基于功率動態分配的自動駕駛機車牽引電機節能控制

李學明, 徐紹龍, 蔣奉兵, 褚金鵬

(株洲中車時代電氣股份有限公司,湖南 株洲 412001)

0 引 言

列車自動駕駛技術作為軌道交通智能化的重要前沿技術之一，已在行業內得到充分關注和應用[1]。上海軌道交通10號線、北京燕房線等率先實現了城市軌道交通領域的列車全自動駕駛；廣東惠莞線和京張高鐵線分別建成了中國列車運行控制系統-2級(CTCS2)+列車自動運行系統(ATO)的干線城際鐵路和基于CTCS3+ATO的高速鐵路自動駕駛試驗[2]。由中車株洲所研發的HXD1 型機車自動駕駛系統已累計安全運行27萬多公里[3]。隨著軌道交通裝備智能化程度的提高，客戶對設備運營的安全可靠、平穩、正點、節能、經濟、高效等方面提出了更高的要求[4]。

機車特別是大功率機車，其單軸牽引電機額定功率一般超過1 000 kW，機車能耗絕大部分為牽引能耗，而牽引電機額定功率運行時的效率一般在0.90～0.95之間，在額定功率以下運行時則效率更低，且在同一速度下不同牽引力發揮時其效率相差較大。目前關于電機節能控制方法研究較多，主要有基于電機損耗模型的最優控制[5-10]，降壓節電控制[11]，搜索控制[12]、恒功率因數控制[13]、最小勵磁電流控制[14]等。

綜上所述,通常以單臺電機為考慮對象，通過建立電機損耗模型或與損耗強相關的控制量，從而調整實時控制策略，實現當前工況下電機損耗優化控制。此類方法需對電機損耗模型進行深入研究并對成熟控制策略進行大量調整優化，工程實現較復雜。為此，本文考慮從整車系統出發，基于HXD1自動駕駛機車自動駕駛裝置的規劃信息，提出了一種基于牽引功率動態分配的機車牽引電機節能控制方法。根據牽引噸位、線路約束的牽引功率需求等約束，實時計算未來規劃區間內的功率需求，基于牽引電機效率最優進行各軸牽引力動態分配，在保證安全運用的條件下，實現牽引電機能耗最低。

1 機車牽引傳動系統及其牽引力分配控制原理

1.1 機車牽引傳動系統介紹

交流傳動電力機車牽引傳動系統典型主電路結構原理如圖1所示。主要由牽引變壓器、牽引變流器(包括充電回路、四象限整流器、中間直流環節、逆變器等)和牽引電機3部分組成。單相25 kV交流電經過受電弓、真空斷路器VCB和牽引變壓器一次側進入車體，由牽引變壓器二次側繞組向變流電路提供單相交流電。交流電流在四象限整流器的作用下變換成脈動直流電，經中間直流環節濾波后，利用逆變器轉換成頻率和幅值可變的三相交流電驅動牽引電機，從而控制機車以不同速度和牽引力前進。以HXD1機車為例，其機車軸式為2(B0-B0)，整個機車由2節完全相同的4軸電力機車通過固定重聯方式構成。每節機車配置1臺牽引變壓器、1臺變流器和4臺牽引電機，每個牽引變流器配置1個傳動控制單元(TCU)[15]，實現牽引傳動系統的實時控制、診斷與保護及網絡通信等功能。

圖1 機車牽引傳動系統典型主電路結構原理

1.2 牽引力分配控制原理

HXD1型自動駕駛機車每節機車配置一套自動駕駛裝置ATO[3]，通過接收來自列車運行監控裝置、網絡中央控制單元(CCU)、制動控制單元及機車電臺的數據，基于自動駕駛控制策略實現對機車牽引系統、制動系統的控制，最終實現機車的自動駕駛功能[4]。

