电力工程车直流侧电压稳定控制策略

张静萌 王洋

摘  要：针对电力工程车牵引变流器在工作过程中产生的直流侧振荡现象，提出一种直流侧电压稳定控制的方法，提取多重可能影响直流侧电压的振荡因素，通过前馈补偿到转矩来抑制振荡。文章通过仿真模型及实际系统运行，对上述方法进行验证，结果显示该方法能够有效抑制系统振荡。

关键词：电力工程车;电压稳定;振荡补偿

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，电力工程车被广泛应用在线路维护、车辆救援、道路施工等方面。电力工程车的牵引变流器在运行过程中，由于直变交结构、谐振频率、恒功率矢量控制等各方面影响，容易使得牵引系统直流侧产生振荡。直流侧的振荡不仅会导致牵引电机输出转矩不稳定，大大降低变流器对牵引电机的控制性能，甚至影响整个电传动系统的功能及稳定性[1-7]。因此，在牵引变流器的控制过程中，常常采用直流侧电压稳定控制策略，来抑制振荡，保持稳定。

1 牵引逆变器主电路

电力工程车牵引系统的主电路见图1，供电网压Us经过线路等效电阻R、LC滤波回路、再通过IGBT的开关动作逆变成交流电来驱动牵引电机，实现车辆牵引制动等工况。由于直流侧呈现负阻抗特性，使得整个系统阻尼太小[1-3]，在变流器运行时，直流侧电压或电流常常在LC的谐振频率附近出现振荡现象。

根据文献[2、7]可知，图1的传动系统电路可利用小信号分析法等效为图2所示。当牵引电机在恒功率区运行时，从直流侧看过来，则逆变器与电机可以看作一体，其等效阻抗为Zd，Ud为电容电压，P为输入功率。

因而，可通过改进电路中的R、L、C来增加系统阻尼，满足式2条件。但常规线路中的R一般只有几十毫欧，增大R会增加损耗，或者增大滤波电容减少滤波电感，但考虑到空间布局及成本，故而多数系统通常采用软件补偿方法来抑制振荡。

2 直流侧电压稳定控制策略

本文中的电压前馈式补偿控制方法是指，直流电压的振荡部分，以及电流环输出的转矩电压，双重因素呈现出来的正阻抗特性，补偿到转矩上，达到抑制振荡使其稳定的目的，如图3所示。

在对牵引电机实施矢量控制过程中，文献[1，5]提出功率调节对直流侧振动的影响，故计算电流环输出的转矩电压Vq对直流电压的影响比Vq/Ud。将直流侧电压振荡分量，及转矩输出电压分量前馈到转矩指令处，实现前馈补偿转矩，则最终的转矩输出指令为：

根据式（8），取P=300kW，L=5mH，C=9.8mF，R=0.03Ω，Ud=1500V，当kt取值在[-0.3，+0.3]之间时，ΔUd/ΔUs的波特图见图4，从图可知当幅值处于0dB相位从+90变化到-90，范围预度大，可以使系统稳定。

3 试验结果

根据上述策略，利用仿真软件Matlab/Simulink创建模型进行验证，控制框图按照图3，主要仿真参数如表1所示。

当未采用振荡抑制方法时，按照表1的参数进行电力工程车牵引系统仿真，波形如图5所示，图中所示波形分别为车速、电机转矩、直流电压、直流电流。由图可知，车辆由0km/h加速上升到80km/h，进入惰行。在恒转矩区电机转矩为1500N·m，在进入恒功率区，系统直流侧产生波动，直流电压波动幅度为±150V，直流电压波动幅度为±60A，电机转矩波动幅度为±100N·m。这种波动不仅降低了系统稳定性，而且可能造成逆变器出现过流或过压故障保护封锁脉冲输出，而转矩波动造成电机异响甚至损坏。

图6为采用本文所述振荡抑制方法后的仿真波形，比较图5、6可知，直流电压、直流电流、输出转矩的波动得到有效抑制，幅度有明显降低，整个牵引加速过程没有出现明显的振荡，该振荡抑制方法是有效果的。

图7为实验平台结果，采用表1参数在实验台通过多通道采样录波，记录系统从0牵引加速到80km/h后惰行的波形图，波形分别是直流电压、电机转矩、电机相电流、直流电流、牵引指令、速度，实验结果与仿真结果一致。

4 结束语

本系统针对电力工程车牵引变流器在工作过程中产生的直流侧振荡现象，提出一种直流侧电压稳定控制的方法，提取多重可能影响直流侧电压的振荡因素，通过前馈补偿到转矩电流来抑制振荡。本文通过仿真模型及实际系统运行结果，表明上述方法可取得比较满意的振荡抑制效果，同时该方法算法简单计算量小，准确度高，工程化易实现。

参考文献：

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