軌道交通車(chē)輛永磁同步牽引系統(tǒng)斷電區(qū)穿越控制策略

　　摘要 永磁同步牽引傳動(dòng)系統(tǒng)是軌道交通車(chē)輛穩(wěn)定運(yùn)行的重要組成部分，由于車(chē)輛經(jīng)過(guò)斷電區(qū)時(shí)，供電系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)短暫失電引起母線(xiàn)電壓突變，對(duì)牽引系統(tǒng)造成電流沖擊以及 LC 振蕩，甚至觸發(fā)系統(tǒng)重故障，影響系統(tǒng)運(yùn)行。為使車(chē)輛能夠平穩(wěn)穿越斷電區(qū)，該文通過(guò)建立軌道車(chē)輛永磁同步牽引系統(tǒng)穿越斷電區(qū)的等效電路，推導(dǎo)出系統(tǒng)進(jìn)入斷電區(qū)前后的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上提出一種通過(guò)整流發(fā)電穩(wěn)定母線(xiàn)電壓穿越斷電區(qū)的控制策略，避免關(guān)閉牽引系統(tǒng)和斷開(kāi)主接觸器，同時(shí)降低駛離斷電區(qū)時(shí)母線(xiàn)電壓突變，從而減小牽引系統(tǒng)的沖擊及振蕩。仿真和試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提控制策略的有效性和可行性。

　　本文源自張偉偉; 肖飛; 劉計(jì)龍; 麥志勤; 林克文， 電工技術(shù)學(xué)報(bào) 發(fā)表時(shí)間：2021-07-06

　　關(guān)鍵詞：軌道交通車(chē)輛 永磁同步電機(jī) 牽引控制系統(tǒng) 斷電區(qū) 整流發(fā)電

　　0 引言

　　軌道交通車(chē)輛永磁同步牽引傳動(dòng)系統(tǒng)由接觸軌受電模塊、直流充電濾波模塊、牽引變流器、永磁同步牽引電機(jī)等組成，集電靴從接觸軌取電后經(jīng)濾波器和牽引變流器驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)，為車(chē)輛的運(yùn)行提供動(dòng)力[1]。鑒于目前供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，車(chē)輛運(yùn)行線(xiàn)路中，接觸軌供電存在失電區(qū)域，即供電電壓突然中斷，一段時(shí)間后又恢復(fù)供電的區(qū)間，通常稱(chēng)之為斷電區(qū)[2]。牽引系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，供電電壓直接影響母線(xiàn)電壓，而母線(xiàn)電壓突變?nèi)菀滓痣娏鳑_擊以及低頻振蕩，甚至可能觸發(fā)系統(tǒng)重故障，造成停機(jī)[3]。為確保牽引系統(tǒng)順利穿越斷電區(qū)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)很多詳細(xì)分析，提出相關(guān)的解決措施，并且取得一定效果。

　　文獻(xiàn)[4]以上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)旅客捷運(yùn)系統(tǒng)為例，對(duì)受電車(chē)輛在穿越斷電區(qū)時(shí)產(chǎn)生過(guò)電流的原因進(jìn)行分析，并結(jié)合線(xiàn)路實(shí)際工況提出了車(chē)輛穿越斷電區(qū)的解決方法，但是未能從理論上解決斷電區(qū)電壓突變對(duì)車(chē)輛牽引系統(tǒng)的沖擊問(wèn)題，所提方法不具有普適性。文獻(xiàn)[5]以高速牽引列車(chē)為研究對(duì)象，建立了考慮濾波電感在內(nèi)的牽引供電系統(tǒng)模型，分析了濾波電感對(duì)于降低電流沖擊的作用，然而并沒(méi)能提出解決斷電區(qū)穿越引起巨大沖擊和 LC 振蕩的有效方法。文獻(xiàn)[6]以電動(dòng)車(chē)輛永磁同步牽引系統(tǒng)為例，對(duì)母線(xiàn)電壓波動(dòng)造成的影響進(jìn)行分析，并從控制算法上提出了優(yōu)化措施，雖然能夠降低母線(xiàn)電壓波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的沖擊，但是車(chē)輛進(jìn)入斷電區(qū)時(shí)仍然需要關(guān)閉牽引系統(tǒng)，待通過(guò)斷電區(qū)后再重啟系統(tǒng)，對(duì)操作人員的依賴(lài)程度較高。文獻(xiàn)[7]對(duì)電力機(jī)車(chē)中直流母線(xiàn)電壓與電力電子變壓器進(jìn)行建模，通過(guò)仿真分析了大信號(hào)擾動(dòng)對(duì)直流母線(xiàn)電壓的影響，提出了電壓前饋補(bǔ)償策略調(diào)節(jié)母線(xiàn)電壓，并為母線(xiàn)電壓控制器的設(shè)計(jì)提供了準(zhǔn)則，不足之處在于只進(jìn)行了仿真分析，沒(méi)有通過(guò)試驗(yàn)具體驗(yàn)證。