圖2 機車牽引制動力分配控制流程

機車的牽引制動力分配控制流程如圖2所示。ATO裝置結合列車運行線路數據、車輛數據、監控信號及機車牽引/制動特性，對列車運行行程進行評估，基于安全、平穩、正點、減負及節能等原則，自動規劃機車在前方區間的最優化目標速度曲線和整車牽引制動力設定曲線，并以目標工況(牽引或制動)和目標級位(對應手柄級位)的形式發送給CCU裝置。CCU收到該信息后，結合目標工況，將級位信息進行轉換成整車牽引制動力，并按各軸平均分配的方式將整車力分解成每軸牽引制動力，通過多功能車輛總線(MVB)通信方式發送給該節機車對應的2個TCU。TCU收到每軸設定力后，根據機車傳動比和輪徑信息將設定力轉換成對應的設定轉矩，并通過控制本軸牽引逆變器(INV)IGBT脈沖，驅動牽引電機實現設定轉矩的實時閉環控制。

2 牽引電機節能控制策略

2.1 算法基本原理

本文提出的基于功率動態分配的自動駕駛機車牽引電機節能控制算法如圖3所示。

圖3 基于功率動態分配的機車牽引電機節能控制算法流程圖

整個算法分成離線設計與在線實現2部分。離線設計階段，通過深入分析大量機車歷史現場運用數據，基于數據驅動方法，建立牽引電機效率與牽引力、速度間的關系模型并確定評價策略優劣的性能指標。其中，性能指標綜合考慮節能效果和各軸牽引力的均衡程度，采用帶等式約束的多目標優化函數作為其評價指標，各目標間的權重系數根據用戶需求可自定義。在線實現階段，在每個運行區間初始位置，首先，讀取區間規劃的整車牽引力及速度曲線，根據策略序號計算每種牽引力分配策略下的規劃牽引力和速度曲線。其次，基于離線設計得到的牽引電機效率模型以及性能指標計算式，計算各種牽引力分配策略下的指標值。最后，選定使目標函數最小的策略，并根據對應策略序號輸出相應策略下的各軸牽引力進行牽引電機控制。下文對算法中涉及的各功能單元設計原理進行了詳細闡述。

2.2 電機效率建模

基于歷史正常工況下運行數據中記錄的一次側電壓、一次側電流、機車牽引力、機車速度等信息，估算機車效率與牽引力、速度間的關系，效率隨牽引力和速度的分布三維圖如圖4所示。

圖4 牽引電機“牽引力-速度-效率”三維圖

分析圖4可知，同一速度下不同牽引力發揮時效率相差較大，且效率與發揮牽引力不是單調線性關系，基于數據對其函數關系式以1 km/h為步長進行分段五階多項式擬合，擬合式如下:

η=a0(n)·F5+a1(n)·F4+a2(n)·F3+a3(n)·F2+a4(n)·F1+a5(n)

(1)

可得不同速度條件下全牽引力范圍的效率關系式:

η=fη(F,v)

(2)

式中:a0～a5為多項式函數中的擬合系數；n為第n個速度段，如第1個速度段包括的速度范圍v1為0 km/h≤v1<1 km/h,第n個速度段包括的速度范圍vn為(n-1) km/h≤vn

不同速度區間分段擬合的均方誤差如圖5所示。

圖5 擬合誤差結果

由圖5可以看出，最大擬合誤差為0.066 5，平均誤差為0.042 6，滿足優化目標精度要求。

2.3 性能指標設計

假設規劃的區間長度為SN，則區間規劃的速度、牽引力曲線分別為

v=fv(s),0

(3)

F=fF(s),0

(4)

各軸牽引力發揮存在較大偏差時會對列車平穩性等控制性能產生一定影響，因此為了兼固效率同時盡可能均衡各軸牽引力發揮，有效衡量牽引力分配好壞，構造如下優化指標，求解最優化問題求取各軸最佳分配牽引力曲線：

minJ=k1·Jη+k2·JB

(5)

