基于諧波消除的矢量控制在地鐵牽引逆變器中的應(yīng)用

楊北輝， 王輝華， 吳能峰, 唐傳明

(深圳市英威騰交通技術(shù)有限公司， 廣東深圳， 518055)

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基于諧波消除的矢量控制在地鐵牽引逆變器中的應(yīng)用

楊北輝， 王輝華， 吳能峰, 唐傳明

(深圳市英威騰交通技術(shù)有限公司， 廣東深圳， 518055)

針對(duì)地鐵牽引系統(tǒng)的特殊工況，研制了基于諧波消除的矢量控制的地鐵牽引系統(tǒng)逆變器。本文介紹了控制系統(tǒng)的基本參數(shù)和性能，該系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)差矢量控制的控制策略和基于諧波消除的PWM的調(diào)制方式。試驗(yàn)表明：該系統(tǒng)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速，牽引制動(dòng)平穩(wěn)可靠，滿足地鐵牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

諧波消除； 地鐵牽引系統(tǒng)； 轉(zhuǎn)差矢量控制

隨著中國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展,城市規(guī)模越來越大，城市擁堵問題也日益突出。地鐵作為城市快速交通的主要工具，以其高速、安全、便利等優(yōu)點(diǎn)越來越受到重視。我國通過多年的引進(jìn)吸收和自主創(chuàng)新，地鐵牽引系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自主研發(fā)和制造。本文將介紹基于諧波消除的矢量控制在自主化電氣牽引系統(tǒng)中的應(yīng)用。

大功率電力牽引通常采用的IGBT器件開關(guān)頻率在1 kHz以下,通常采用磁場(chǎng)定向矢量控制的轉(zhuǎn)矩控制方案，這對(duì)逆變器的矢量控制和PWM調(diào)制算法提出了更高要求。首先，列車在寬速度范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)矢量控制的有效性必須得到保證；然后就是緊湊的結(jié)構(gòu)和惡劣的散熱條件要求盡量降低IGBT開關(guān)頻率，需要采用多種不同的調(diào)制策略以滿足對(duì)直流母線電壓利用率的要求；還有就是對(duì)逆變器諧波要求越來越高。

對(duì)轉(zhuǎn)差矢量控制方案進(jìn)行了理論分析、推導(dǎo)，限于篇幅僅對(duì)諧波消除進(jìn)行了一般性分析，給出了地鐵牽引逆變器調(diào)制策略。利用大功率IGBT牽引逆變器、組合試驗(yàn)平臺(tái)以及地鐵列車現(xiàn)車試驗(yàn)，開展各種工況下的試驗(yàn)研究，表明該控制系統(tǒng)能夠滿足地鐵牽引系統(tǒng)的技術(shù)要求。

1 自主化地鐵牽引系統(tǒng)概要

自主化地鐵牽引系統(tǒng)主電路采用二電平電壓型直-交逆變電路。車輛采用4動(dòng)2拖的編組模式，每輛動(dòng)車裝有1臺(tái)VVVF牽引逆變器箱，逆變器采用集中式設(shè)計(jì)，逆變器裝有隔離接地開關(guān)、高速斷路器、濾波電抗、接觸器、功率單元、制動(dòng)電阻等模塊，向2個(gè)轉(zhuǎn)向架的4臺(tái)并聯(lián)的異步牽引電動(dòng)機(jī)供電(1C4M)。主要技術(shù)參數(shù)見表1。

VVVF逆變器通過矢量控制的方式調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓和頻率可獲得類似于直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛的運(yùn)行性能。圖1 為VVVF牽引逆變器控制列車的一般特性曲線。曲線分為6種控制模式。

表1 牽引系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

圖1 車輛運(yùn)行特性曲線

1.1 牽引工況

(1)恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域

逆變器電壓U增加時(shí)，增加頻率f，控制U/f比值和轉(zhuǎn)差頻率fs為常數(shù)。轉(zhuǎn)子電流IR和轉(zhuǎn)矩T保持恒定，車輛以恒定加速度牽引。

(2)恒功率區(qū)域

當(dāng)電壓增加到接近逆變器輸出最大值時(shí)，電壓不能再增加,而僅增加頻率將使電機(jī)轉(zhuǎn)子電流減小。因此該區(qū)域通過增加轉(zhuǎn)差頻率，使得轉(zhuǎn)子電流保持恒定。轉(zhuǎn)子電流IR和逆變器電壓U恒定，電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比,車輛以較低加速度牽引。

