动车组变流器中间直流电压保持控制策略研究

孙一峰

摘要：高速动车组变流装置包括牵引变流器与辅助变流器。牵引变流器的主要功能是将牵引变压器降压后的单相交流电，通过交直交变换输出VVVF三相PWM电压驱动牵引电机，为列车的运行提供动力，辅助变流器的主要功能是为动车组运行所必需的辅助设备供电，例如为各种冷却装置、空压机、照明和空调、蓄电池等供电。

关键词：动车组；变流器；中间直流电压；控制策略

1中间直流电压保持模式及其应用

1.1 中间直流电压保持模式简介

牵引变流器部分主要由四象限整流器、中间直流环节和牵引逆变器组成。四象限整流器可实现单相交流电与直流电之间的四象限变换，并保证网侧功率因数接近于1；中间直流环节主要起到储能和稳定中间直流电压的作用，并保证能量传递时的瞬时功率平衡；牵引逆变器主要为牵引电机提供驱动电源，可使牵引电机工作在牵引或再生制动工况。辅助变流器采用直交型拓扑结构，输入侧并联到牵引变流器中间直流环节获取电能，将中间直流电压变换成三相380V/50Hz正弦交流电压提供给各类辅助负载。列车在牵引工况运行时，牵引电机工作在电动机状态，牵引逆变器工作在逆变状态，能量从中间直流环节流向牵引电机；列车在再生制动工况运行时，牵引电机工作在发电机状态，牵引逆变器工作在整流状态，可将牵引电机制动产生的能量回馈至中间直流环节。在某些特殊运行工况下，高速列车会失去网侧对牵引系统的供电，四象限整流器将停止工作，此时为保证车载空调、照明、冷却装置等辅助设备的正常工作，可以使牵引变流器工作在中间直流电压保持模式。中间直流电压保持模式下牵引变流器不再受控于列车控制级发送的牵引或制动指令，仅根据辅助供电系统的功率需求，由变流器控制单元控制中间直流电压保持稳定，利用再生制动反馈的能量保证辅助变流器及必要负载设备的持续正常工作。由于辅助系统的功率相对于牵引系统较小，中间直流电压保持模式下牵引变流器相当于工作在“微电制”状态。

1.2 中间直流电压保持模式应用工况

1.2.1过分相

在单相交流供电的电气化铁路上，为使电力系统三相负荷尽可能平衡，接触网通常采用分段换相供电，每隔20～30km设置一段供电绝缘区域，即分相区。接触网在分相区两侧由不同两相进行供电，在分相区内则无供电。高速列车在经过分相区时，通常需要采用自动过分相方式，控制单元提前接收到过分相信号，并封锁四象限整流器的控制脉冲。在过分相过程中，仅依靠变流器的中间直流电容储能难以维持中间直流电压的稳定和辅助系统的持续工作，因此通常使牵引变流器切换到中间直流电压保持模式。经过分相区之后，控制单元重新激活对四象限整流器的控制，使牵引逆变器退出中间直流电压保持模式恢复到正常牵引或电制动运行状态。

1.2.2无动力回送

高速列车在载客运营过程中，如果发生严重故障导致失去牵引动力，则需要机车实施救援，将其回送到便于乘客换乘的车站。在无动力回送过程中，将禁止升弓、闭合主断路器等操作，整个列车将在网侧无供电情况下运行。由于高速列车的车窗为封闭结构，为了不影响乘客乘坐的舒适性，需要使空调以及照明等设施能够正常工作，为解决该问题，动车组变流器通常配备回送发电装置。无动力回送工况下，当使用回送发电装置时，首先通过DC/DC装置将来自DC110V蓄电池的电压为中间直流环节充电至一定初始电压，然后利用该初始电压建立起牵引电机的励磁，并进入中间直流电压保持模式，控制中间直流电压上升到给定值且保持稳定，进而在无动力回送过程中将来自列车的动能转化为电能，为动车组必要的辅助设备提供持续供电。

2 中间直流电压保持控制策略

2.1 牵引传动系统矢量控制原理

直接矢量控制对同步旋转坐标系下的励磁电流分量i*sd和转矩电流分量i*sq进行闭环调节，电流调节器的输出电压u*sdc，u*sqc与前馈电压u*sd，u*sq叠加，得到定子电压幅值和相角，再经PWM调制产生逆变器输出电压，从而实现对电机电流、转矩的瞬态控制。