2.4 牽引力分配策略設計

在現有的電力機車自動駕駛牽引力分配中，通常采用均衡分配策略(表1中TS1)，原因是此種分配策略實現最為簡單。為了在考慮工程實現方便的同時具備良好的節能效果，本文綜合單軸牽引電機效率最優曲線以及惰行方案，增加TS2～TS4 3種分配策略，如表1所示。其中，分配策略TS3和TS4中惰行牽引電機數目根據本區間最大功率需求來確定。3種牽引力分配策略均具有工程實現簡單，物理意義清晰等優點。同時，為了在滿足節能效果的同時避免頻繁進行牽引力分配策略切換，考慮在同一個規劃區間只采用一種分配策略，通過對整條線路上每個規劃區間內均選擇使能耗最小的策略來保證整條線路內節能效果最佳。

表1 分配策略列表

整個機車牽引電機節能控制算法在線計算流程如圖6所示。

圖6 牽引電機節能控制算法在線計算流程圖

在進行初始化以及相關參數設置完成后，首先基于機車當前位移對其區間位置進行實時判斷，當處于規劃區間起始位置時，置區間規劃調整標志為1并開始進行分配策略計算，否則保持當前分配策略不變。然后，當區間規劃調整標志為1時，讀取當前規劃區間速度及牽引力規劃曲線，并根據式(5)計算4種分配策略對應的指標值。最后，求取指標值最小的分配策略對應的各軸牽引力作為牽引電機的給定輸出。圖6中，Fij表示第i種分配策略下的第j軸牽引力設定曲線。牽引力分配計算舉例說明：以HXD1機車為例，該車每個自動駕駛裝置負責4個軸牽引力控制。假設某時刻整節車設定牽引力FT要求為150 kN，此速度下根據電機特性曲線求得的單軸最大允許發揮牽引力Fmax為60 kN,則根據表1，不同策略下各軸發揮牽引力計算如表2所示。

表2 機車功率分配策略數值算例

3 算法現場數據驗證

根據HXD1機車記錄的某趟兩站點間實際線路自動駕駛運行數據，對上述牽引力分配控制策略的節能效果進行驗證。性能指標函數中，k1與k2分別取1.0和0.2。

整個線路的區間序號以及整車規劃牽引力和速度如圖7和圖8所示。由圖7、圖8可知，此趟線路長度共約56 km，整個運行線路包括8個規劃區間，即在此線路上需根據優化指標式(5)對分配策略進行8次自動規劃；機車運行速度在0～80 km/h間動態變化，整車規劃牽引力在0～465 kN之間波動。

圖7 區間序號及速度對應圖

圖8 整趟線路區間規劃整車牽引力及速度

不同策略下各軸分配牽引如圖9所示。從圖9可以看出，采用策略1時，其各軸牽引力均相等，策略2的1軸牽引力最大，策略3的4軸惰行工況最多且1軸牽引力最大，策略4的4軸惰行工況最多且1，2軸牽引力發揮較均衡，與表1中對應分配策略相符。

圖9 不同策略下各軸分配牽引力

各分配策略節能控制結果如圖10所示。從圖10可以看出，此趟線路的8個規劃區間，不同分配策略節能效果不盡相同。其中，區間3、4、5采用策略TS2能達到最優節能效果，其余區間采用策略TS3節能效果最佳，而采用分配策略TS1能耗均最大。

圖10 各分配策略節能控制結果

不同策略下各區間能耗詳細數據如表3所示。從表3可以得出，所有區間若只采用單一的牽引力分配策略，則4種分配策略的能耗分別為3 415.7、2 836.3、2 411.6、2 876.7 kW·h，比目前采用策略1的分配策略，約節能了29.4%。

表3 不同策略下各區間能耗詳細數據 kW·h

4 結 語

本文從整車牽引功率動態分配角度出發，提出了一種自動駕駛機車牽引電機節能控制策略。現場運行數據測試表明，與目前所用控制方法相比，本文所提動態功率分配策略，約節能了29.4%。此外，該方法無需改造現有牽引系統硬件，僅需升級相關軟件，工程實現簡單，具有良好的應用前景。