　　為更好地解決軌道交通車(chē)輛永磁同步牽引系統(tǒng)斷電區(qū)穿越問(wèn)題，本文以北京地鐵某線(xiàn)路為例，介紹永磁同步牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析斷電區(qū)問(wèn)題的產(chǎn)生原因及影響，并在此基礎(chǔ)上提出了基于整流發(fā)電穩(wěn)定母線(xiàn)電壓使?fàn)恳到y(tǒng)穿越斷電區(qū)的控制策略，從而使車(chē)輛在不關(guān)閉牽引系統(tǒng)的情況下平穩(wěn)通過(guò)斷電區(qū)，避免了車(chē)輛通過(guò)斷電區(qū)時(shí)因母線(xiàn)電壓突變引起的系統(tǒng)沖擊和振蕩，最后利用仿真和試驗(yàn)對(duì)控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證。

　　1 地鐵永磁同步牽引系統(tǒng)

　　在常見(jiàn)的地鐵牽引系統(tǒng)中，接觸軌供電、集電靴采電的方式得到越來(lái)越多的應(yīng)用，集電靴采電后經(jīng)過(guò)充電濾波電路向牽引變流器提供 1 500 V 或 750 V 直流電，而后牽引控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前的牽引指令生成目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，并控制三相牽引變流器的開(kāi)通與關(guān)斷，從而驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)運(yùn)行。所選線(xiàn)路地鐵車(chē)輛每套變頻器有 4 組逆變模塊，驅(qū)動(dòng) 4 臺(tái)電機(jī)，在結(jié)構(gòu)和控制策略上各模塊完全一致，為簡(jiǎn)化分析，以一組逆變模塊驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電機(jī)進(jìn)行研究，地鐵永磁同步牽引系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示。

　　從圖 1 可以發(fā)現(xiàn)，接觸軌提供的供電電壓經(jīng)過(guò)充電濾波電路向支撐電容充電，而后通過(guò)牽引變流器向永磁同步電機(jī)提供電能。高速斷路器在沒(méi)有重大故障的前提下一直保持閉合，閉合充電接觸器后向支撐電容充電，當(dāng)充電至 80%以上時(shí)，閉合短接接觸器，充電電阻被旁路后允許系統(tǒng)運(yùn)行，所以供電電壓的變化會(huì)直接影響轉(zhuǎn)矩指令的生成，進(jìn)而影響系統(tǒng)運(yùn)行。由于接觸軌布置存在斷電區(qū)域，車(chē)輛進(jìn)入該區(qū)域，供電電壓會(huì)突降為零，車(chē)輛離開(kāi)該區(qū)域后，供電電壓瞬時(shí)恢復(fù)。因此，地鐵車(chē)輛在穿越斷電區(qū)時(shí)，供電電壓會(huì)急劇跳變，需要對(duì)車(chē)輛穿越斷電區(qū)的工況進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制策略，使其穩(wěn)定穿越斷電區(qū)。以所選地鐵線(xiàn)路為例，永磁同步牽引系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表 1。

　　2 牽引系統(tǒng)斷電區(qū)穿越分析

　　2.1 斷電區(qū)的形成

　　為更好地了解斷電區(qū)特性，設(shè)計(jì)牽引系統(tǒng)斷電區(qū)穿越策略，首先對(duì)斷電區(qū)形成的原因進(jìn)行分析。地鐵車(chē)輛在實(shí)際線(xiàn)路運(yùn)行中，供電電壓由接觸軌提供，而接觸軌的鋪設(shè)并不連續(xù)，通常設(shè)有分段，段與段之間存在間隔，集電靴在間隔區(qū)域不能受電，從而導(dǎo)致車(chē)輛進(jìn)入該區(qū)域后供電中斷[8]。接觸軌分段形成斷電區(qū)示意圖如圖 2 所示。

　　實(shí)際線(xiàn)路中斷電區(qū)的設(shè)置主要有兩種類(lèi)型：第一種類(lèi)型是電分段，由于地鐵線(xiàn)路跨越距離遠(yuǎn)，通常由多個(gè)變電所進(jìn)行分區(qū)段供電，此外，為提高繼電保護(hù)可靠性，縮小故障影響范圍，車(chē)輛從運(yùn)行線(xiàn)路回到車(chē)輛段時(shí)也存在供電區(qū)間切換問(wèn)題，接觸軌從一個(gè)變電所的供電區(qū)間跨越到另一個(gè)變電所的供電區(qū)間時(shí)，不同供電區(qū)間銜接處設(shè)有電分段;第二種類(lèi)型是物理分段，在地鐵線(xiàn)路接觸軌鋪設(shè)過(guò)程中，考慮到道岔區(qū)、人防工程等因素的影響，接觸軌可能無(wú)法連續(xù)布置，也會(huì)存在不同長(zhǎng)度的中斷，形成物理分段[9]。因此，地鐵永磁同步牽引系統(tǒng)在實(shí)際線(xiàn)路運(yùn)行過(guò)程中，必然會(huì)經(jīng)過(guò)斷電區(qū)，造成直流側(cè)突然失去供電，駛離斷電區(qū)后又恢復(fù)供電。