(3)電機(jī)特性控制

牽引電機(jī)恒功率控制受限于轉(zhuǎn)差頻率的限制，當(dāng)轉(zhuǎn)差頻率不能再增加時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入電機(jī)特性區(qū)，轉(zhuǎn)差頻率fs保持在最大值，輸出電壓U保持不變，電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速平方成反比。車輛以低加速度牽引。

1.2 制動(dòng)工況

再生制動(dòng)過程與此前描述的牽引控制模式相反，轉(zhuǎn)差頻率fs控制在負(fù)范圍(逆變器頻率低于電機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率)

(1)電機(jī)特性區(qū)域

降低逆變器頻率，保持轉(zhuǎn)差頻率fs恒定。制動(dòng)轉(zhuǎn)矩T逐步增加，轉(zhuǎn)子電流IR逐步增加，逆變器輸出電壓U恒定，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩以轉(zhuǎn)速平方成反比，車輛以較低減速度制動(dòng)。

(2)恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域(1)

制動(dòng)轉(zhuǎn)矩增加到特定值后，減小轉(zhuǎn)差頻率fs，將轉(zhuǎn)子電流IR逐漸降低以保持制動(dòng)轉(zhuǎn)矩T恒定，車輛以恒定減速度制動(dòng)。

(3)恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域(2)

模式F也是恒定制動(dòng)轉(zhuǎn)矩模式。逆變器電壓U減小時(shí)，同時(shí)減小頻率f，控制U/f比值和轉(zhuǎn)差頻率fs為常數(shù)。轉(zhuǎn)子電流IR和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩T保持恒定，車輛以恒定減速度制動(dòng)。

2 基于諧波消除的轉(zhuǎn)差頻率矢量控制

2.1 轉(zhuǎn)差頻率矢量控制

牽引逆變器中對(duì)牽引電機(jī)的控制實(shí)質(zhì)是對(duì)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的控制，本系統(tǒng)采用了轉(zhuǎn)差頻率矢量控制方法，在有些文獻(xiàn)中又被稱為間接磁場(chǎng)定向控制或磁場(chǎng)前饋控制，由于其控制簡單、轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定可靠，在工業(yè)應(yīng)用中比較流行。

根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，為簡單起見，這里忽略轉(zhuǎn)子漏感，此時(shí)轉(zhuǎn)子磁鏈和氣隙磁鏈相等。電機(jī)穩(wěn)態(tài)下等效電路如圖2所示。

圖中，u和i為電壓和電流；L,R,ω,ψ分別為電感、電阻、角速度和磁鏈；下標(biāo)中的s，r，m為定子、轉(zhuǎn)子和磁場(chǎng)量；id和iq分別為勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流。

牽引電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩電機(jī)可由式(1)求出：

(1)

從式(1)可以得知，電磁轉(zhuǎn)矩Te除與牽引電機(jī)自身固有參數(shù)K1有關(guān)之外，還與轉(zhuǎn)子磁鏈幅值|ψr|和轉(zhuǎn)矩電流

圖2 牽引電機(jī)等效電路圖

iqs有關(guān)。因此，為了得到恒定的電磁轉(zhuǎn)矩Te，必須對(duì)|ψr|和轉(zhuǎn)矩電流iqs分別進(jìn)行控制。

如圖3所示，ds—qs為靜止坐標(biāo)系固定在定子上，轉(zhuǎn)子軸dr—qr以角速度ωr旋轉(zhuǎn)，de—qe為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系比dr—qr，超前一個(gè)轉(zhuǎn)差頻率角θsl，轉(zhuǎn)子磁鏈相對(duì)于轉(zhuǎn)子以速度ωsl旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)差頻率矢量控制通過計(jì)算轉(zhuǎn)差頻率得到轉(zhuǎn)子磁鏈。

圖3 轉(zhuǎn)差頻率矢量控制原理

(2)

(3)

把定子電流勵(lì)磁分量ids定向到de軸上，定子電流轉(zhuǎn)矩定向到qe軸上，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)解耦控制。

(4)

(5)

(6)

圖3中，上標(biāo)s、e、r為靜止坐標(biāo)系、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系和轉(zhuǎn)子軸，下標(biāo)sl為轉(zhuǎn)差。

本系統(tǒng)所采用的轉(zhuǎn)差頻率矢量控制方法屬于間接控制轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的定向矢量控制。轉(zhuǎn)差頻率矢量控制原理框圖如圖4所示。該方法使用了定子電流的反饋控制，在異步和同步調(diào)制區(qū)通過對(duì)轉(zhuǎn)子和定子電阻估算獲得高性能。電機(jī)運(yùn)行在高速區(qū)時(shí)，逆變器工作為諧波消

