕩分量，及轉(zhuǎn)矩輸出電壓分量前饋到轉(zhuǎn)矩指令處，實(shí)現(xiàn)前饋補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩，則最終的轉(zhuǎn)矩輸出指令為：

根據(jù)式（8），取P=300kW，L=5mH，C=9.8mF，R=0.03Ω，Ud=1500V，當(dāng)kt取值在[-0.3，+0.3]之間時(shí)，ΔUd/ΔUs的波特圖見(jiàn)圖4，從圖可知當(dāng)幅值處于0dB相位從+90變化到-90，范圍預(yù)度大，可以使系統(tǒng)穩(wěn)定。

3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述策略，利用仿真軟件Matlab/Simulink創(chuàng)建模型進(jìn)行驗(yàn)證，控制框圖按照?qǐng)D3，主要仿真參數(shù)如表1所示。

當(dāng)未采用振蕩抑制方法時(shí)，按照表1的參數(shù)進(jìn)行電力工程車牽引系統(tǒng)仿真，波形如圖5所示，圖中所示波形分別為車速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、直流電壓、直流電流。由圖可知，車輛由0km/h加速上升到80km/h，進(jìn)入惰行。在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)電機(jī)轉(zhuǎn)矩為1500N·m，在進(jìn)入恒功率區(qū)，系統(tǒng)直流側(cè)產(chǎn)生波動(dòng)，直流電壓波動(dòng)幅度為±150V，直流電壓波動(dòng)幅度為±60A，電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅度為±100N·m。這種波動(dòng)不僅降低了系統(tǒng)穩(wěn)定性，而且可能造成逆變器出現(xiàn)過(guò)流或過(guò)壓故障保護(hù)封鎖脈沖輸出，而轉(zhuǎn)矩波動(dòng)造成電機(jī)異響甚至損壞。

圖6為采用本文所述振蕩抑制方法后的仿真波形，比較圖5、6可知，直流電壓、直流電流、輸出轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)得到有效抑制，幅度有明顯降低，整個(gè)牽引加速過(guò)程沒(méi)有出現(xiàn)明顯的振蕩，該振蕩抑制方法是有效果的。

圖7為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)果，采用表1參數(shù)在實(shí)驗(yàn)臺(tái)通過(guò)多通道采樣錄波，記錄系統(tǒng)從0牽引加速到80km/h后惰行的波形圖，波形分別是直流電壓、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電機(jī)相電流、直流電流、牽引指令、速度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致。

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)針對(duì)電力工程車牽引變流器在工作過(guò)程中產(chǎn)生的直流側(cè)振蕩現(xiàn)象，提出一種直流側(cè)電壓穩(wěn)定控制的方法，提取多重可能影響直流側(cè)電壓的振蕩因素，通過(guò)前饋補(bǔ)償?shù)睫D(zhuǎn)矩電流來(lái)抑制振蕩。本文通過(guò)仿真模型及實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果，表明上述方法可取得比較滿意的振蕩抑制效果，同時(shí)該方法算法簡(jiǎn)單計(jì)算量小，準(zhǔn)確度高，工程化易實(shí)現(xiàn)。

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