　　2.2 斷電區(qū)穿越工況

　　為便于對(duì)地鐵車(chē)輛穿越斷電區(qū)的具體工況進(jìn)行分析，建立永磁同步牽引系統(tǒng)斷電區(qū)穿越等效模型如圖 3 所示。圖 3 中，uL 為母線(xiàn)電壓，即由接觸軌供電在牽引系統(tǒng)直流側(cè)形成的電壓，當(dāng)集電靴受電時(shí)，母線(xiàn)電壓由供電電壓決定，集電靴不受電時(shí)，母線(xiàn)電壓由電容電壓決定;idc 為直流母線(xiàn)電流;udc 為支撐電容電壓;Lf 為布置在牽引變流器和直流供電網(wǎng)之間的濾波電感，母線(xiàn)電壓經(jīng)過(guò)濾波電感向支撐電容充電，該電感對(duì)于降低直流側(cè)電壓波動(dòng)以及電流沖擊對(duì)牽引變流器的影響具有重要作用，同時(shí)對(duì)于牽引系統(tǒng)具備斷電區(qū)穿越能力也極為關(guān)鍵。

　　當(dāng)?shù)罔F車(chē)輛進(jìn)入斷電區(qū)后，由于供電線(xiàn)路失電，母線(xiàn)電壓 uL 會(huì)瞬時(shí)突降為 0，而支撐電容電壓 udc 在極短的時(shí)間內(nèi)的變化相對(duì)較慢。根據(jù)所選線(xiàn)路器件選型情況，直流支撐電容容值為 20 mF，該支撐電容在無(wú)供電電壓的情況下僅支持牽引系統(tǒng)滿(mǎn)功率繼續(xù)運(yùn)行約 10 ms。車(chē)輛進(jìn)入斷電區(qū)后，如果繼續(xù)按照原牽引指令運(yùn)行，在 10 ms 左右支撐電容就會(huì)完全失電，而實(shí)際線(xiàn)路中車(chē)輛通過(guò)斷電區(qū)的時(shí)間約為 0.5～1 s，所以，在供電丟失的情況下，單純依靠支撐電容儲(chǔ)備的電能不足以支持車(chē)輛穿越斷電區(qū)。待車(chē)輛駛離斷電區(qū)，集電靴再次和接觸軌連接恢復(fù)供電，母線(xiàn)電壓從 0 V 突增至 750 V，必然會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成很大的電流沖擊以及 LC低頻振蕩[10-11]。牽引系統(tǒng)在支撐電容失電情況下恢復(fù)供電沖擊等效電路如圖 4 所示，該沖擊電流可能損壞直流支撐電容，甚至觸發(fā)高速斷路器動(dòng)作，進(jìn)而引起系統(tǒng)重故障，造成系統(tǒng)停機(jī)。此外，地鐵車(chē)輛在穿越斷電區(qū)時(shí)，由于供電電壓突變還可能引起燃弧、集電靴熔斷器損壞、接觸軌防護(hù)罩移位、牽引制動(dòng)異常等一系列故障[12]。

　　按照表 1 中地鐵永磁同步牽引系統(tǒng)參數(shù)，進(jìn)行電容失電情況下供電電壓恢復(fù)的仿真分析，牽引系統(tǒng)直流側(cè)仿真波形如圖 5 所示。可以看出，母線(xiàn)電壓由 0 V 突增至 850 V 時(shí)，瞬間沖擊電流達(dá)到 400 A，同時(shí)直流側(cè)電壓電流產(chǎn)生 LC 振蕩，降低了平波電抗器和支撐電容的壽命。

　　當(dāng)前地鐵線(xiàn)路采取的斷電區(qū)穿越控制策略主要可分為兩大類(lèi)：

　　第一大類(lèi)，車(chē)輛以牽引系統(tǒng)關(guān)閉并且主接觸器(包含圖 1 中充電接觸器和短接接觸器)分閘狀態(tài)通過(guò)斷電區(qū)，其中，主接觸器分閘又可分為主動(dòng)分閘和故障分閘兩小類(lèi)：①主動(dòng)分閘，即在車(chē)輛進(jìn)入斷電區(qū)之前主動(dòng)將接觸器分閘(如前文提到的依靠司機(jī)操作);②故障分閘，即系統(tǒng)進(jìn)入斷電區(qū)，檢測(cè)到母線(xiàn)電壓過(guò)低，判定為欠電壓故障后主接觸器自動(dòng)分閘。無(wú)論是主動(dòng)分閘還是故障分閘，牽引系統(tǒng)的主接觸器以分閘狀態(tài)通過(guò)斷電區(qū)后，需要按照正常啟動(dòng)流程執(zhí)行充電接觸器合閘、電容電壓充電至母線(xiàn)電壓的 80%以上、短接接觸器合閘這三步操作(電容電壓充電的三步常規(guī)流程)，然后牽引系統(tǒng)再恢復(fù)運(yùn)行。