圖4 轉(zhuǎn)差頻率矢量控制原理框圖

除或方波模式，電壓的幅值已不可調(diào)整,此時(shí)可通過電機(jī)弱磁控制來對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行規(guī)劃,以實(shí)現(xiàn)矢量控制。

在轉(zhuǎn)差計(jì)算時(shí)，假定轉(zhuǎn)子磁通恰好在de軸(轉(zhuǎn)子磁通的q軸分量為零)。根據(jù)式(5)可以確定產(chǎn)生所需要轉(zhuǎn)子磁鏈的勵(lì)磁電流給定ids*，根據(jù)式(6)可以確定電機(jī)的期望轉(zhuǎn)差ωsl*。將反饋電流(id，iq)分別與電流給定值(id*，iq*)進(jìn)行電流閉環(huán)，通過PID調(diào)節(jié)輸出變?yōu)檗D(zhuǎn)矩磁通電壓(Uq*、Ud*)，通過坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)換成電壓相位角(θp)和調(diào)制度(M)，然后把θp和θe相加得到最終輸出電壓的相位角θv，繼而進(jìn)行PWM調(diào)制輸出IGBT門極信號(hào)。通過對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁通電流的解耦控制，控制電機(jī)的d和q軸的電流以跟蹤給定電流，以維持轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定位，并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的瞬態(tài)控制。

在諧波消除或方波區(qū)域內(nèi)，因?yàn)殡妷菏噶糠挡荒苓M(jìn)行調(diào)整，所以采取磁鏈開環(huán)的控制策略。圖4的勵(lì)磁電流PID調(diào)節(jié)將被取消，根據(jù)轉(zhuǎn)矩電流PID調(diào)節(jié)輸出Uq*作為轉(zhuǎn)差的補(bǔ)償，構(gòu)成以相位角θp為主體的轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，這種區(qū)域內(nèi)運(yùn)行的矢量控制系統(tǒng)，類似于以往的轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)，但是由于進(jìn)行了解耦控制以及高速的矢量運(yùn)算，所以快速響應(yīng)性要比轉(zhuǎn)差頻率控制要好。因此，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制的高精度和快速響應(yīng)特性，從而形成全速度域的矢量控制系統(tǒng)。

2.2 PWM調(diào)制策略

對(duì)于地鐵牽引工況，線網(wǎng)電壓波動(dòng)較大,如何充分利用直流電壓,以期獲得最大輸出轉(zhuǎn)矩，特別是牽引電機(jī)運(yùn)行在高速弱磁階段時(shí)，為了獲得足夠的電壓，必須進(jìn)行過調(diào)制。在低速載波比較高時(shí)采用空間矢量調(diào)制(SVPWM)，能明顯減少逆變器輸出電流的諧波成分。中速段采用同步調(diào)制，保持載波信號(hào)與調(diào)制信號(hào)頻率比保持不變，一個(gè)周期內(nèi)電壓輸出的脈沖個(gè)數(shù)和相位是固定的。高速段采用諧波消除PWM同步調(diào)制，在提供輸出電壓同時(shí)可以對(duì)低次諧波輸出進(jìn)行抑制，最后過渡到方波。逆變器調(diào)制模式如圖5所示。

在特定消諧技術(shù)中，首先是根據(jù)人為設(shè)計(jì)的逆變器輸出波形的特點(diǎn)及擬消除諧波的次數(shù)和個(gè)數(shù)來建立輸出波形的數(shù)學(xué)模型，然后由數(shù)學(xué)模型求解開關(guān)角以得到所希望的輸出波形，從而達(dá)到使逆變器的輸出波形中不含擬消除次數(shù)及個(gè)數(shù)諧波的目的。波形正負(fù)兩半周期鏡像對(duì)稱，消除了偶次諧波，對(duì)于三相對(duì)稱系統(tǒng)，3的整數(shù)倍次諧波因同相而被自動(dòng)消除。因此只有非3的整數(shù)倍的奇次諧波才需要消除。

圖5 逆變器調(diào)制模式示意圖

以下以1/4周期波脈沖個(gè)數(shù)為3的例子來說明，如圖6所示，輸出電壓1/4周期內(nèi)，器件通、斷各3次(不包括0和π/2)，共3個(gè)開關(guān)時(shí)刻(α1，α2，α3)。

圖6 特定諧波消去法的輸出PWM波形

波形在半周期內(nèi)前后1/4周期以π/2為軸線對(duì)稱，消除諧波中余弦項(xiàng)，用傅里葉級(jí)數(shù)表示為：

(7)