2.2中间直流电压保持控制策略

当牵引变流器工作在中间直流电压保持模式下，矢量控制策略将维持中间直流电压所需要的功率作为前馈量，重新计算转矩电流给定值i*sq，而励磁电流的给定仍采用原有方式，以此调整再生制动转矩，达到控制中间直流电压的目的。

2.3前馈补偿控制响应分析

中间直流电压保持控制策略中采用了功率前馈补偿的方法。相比于不加前馈补偿的控制方法，加前馈补偿的方法能够有效提高系统对负载功率的响应速度以及闭环系统的稳定性。从理论上可以通过分析系统对功率变化的敏感性，对加入功率前馈补偿前后的控制性能进行对比。

2.4前馈功率计算

2.4.1辅助变流器消耗功率计算

辅助变流器消耗功率可采用2种方法进行计算。1）采用中间直流侧电流计算。采用该方法时，需要在牵引变流器中间直流环节向辅助变流器供电的线路上加装电流传感器。由于辅助变流器的输入侧通常采用三相桥式逆变电路，因此电流传感器测量到的瞬时值并非稳定的直流量，这种情况下需要对采集的电流进行滤波处理以得到辅助直流电流的平均值。采用辅助变流器电压电流计算。该方法由辅助变流器控制器计算出功率，然后通过数字通信接口将功率值传递给牵引变流器控制单元，这种情况下可省去在线路上加装电流传感器，适用于主辅一体的变流器结构。进行辅助变流器控制需要采集三相隔离变压器二次侧电压和一次侧电流数据，可根据三相隔离变压器的联结方式和变比将二次侧电压折算至一次侧。

2.4.2电机损耗计算

采用异步电机作为牵引电机时，电机损耗主要包括定子、转子铜耗和定子、转子铁耗，以及包括机械损耗在内的其他损耗。其中，铜耗和铁耗所占比例较大（至少80%以上），因此前馈功率补偿中仅考虑电机的铜耗和铁耗即可。

2.4.3牵引逆变器损耗计算

牵引逆变器在能量传递过程中均会产生损耗。逆变器损耗主要包括功率器件的通态损耗、开关损耗以及线路损耗，通态损耗取决于器件的管压降和负载电流，开关损耗取决于开关频率和负载电流。

3试验结果

试验台采用变流器-牵引电机“背靠背”对拖式结构，试验过程中陪试系统工作在速度模式，被试牵引系统工作在转矩模式。辅助变流器输入侧连接到牵引变流器中间直流环节，并投入一定功率的辅助负载。牵引变流器收到过分相指令后进入中间直流电压保持模式，然后出分相退出中间直流电压保持模式，进入中间直流电压保持模式后，变流器中间直流电压跟随指令值变化到约3500V，牵引电机转矩由牵引特性转变为再生制动特性，并且在整个过分相试验过程中，中间直流电压及电机转矩保持稳定。由于试验电机转速由陪试系统控制，因此在再生制动工况下电机转速维持恒定。从切换时刻到进入稳态的过程中，电机电压、电流均在出现因控制切换造成的突变扰动之后较快地恢复稳定，控制策略达到良好的动态效果。牵引变流器中间直流电压初始值约为1000V，收到无动力回送模式指令后，切换到中间直流电压保持模式，通过中间直流电压保持控制将中间直流电压提升至约3500V，维持一段时间之后再平稳退出中间直流电压保持模式。在无动力回送工况下，通过中间直流电压保持控制可以较快地建立并保持系统工作所需要的中间直流电压，电机电压、电流变化正常，控制策略的动态、稳态响应良好。

结论

本文在介绍动车组变流器中间直流电压保持模式的特点及应用工况的基础上，研究并提出了基于矢量控制的中间直流电压保持控制策略，从理论上分析了功率前馈补偿对控制的影响，给出了相应的前馈功率计算方法。试验结果验证了本文提出的控制策略在过分相和无动力回送工况下，可以有效实现变流器中间直流电压的保持控制，且具有良好的动态和稳态性能。

参考文献

[1]张东林.牵引变流器中间环节直流电压脉动抑制方法的研究[D].西南交通大學，2016.

[2]李前.高压直流电压计量标准和现场量值传递方法的研究[D].华中科技大学，2017.

（作者单位：北京铁路集团天津动车客车段天津动车所）