　　第二大類(lèi)，即車(chē)輛通過(guò)斷電區(qū)時(shí)主接觸器一直保持合閘狀態(tài)，由于過(guò)斷電區(qū)之前不用分閘，過(guò)斷電區(qū)之后也不用執(zhí)行電容電壓充電的三步流程。采用該類(lèi)策略時(shí)，進(jìn)入斷電區(qū)后，需要將牽引系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩迅速降到 0，以避免支撐電容上的電能被迅速消耗掉。

　　對(duì)于第一大類(lèi)斷電區(qū)穿越控制策略，由于接觸器需要分閘，機(jī)械開(kāi)關(guān)動(dòng)作會(huì)降低元器件使用壽命。對(duì)于異步電機(jī)牽引系統(tǒng)，這種操作方式尚可接受;而對(duì)于永磁同步牽引系統(tǒng)，直流側(cè)主接觸器斷開(kāi)、變頻器停機(jī)后，永磁同步牽引系統(tǒng)可能工作在不控整流狀態(tài)，使支撐電容電壓迅速抬高，對(duì)系統(tǒng)正常工作產(chǎn)生不利影響。

　　對(duì)于第二大類(lèi)斷電區(qū)穿越控制策略，需要通過(guò)控制電機(jī)的電流使其輸出的轉(zhuǎn)矩為零，由于母線(xiàn)已經(jīng)和支撐電容斷開(kāi)且支撐電容的電壓處于不控狀態(tài)(或者叫開(kāi)環(huán)狀態(tài))，所以?xún)H僅控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為零(需要考慮對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制精度)，轉(zhuǎn)矩控制精度可能引起電容電壓波動(dòng)，無(wú)法保證電容電壓一直保持在 750 V 附近。駛離斷電區(qū)供電電壓恢復(fù)時(shí)，最?lèi)毫拥那闆r下支撐電容上的電能耗盡，母線(xiàn)電壓從 0 V 突增至 750 V 附近，會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生劇烈沖擊。

　　3 基于穩(wěn)壓穿越的斷電區(qū)控制策略

　　3.1 穩(wěn)壓控制器設(shè)計(jì)

　　為了減小地鐵車(chē)輛穿越斷電區(qū)時(shí)母線(xiàn)電壓突變引起的系統(tǒng)沖擊，降低對(duì)司機(jī)的依賴(lài)程度，避免關(guān)閉牽引系統(tǒng)斷開(kāi)接觸器，本文提出一種利用整流發(fā)電穩(wěn)定母線(xiàn)電壓穿越斷電區(qū)的控制策略。牽引系統(tǒng)檢測(cè)到車(chē)輛進(jìn)入斷電區(qū)，系統(tǒng)不再執(zhí)行司控室發(fā)來(lái)的轉(zhuǎn)矩指令(實(shí)際運(yùn)行中由于供電電壓跌落，系統(tǒng)也無(wú)法繼續(xù)執(zhí)行原指令)，利用車(chē)輛的超大慣性使永磁同步牽引系統(tǒng)進(jìn)入整流發(fā)電狀態(tài)，將直流母線(xiàn)電壓穩(wěn)定在供電電壓附近，從而在供電電壓恢復(fù)時(shí)可以大大降低電壓突變引起的沖擊。車(chē)輛駛離斷電區(qū)后，牽引系統(tǒng)退出整流發(fā)電狀態(tài)，恢復(fù)至正常牽引狀態(tài)，重新執(zhí)行司控室發(fā)來(lái)的轉(zhuǎn)矩指令。

　　根據(jù)前面的分析，車(chē)輛經(jīng)過(guò)斷電區(qū)時(shí)，母線(xiàn)電壓 uL 會(huì)瞬間跌落，而電容電壓 udc 變化相對(duì)較慢，因此，可以根據(jù)母線(xiàn)電壓的變化情況判斷地鐵車(chē)輛是否進(jìn)入了斷電區(qū)[13]。牽引系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)母線(xiàn)電壓額定值為 750 V，由于供電線(xiàn)路電壓存在波動(dòng)，允許母線(xiàn)電壓變化范圍為 500～900 V，因此，設(shè)置母線(xiàn)電壓低于 450 V 作為進(jìn)入斷電區(qū)的判斷條件。

