計及牽引變流器中間直流電壓低頻波動的牽引電機輸出特性研究

王雅婷

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京100081）

隨著我國電氣化鐵路線路的發展，機車、動車組以電力驅動為主，成為運輸的主力。負載的車輛急劇增多、多負載不同工況下同時運行使得牽引供電系統的電能質量問題呈現出多樣性，嚴重時引發保護電路動作，影響運輸秩序。近年來，國內多臺同型號交直交機車或動車組集中在同一供電區間內整備時，多車出現牽引封鎖狀況，伴隨著電壓/電流波動較大的特點［1-2］，國內6組某CRH型動車組升弓上電，牽引網發生網壓波動的波形如圖1所示。

圖1 多臺動車組接入牽引網的電氣量

針對上述現象，文獻［3］通過挖掘多車接入牽引網時牽引變電站網壓實測數據，提取多分量調幅調頻信號的幅值和頻率信息，并對其波動細節進行詳細分析；文獻［4-5］采用dq電流控制搭建CRH5型動車組仿真模型，對牽引網采用Thevenin等效電路處理，實現了不穩定電氣量的仿真再現；文獻［6］利用Nyquist判據分析了車網系統穩定性條件，并在此基礎上提出Bode圖下的車網系統穩定性方法，實現了車網系統各模塊阻抗幅頻、相頻特性的分析；文獻［7］在整流器瞬態電流控制策略基礎上引入一階自抗擾控制（Active Disturbances Rejection Controller，ADRC），文獻［8］在此基礎上對一階非線性控制器進行優化改進，強化整流器抵抗不穩定的能力。

以上研究在故障仿真建模、機理分析、基于控制策略的電壓波動抑制方面均取得了一定成果，研究結果表明牽引變流器中間直流電壓存在低頻波動電壓成分。假設牽引供電系統發生低頻振蕩，同時又未引發保護電路動作，則該振蕩將會引起牽引變流器中間直流電壓產生同一頻率的波動，如圖1所示；考慮牽引變流器中間直流電壓低頻波動的牽引電機輸出特性研究尚未展開。

1 牽引傳動系統的空間矢量控制方法

交流傳動系統中PWM變頻器具有功率因數高、能夠實現變頻變壓及諧波抑制等優點，被廣泛應用，而空間矢量調制以三相對稱平衡正弦波供電時異步電機產生的理想標準磁鏈圓為基準，用逆變器不同開關模式產生的實際磁通去逼近磁鏈圓，并根據結果的比較決定下一時刻的開關狀態。

在交流電機中，其電磁轉矩方程［9］為式（1）：

式中：CM為電磁轉矩系數；ψm為磁鏈；ir為轉子電流；cosφr為功率因數。

其空間矢量圖如圖2所示。

圖2 異步電機矢量圖

轉子電流與轉子磁場在空間上是相互垂直的，得式（2）：

則式（1）可寫為式（3）：

由上式可看出，可通過保持ψr的恒定而調節轉子電流ir，從而達到控制電磁轉矩的目的。

結合圖2，將M軸按轉子磁場方向定向，則可以將定子電流沿MT坐標得出解耦量ism、ist，從而達到保持ism不變，通過調節ist，控制電機轉矩的目的。

磁場定向控制系統的本質為電磁轉矩和轉子磁鏈的解耦控制，文中采用了磁鏈、轉矩雙閉環反饋控制，控制框圖如圖3所示。

圖3中的轉速閉環系統，實質是牽引電機的反饋轉速經過PI調節器實時跟蹤給定轉速，從而輸出電磁轉矩給定值。T軸電流給定值可由電磁轉矩給定值和轉子磁鏈反饋值得到；T軸電壓給定值可由經過PI調節器給出。

系統框圖中的磁鏈閉環系統，實質是由給定磁鏈和反饋磁鏈得到M軸給定電壓。從圖3可以看出，轉子磁鏈給定值由反饋轉速ωr通過函數發生器得到，反饋值ψr經過PI調節器實現跟蹤，從而得到M軸給定電流，M軸電壓由、ism經過PI調節器給出。

