地铁牵引系统正弦振荡机理及抑制措施分析

2018-06-28韦兆华

机电信息 2018年18期

韦兆华

（广州地铁集团有限公司，广东广州510000）

0 引言

地铁牵引传动系统由直流接触网供电，车载逆变器直流侧主要由电感和电容组的LC滤波器进行滤波，牵引变流器运行时，由于逆变器在小信号模型下呈现的负阻抗特性，系统阻尼降低，此时直流侧电压、电流容易产生在LC谐振频率上的持续振荡，这种振荡不仅会带来牵引电机转矩脉动，损坏车辆设备，同时还会导致牵引控制系统过压、过流故障保护，引起列车停电故障。

1 振荡现象分析

对A4型列车的取流情况做录波分析，当列车仅启动了辅助系统时，电流约为20 A，此时发现电流出现了规律的振荡，幅值约为12 A，频率约为19 Hz。当空调系统启动后，由于负载加大，现象放大，幅值约为97.6 A，频率约为19 Hz。通过录波分析可知，A4型列车在这两种工作状态下直流侧电流出现了明显的振荡现象。

目前在谐波分析中常用到的方法为傅里叶变换，一般可以根据交流工频或变流器开关频率设定基波频率，然后再将实际波形分解为频率为基频的整数倍的正弦波信号的无限叠加，该方法常用于滤波器及无功补偿的设计。而前述的直流侧电流脉动为低频振荡（约19 Hz），频率比交流工频低，因而不适宜用傅里叶变换进行分析。

考虑到车载逆变器采用的是传统的LC滤波器，其中L为逆变器的滤波电感，C为支撑电容，两者组合成LC滤波电路，R为线路的等效电阻。以A4型车为例，其滤波电感L=5 mH，支撑电容C=13 mF，可得滤波器的谐振频率为与前述的电流振荡频率基本相等，可以判断是回路对谐振频率的交流分量阻尼不足，导致该频率的分量发散放大造成了低频振荡。

2 振荡产生的机理

为简化分析，假定地铁牵引传动系统在运作过程中逆变器输出功率恒定为P，在直流方向看来，此时逆变器可等效为一个受控电流源，其电流大小为iL=P/uL，与电容电压uL相关。由此可将牵引回路简化为图1所示的等效电路模型，其中R1表示直流侧线路的等效电阻，L1为逆变器的滤波电感，C1为支撑电容，ui、ii分别为直流网侧电压、网侧电流。

下面对回路作小信号分析，设受控电流源的阻值为Rd，在小信号系统下，其电导S为：

图1 逆变器简化后的牵引回路

式中，uLW为大信号状态下电容工作点的电压，在实际计算时可取为网压1 500 V，则其在小信号模型下的阻值Rds为：

可见，逆变器的小信号分析上呈现负阻抗状态，这也是引起系统振荡的主要原因。设变量的小信号值为Δii、Δui、ΔuL，写成线性状态方程为，

要使系统稳定，则需要处于阻尼状态，即阻尼系数大于0，代入解得：

从上式可以看出，负阻抗Rds降低了系统阻尼，从稳定性的角度分析，L1越小、C1越大，P越小，系统稳定所需的R1越小。

以前文所述的A4车参数为例，假设P=1 MW，则有：

而一般线路的等效电阻均在100 mΩ以内，且由于地铁列车的运行特性，列车在牵混所所在的车站启动时，因为线路短、启动功率大，振荡现象会更为明显。

3 振荡的抑制措施

3.1 改变主回路参数

根据前文分析，主回路的可变参数为L1、C1、R1，其中，若增大线路的等效电阻R1，对振荡的抑制效果最为直接，但考虑到损耗及持续的发热，可能会引入更多不必要的问题，因此不考虑此方案。

此外，减少L1或增大C1同样可以增大阻尼系数，且风险较低，尤其是增大支撑电容C1并不影响原主回路的结构，只需要在原电容器上再并联电容器即可实现，同时又能够降低谐振频率，减少误触发Δi和di/dt保护的风险。

3.2 利用能耗制动装置增加系统阻尼

二、八号线列车均带有能耗制动装置，一般情况只用于消耗再生制动产生的多余能量，具有抑制电压过高的功能，同时也可以通过添加控制策略来抑制主电路振荡。当检测判断到直流侧发生振荡时，可启动能耗制动装置，使电能从制动电阻流通，相当于在原来谐振的LC电路的电容上并联一个可变电阻Rh，此时阻尼系数ζ的表达式改写为：