　　車(chē)輛進(jìn)入斷電區(qū)后，系統(tǒng)由正常牽引控制模式切換至斷電區(qū)穿越控制模式，此時(shí)電機(jī)處于整流發(fā)電狀態(tài)，電容電壓及母線(xiàn)電壓穩(wěn)定在目標(biāo)值。為盡量減小供電電壓恢復(fù)時(shí)母線(xiàn)電壓突變對(duì)牽引系統(tǒng)的沖擊，設(shè)定穩(wěn)壓控制器的控制目標(biāo)為母線(xiàn)電壓額定值 750 V。由于支撐電容上基本沒(méi)有消耗能量的路徑，需要的功率非常小，當(dāng)轉(zhuǎn)矩指令為正值時(shí)，永磁電機(jī)消耗能量，電容電壓下降;轉(zhuǎn)矩指令為負(fù)值時(shí)，永磁電機(jī)惰行發(fā)電，能夠向電容回饋能量，電容電壓上升[14-15]。因此，將電容電壓作為閉環(huán)控制量，通過(guò) PI 控制器生成對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩指令，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)電容電壓的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。地鐵永磁同步牽引系統(tǒng)斷電區(qū)穿越穩(wěn)壓控制器如圖 6 所示。

　　在圖 6 所示的斷電區(qū)穿越穩(wěn)壓控制器框圖中，系統(tǒng)給定值 * dc u 是支撐電容電壓的目標(biāo)值，同時(shí)也是預(yù)期的母線(xiàn)電壓目標(biāo)值，系統(tǒng)反饋值 udc 是實(shí)際采樣得到的支撐電容電壓值，PI 調(diào)節(jié)器生成對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩指令 * Te ，通過(guò)轉(zhuǎn)矩指令控制電機(jī)牽引或制動(dòng)，從支撐電容耗電或者向支撐電容充電，從而調(diào)節(jié)電容電壓達(dá)到穩(wěn)定值。

　　當(dāng)?shù)罔F車(chē)輛駛離斷電區(qū)，而牽引系統(tǒng)并未下達(dá)由斷電區(qū)穿越模式切換至正常運(yùn)行模式指令時(shí)，由于集電靴重新從接觸軌受電，母線(xiàn)電壓 uL 以及電容電壓 udc 實(shí)際由接觸軌供電電壓決定[16-17]。此時(shí) PI 調(diào)節(jié)器達(dá)到飽和，穩(wěn)壓控制器無(wú)法繼續(xù)調(diào)節(jié)電容電壓，轉(zhuǎn)矩指令為調(diào)節(jié)器允許輸出的極值。如果母線(xiàn)電壓低于電容電壓給定，電壓調(diào)節(jié)負(fù)向飽和，轉(zhuǎn)矩給定為 PI 調(diào)節(jié)器允許輸出的最小值(負(fù)轉(zhuǎn)矩);如果母線(xiàn)電壓高于電容電壓給定，電壓調(diào)節(jié)正向飽和，轉(zhuǎn)矩給定為 PI 調(diào)節(jié)器允許輸出的最大值(正轉(zhuǎn)矩)。因此，在斷電區(qū)穿越控制模式供電電壓恢復(fù)調(diào)節(jié)器達(dá)到飽和后，并不會(huì)影響系統(tǒng)運(yùn)行，牽引系統(tǒng)按照設(shè)定的最大最小轉(zhuǎn)矩值恒指令運(yùn)行，待系統(tǒng)給出退出斷電區(qū)指令后再恢復(fù)正常運(yùn)行。

　　3.2 斷電區(qū)穿越控制模型

　　從圖 6 可以發(fā)現(xiàn)，斷電區(qū)穿越模式的控制目標(biāo)為電容電壓，與正常牽引模式的區(qū)別在于不再執(zhí)行司控室的轉(zhuǎn)矩指令，而是通過(guò)穩(wěn)壓控制器對(duì)電容電壓的調(diào)節(jié)得到轉(zhuǎn)矩指令。因此，牽引系統(tǒng)處于斷電區(qū)穿越模式時(shí)，電流內(nèi)環(huán)的控制方式與正常牽引模式是相同的，只需要在正常牽引模式的基礎(chǔ)上增加電壓外環(huán)調(diào)節(jié)，便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)斷電區(qū)穿越的控制。

　　在 dq 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，永磁同步牽引系統(tǒng)電壓與電流的關(guān)系[18-19]為 d d s d d re q q q q s q q re d d re f d d d d i u R i L L i t i u R i L L i t ?? ? ??? ? ? ???? ? ? ? ? ?? (1)式中，ud、uq 分別為 d、q 軸電壓;id、iq 分別為 d、 q 軸電流;Ld、Lq 分別為 d、q 軸電感;Rs 為定子電阻;?re 為電角速度;?f 為轉(zhuǎn)子磁。根據(jù)式(1)中電壓與電流關(guān)系式，可以得到永磁同步牽引系統(tǒng)電流內(nèi)環(huán)控制框圖如圖 7 所示。