圖3 磁場定向控制系統框圖

2 牽引傳動系統仿真分析

2.1 牽引傳動系統仿真分析

異步電機矢量控制系統仿真結構主要由磁鏈計算、3/2坐標變換、SVPWM、逆變器模塊、電機模塊、測量模塊組成，如圖4所示。三相異步電機的參數見表1［10］。

圖4 三相異步電機矢量控制系統Matlab仿真模型圖

表1 三相異步電機參數表

系統空載啟動，在1.5 s時牽引電機加載1000 N?m。轉矩、轉速、定子電流及轉子磁場矢量如圖5所示，定子電流主頻率及其幅值見表2。

由圖5（a）、圖5（b）可以看出，牽引電機空載啟動后轉矩在0.2 s迅速達到并穩定在1000 N?m；運行至1 s轉速趨于穩定時，輸出轉矩降為0；在1.5 s投入1000 N?m負載，輸出轉矩迅速上升并穩定在1000 N?m；顯然隨著負載的投入，電機轉速會在小于200 rad/s的區域內趨于穩定。

圖5 轉矩、轉速、定子電流及轉子磁場矢量圓

由圖5（c）顯示，隨著電機轉速的穩定，定子電流隨之趨于穩定；1.5 s接入負載后，定子電流經過0.08 s振蕩后趨于穩定。由圖5（d）顯示，轉子磁場矢量能夠形成圓形。圖5表明，文中搭建的仿真模型可正確反映牽引電機的輸出特性。

由表2可以看出，牽引電機空載穩定運行時定子電流主頻率為65 Hz，主頻附近存在一定幅值的間諧波，此外存在高次諧波成分；牽引電機帶載穩定運行，定子電流主頻為80 Hz，同空載穩定運行情況一致，主頻附近也存在間諧波成分，但帶載運行下，高次諧波成分較少。

表2 定子電流主頻率及其幅值表

2.2 中間直流電壓波動下系統仿真分析

中間直流電壓存在頻率5 Hz，幅值100 V電壓波動時，系統空載啟動，在1.5 s時牽引電機加載1000 N?m。圖6為中間直流電壓波動情況下定子電流波形。

圖6 中間直流電壓5 Hz波動下定子a相電流波形圖

為了更好的歸納總結，文中考慮牽引變流器中間直流電壓存在不同波動頻率、不同波動幅值時牽引電機輸出電氣量的變化情況。波動頻率5 Hz，波動電壓100 V、300 V情況下定子電流主頻率及其幅值見表3；波動電壓300 V，波動頻率3 Hz、8 Hz情況下定子電流主頻率及其幅值見表4。

表3 5 Hz波動頻率下定子電流主頻率及其幅值

表4 300 V波動電壓下定子電流主頻率及其幅值

對比圖5、圖6可知，中間直流電壓存在低頻波動時，對電機的輸出電氣量影響較?。粚Ρ缺?、表3可明顯看出，中間直流電壓存在5 Hz周期性波動時，對定子電流主導頻率分布基本不存在影響；將波動電壓幅值由100 V增大至300 V，牽引電機定子電流間諧波含量存在增大的趨勢。

對比表3、表4可得出如下結論：中間直流電壓存在幅值300 V電壓波動，當波動頻率分別為3 Hz、5 Hz、8 Hz時，未在定子電流中發現新的主導頻率成份，顯然SVPWM控制下牽引傳動系統基本不受中間直流電壓波動的影響。

3 結論

針對現場運行中牽引變流器中間直流電壓存在的周期性低頻波動電壓問題，通過搭建牽引變流器仿真模型研究了牽引電機的輸出特性。首先基于磁場定向的矢量控制系統搭建變流器逆變側仿真模型，通過對其牽引特性的仿真分析，驗證了所搭建系統的正確性；隨后考慮變流器中間直流電壓波動情況，仿真了牽引電機的輸出電氣量；采用頻譜分析方法，確定了中間直流電壓波動頻率的變化不會影響牽引電機的定子電流的頻率分布，波動電壓的幅值增大會使牽引電機的定子電流的間諧波含量出現增大的趨勢。文中方法可為牽引傳動系統間諧波的傳播規律研究提供一種新的技術參考。