　　據(jù)此，可以得到電流內(nèi)環(huán)的傳遞函數(shù)，d、q 軸開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù) Gid 和 Giq 分別為 iid id pid d s iiq iq piq q s 1 ( ) 1 ( ) k G s k s sL R k G s k s sL R ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? (2)式中，kpid 和 kiid 為 d 軸的 PI 參數(shù);kpiq 和 kiiq 為 q 軸的 PI 參數(shù)。由于系統(tǒng)在正常牽引模式和斷電區(qū)穿越模式電流內(nèi)環(huán)的控制方式一致，所以，可以得到永磁同步牽引系統(tǒng)穩(wěn)壓穿越斷電區(qū)的整體控制框圖如圖 8 所示。在斷電區(qū)穿越控制模式時(shí)，轉(zhuǎn)矩指令 * Te 由穩(wěn)壓控制器生成，而在正常牽引控制模式時(shí)，轉(zhuǎn)矩指令 * Te 由司控室下達(dá)。

　　根據(jù)上面的分析，地鐵車(chē)輛駛離斷電區(qū)后，供電電壓恢復(fù)，穩(wěn)壓控制器中電壓外環(huán)調(diào)節(jié)器會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)，所以可以將電壓外環(huán)調(diào)節(jié)器進(jìn)入飽和狀態(tài)并保持一段時(shí)間，作為系統(tǒng)由斷電區(qū)模式重新進(jìn)入牽引模式的判定條件。考慮到在極特殊情況下，如果母線(xiàn)電壓出現(xiàn)擾動(dòng)，電壓外環(huán)調(diào)節(jié)器也可能出現(xiàn)瞬間飽和的狀態(tài)[20]。因此，系統(tǒng)退出斷電區(qū)模式進(jìn)入正常牽引模式還設(shè)置了第二個(gè)保底條件，即保持?jǐn)嚯妳^(qū)模式運(yùn)行設(shè)定的固定時(shí)間后退出。兩個(gè)條件配合使用既保證了控制模式識(shí)別的效率，又保證了控制模式切換的可靠性。此外，考慮到接觸軌自身出現(xiàn)供電丟失引起系統(tǒng)進(jìn)入斷電區(qū)模式的情況，當(dāng)牽引系統(tǒng)給出退出斷電區(qū)穿越模式回到正常牽引模式指令后，如果供電電壓依然沒(méi)有恢復(fù)，即系統(tǒng)再次檢測(cè)到母線(xiàn)電壓過(guò)低，則判定為供電丟失，牽引系統(tǒng)報(bào)欠電壓故障并停止運(yùn)行。

　　4 仿真與試驗(yàn)

　　4.1 斷電區(qū)穿越仿真分析

　　為了對(duì)本文提出的基于穩(wěn)壓穿越斷電區(qū)控制策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證，基于 PLECS 平臺(tái)搭建了地鐵永磁同步牽引系統(tǒng)仿真模型。考慮到供電電壓波動(dòng)范圍為 500～900 V，為將母線(xiàn)電壓波動(dòng)與電容電壓間形成突變的影響考慮在內(nèi)，設(shè)置母線(xiàn)電壓為 850 V。在實(shí)際線(xiàn)路運(yùn)行中，車(chē)輛通過(guò)斷電區(qū)時(shí)間在 1 s 左右，由于試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)條件限制，直流供電需要人為操作開(kāi)關(guān)，難以在 1 s 內(nèi)實(shí)現(xiàn)供電開(kāi)關(guān)斷開(kāi)并重新合閘的過(guò)程，為便于實(shí)現(xiàn)在斷電區(qū)穿越模式內(nèi)完成供電電壓的恢復(fù)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)定斷電區(qū)模式保持時(shí)間為 5 s。為保證仿真與試驗(yàn)環(huán)境一致，仿真分析時(shí)設(shè)置斷電區(qū)模式保持時(shí)間也為 5 s，母線(xiàn)電壓恢復(fù)時(shí)間為 2.5 s。

　　地鐵永磁同步牽引系統(tǒng)斷電區(qū)穿越仿真參數(shù)見(jiàn)表 2。 依據(jù)表 2 中仿真參數(shù)，分別以不采取任何策略直接通過(guò)斷電區(qū)和采用本文提出的穩(wěn)壓策略通過(guò)斷電區(qū)兩種方式，進(jìn)行相同工況下地鐵永磁同步牽引系統(tǒng)斷電區(qū)穿越仿真分析，其中，直接通過(guò)斷電區(qū)策略選取可能出現(xiàn)的最?lèi)毫庸r，即在支撐電容上的電能完全耗盡時(shí)恢復(fù)供電，兩種策略下斷電區(qū)穿越過(guò)程中電壓、轉(zhuǎn)矩及電流仿真波形分別如圖 9 和圖 10 所示。

　　從圖 9 仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，不采取任何策略直接通過(guò)斷電區(qū)時(shí)，當(dāng)供電電壓丟失，牽引系統(tǒng)以零轉(zhuǎn)矩運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)斷電區(qū)，待供電電壓恢復(fù)時(shí)，由于母線(xiàn)電壓突變，轉(zhuǎn)矩和電流響應(yīng)均出現(xiàn)劇烈沖擊，直流側(cè)電壓也出現(xiàn)振蕩，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定，同時(shí)會(huì)降低器部件使用壽命。

　　從圖 10 仿真波形可以看出，地鐵車(chē)輛在 4 s 時(shí)刻進(jìn)入斷電區(qū)，系統(tǒng)檢測(cè)到母線(xiàn)電壓低于 450 V 時(shí)，牽引系統(tǒng)切換至斷電區(qū)穿越控制模式，穩(wěn)壓控制器開(kāi)始工作，由于此時(shí)電容電壓較低，系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩，向電容充電，電容電壓 0.5 s 內(nèi)穩(wěn)定至 750 V，此時(shí)系統(tǒng)功率很小，因而電機(jī)轉(zhuǎn)矩基本為零。6.5 s 時(shí)刻車(chē)輛駛離斷電區(qū)，供電電壓恢復(fù)，母線(xiàn)電壓和電容電壓均恢復(fù)到供電電壓值 850 V，穩(wěn)壓控制器達(dá)到飽和，由于此時(shí)還處于斷電區(qū)穿越控制模式，電機(jī)按照調(diào)節(jié)器允許最大轉(zhuǎn)矩 100 N·m 運(yùn)行。9 s 時(shí)刻牽引系統(tǒng)給出退出斷電區(qū)穿越模式恢復(fù)正常牽引模式指令后，牽引系統(tǒng)按照司控室下達(dá)轉(zhuǎn)矩指令繼續(xù)運(yùn)行，轉(zhuǎn)矩和電流均恢復(fù)正常。

　　仿真結(jié)果表明，在牽引系統(tǒng)穿斷電區(qū)的過(guò)程中，采用本文提出的穩(wěn)壓控制策略，電流沒(méi)有出現(xiàn)明顯沖擊，電壓和轉(zhuǎn)矩也沒(méi)有出現(xiàn)振蕩，仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文所提出的斷電區(qū)穿越控制策略能夠使地鐵車(chē)輛在不關(guān)閉牽引系統(tǒng)不斷開(kāi)主接觸器的情況下穩(wěn)定通過(guò)斷電區(qū)。

　　4.2 斷電區(qū)穿越試驗(yàn)驗(yàn)證

　　為檢驗(yàn)所提控制策略在地鐵車(chē)輛實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中斷電區(qū)穿越的控制效果，搭建了如圖 11 所示永磁同步牽引系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)模擬供電電壓斷電構(gòu)造斷電區(qū)工況。參照仿真條件設(shè)置，斷電區(qū)穿越試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表 3。

　　按照表 3 中參數(shù)進(jìn)行地鐵永磁同步牽引系統(tǒng)斷電區(qū)穿越試驗(yàn)驗(yàn)證，基于本文所提穩(wěn)壓穿越控制策略，牽引系統(tǒng)從進(jìn)入斷電區(qū)到恢復(fù)正常運(yùn)行的試驗(yàn)波形如圖 12 所示。可以看出，5 s 時(shí)刻供電電壓丟失，母線(xiàn)電壓瞬間跌落，低于 450 V 時(shí)系統(tǒng)判斷車(chē)輛進(jìn)入斷電區(qū)，切換至斷電區(qū)穿越控制模式，穩(wěn)壓控制器通過(guò)對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)使電容電壓迅速穩(wěn)定至 750 V。7.5 s 時(shí)刻恢復(fù)供電，母線(xiàn)電壓恢復(fù)至 850 V，系統(tǒng)依然處于斷電區(qū)穿越控制模式，此時(shí)調(diào)節(jié)器飽和，系統(tǒng)按照設(shè)定轉(zhuǎn)矩最大值 100 N·m 運(yùn)行，由于功率較小，母線(xiàn)電壓依然維持在 850 V。10 s 時(shí)刻由斷電區(qū)穿越模式恢復(fù)正常牽引模式，牽引系統(tǒng)按照司控室下達(dá)的轉(zhuǎn)矩指令正常運(yùn)行，斷電區(qū)順利通過(guò)。試驗(yàn)波形中，10～10.7 s 母線(xiàn)電壓下降是由于試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)大功率運(yùn)行時(shí)供電電壓被拉低，與本文控制策略的選用沒(méi)有關(guān)系。分析結(jié)果表明，地鐵車(chē)輛永磁同步牽引系統(tǒng)穿越斷電區(qū)的過(guò)程中，響應(yīng)迅速，電壓轉(zhuǎn)矩及電流波形都沒(méi)有出現(xiàn)明顯的沖擊和振蕩，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致，驗(yàn)證了本文提出的基于穩(wěn)壓穿越斷電區(qū)控制策略的可行性。

　　本文所提出的斷電區(qū)穿越控制策略，依據(jù)母線(xiàn)電壓幅值的跌落判斷車(chē)輛是否進(jìn)入斷電區(qū)，當(dāng)母線(xiàn)電壓幅值滿(mǎn)足 uL<450V 時(shí)，則判斷地鐵車(chē)輛進(jìn)入斷電區(qū)。根據(jù)仿真和試驗(yàn)分析，從母線(xiàn)電壓跌落到系統(tǒng)進(jìn)入斷電區(qū)控制模式的時(shí)間只需要幾個(gè) ms。系統(tǒng)一旦進(jìn)入斷電區(qū)穿越控制模式，電壓調(diào)節(jié)器開(kāi)始工作，此時(shí)供電電壓不再影響系統(tǒng)運(yùn)行，系統(tǒng)可以一直以斷電區(qū)模式穩(wěn)定運(yùn)行，直到牽引系統(tǒng)檢測(cè)到供電電壓恢復(fù)并發(fā)出退出指令后，系統(tǒng)退出斷電區(qū)穿越模式恢復(fù)到正常牽引模式。根據(jù)實(shí)際線(xiàn)路條件，列車(chē)穿越斷電區(qū)的時(shí)間通常在 0.5～1 s 左右，而系統(tǒng)進(jìn)入斷電區(qū)穿越模式只需要 ms 級(jí)時(shí)間，所以，系統(tǒng)有充裕的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)入斷電區(qū)控制模式，本文設(shè)計(jì)斷電區(qū)穿越時(shí)間為 5 s，只為便于試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)供電電源的人為操作。因此，斷電區(qū)長(zhǎng)度不同，或車(chē)輛通過(guò)斷電區(qū)速度不同，只會(huì)影響牽引系在斷電區(qū)穿越模式的運(yùn)行時(shí)間，并不會(huì)影響采用本文策略穿越斷電區(qū)的控制效果。

　　為進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)際線(xiàn)路供電出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，牽引系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確識(shí)別并報(bào)出欠電壓故障的控制效果。在系統(tǒng)正常運(yùn)行過(guò)程中，模擬供電電壓中斷，并且不再恢復(fù)供電，試驗(yàn)波形如圖 13 所示。

　　從圖 13 試驗(yàn)波形可以看出，牽引系統(tǒng)在 8 s 時(shí)刻第一次檢測(cè)到母線(xiàn)電壓低于 450 V 時(shí)，切換至斷電區(qū)穿越控制模式，通過(guò)穩(wěn)壓控制器調(diào)節(jié)母線(xiàn)電壓穩(wěn)定在額定值 750 V，13 s 時(shí)刻退出斷電區(qū)控制模式切換至正常牽引模式后，再次檢測(cè)到母線(xiàn)電壓低于 450 V，判定供電電壓并未恢復(fù)，并報(bào)出線(xiàn)路欠電壓故障。在整個(gè)過(guò)程中，系統(tǒng)響應(yīng)穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所提出的控制策略能夠在發(fā)生供電故障時(shí)使系統(tǒng)平穩(wěn)停機(jī)，準(zhǔn)確報(bào)出欠電壓故障。

　　5 結(jié)論

　　本文針對(duì)軌道交通車(chē)輛永磁同步牽引系統(tǒng)斷電區(qū)穿越問(wèn)題，分析了斷電區(qū)的產(chǎn)生原因及具體工況，給出了車(chē)輛進(jìn)入與退出斷電區(qū)的判斷條件，并設(shè)計(jì)了基于穩(wěn)壓穿越的斷電區(qū)控制策略，通過(guò)調(diào)節(jié)牽引系統(tǒng)工作在整流發(fā)電或正常牽引模式，維持支撐電容電壓和母線(xiàn)電壓穩(wěn)定在額定值，從而避免經(jīng)過(guò)斷電區(qū)時(shí)關(guān)閉牽引系統(tǒng)斷開(kāi)主接觸器，并且在牽引系統(tǒng)重新接入供電時(shí)降低母線(xiàn)電壓突變引起的沖擊和振蕩。以北京地鐵某線(xiàn)路為例進(jìn)行了仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的基于穩(wěn)壓穿越斷電區(qū)的控制策略能夠支持地鐵車(chē)輛在不關(guān)閉牽引系統(tǒng)保持接觸器合閘的條件下平穩(wěn)穿越斷電區(qū)，提高了牽引系統(tǒng)的控制性能，降低了故障發(fā)生率，同時(shí)，在檢測(cè)到供電電壓丟失時(shí)，也能準(zhǔn)確報(bào)出欠電壓故障，增加了地鐵永磁同步牽引系統(tǒng)的特色優(yōu)勢(shì)。