(8)

如圖6，能獨(dú)立控制α1、α2、α3共3個(gè)時(shí)刻。該波形的an為

(9)

式中n=1,3,5,…

確定a1的值，再令兩個(gè)不同的an=0，就可建3個(gè)方程，求得α1、α2和α3。消去兩種特定頻率的諧波。

考慮消去5次和7次諧波，得如下聯(lián)立方程：

(10)

(11)

(12)

給定a1，解方程可得α1、α2、α3。

一般，在輸出電壓半周期內(nèi)器件通、斷各k次，考慮PWM波1/4周期對(duì)稱，除用一個(gè)控制基波幅值，可消去k-1個(gè)頻率的特定諧波。

2.3 空轉(zhuǎn)滑行控制技術(shù)

為抑制地鐵在牽引時(shí)空轉(zhuǎn)和制動(dòng)時(shí)滑行，系統(tǒng)引入了空轉(zhuǎn)滑行控制技術(shù)?？辙D(zhuǎn)滑行控制使用速度和計(jì)算加速度檢測(cè)空轉(zhuǎn)的方式。加速度是以速度的微分值來表示。

圖7 空轉(zhuǎn)檢測(cè)控制流程圖

利用反饋回來的電機(jī)速度計(jì)算出的車輪的實(shí)際速度，由實(shí)際速度變化推算反饋加速度，再根據(jù)給定力矩估算給定加速度。由估算加速度疊加一個(gè)允許的加速度誤差作為參考加速度限定值，當(dāng)前速度加上加速度限定值時(shí)間片內(nèi)積分作為速度限定值。為了盡量減少空轉(zhuǎn)或者滑行帶來的影響，我們將速度限定值作為變流器輸出前饋，這樣空轉(zhuǎn)或者滑行程度得到極大抑制。如果發(fā)生空轉(zhuǎn)或者滑行，摩擦阻力會(huì)減少，計(jì)算加速度會(huì)大于加速度限定值，速度也會(huì)立即達(dá)到限定值，當(dāng)速度達(dá)到當(dāng)前限定值時(shí)，變流器輸出頻率短時(shí)內(nèi)不再上升，反饋轉(zhuǎn)矩電流會(huì)減少，少于給定值，如果該狀態(tài)持續(xù)幾個(gè)周期，就認(rèn)為發(fā)生了空轉(zhuǎn)或者滑行。

空轉(zhuǎn)滑行控制模塊接收到空轉(zhuǎn)、滑行信號(hào)時(shí)首先將給定轉(zhuǎn)矩指令清0，等待一個(gè)預(yù)置的延時(shí)；第1階段黏著力恢復(fù)：根據(jù)前面計(jì)算的空轉(zhuǎn)滑行度，按斜率恢復(fù)轉(zhuǎn)矩力(70%，可設(shè)置)；延時(shí)等待黏著穩(wěn)定；第2階段黏著力恢復(fù)：按斜率恢復(fù)到給定轉(zhuǎn)矩；在黏著力恢復(fù)的過程中空轉(zhuǎn)滑行檢測(cè)模塊也會(huì)一直激活，如果出現(xiàn)空轉(zhuǎn)滑行狀態(tài)，立即進(jìn)入第一步。

3 地面試驗(yàn)

該牽引系統(tǒng)試驗(yàn)首先在牽引組合試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了地面試驗(yàn)，采用電機(jī)對(duì)耦拖動(dòng)，逆變器拖動(dòng)4臺(tái)電機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，分別模擬地鐵空載、輕載、重載、低恒速工況。

電機(jī)試驗(yàn)波形見圖8,諧波消除測(cè)試結(jié)果見圖9。

試驗(yàn)結(jié)果表明，牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制穩(wěn)定；電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速、穩(wěn)態(tài)性能良好，低次電流諧波含量得到有效控制，特別是5次和7次諧波基本控制在1%以下。

圖8 線路模擬牽引、惰行、制動(dòng)工況

圖9 諧波消除模式(67 Hz)諧波測(cè)量圖

4 現(xiàn)場(chǎng)車輛試驗(yàn)

裝載本牽引系統(tǒng)的A型地鐵車輛在車輛廠和地鐵公司現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了AW0、AW2、AW3試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。圖10為列車AW3工況下列車典型區(qū)間牽引制動(dòng)特性試驗(yàn)圖。

通過軌道灑水的方法進(jìn)行空轉(zhuǎn)滑行黏著恢復(fù)控制試驗(yàn)，列車防空轉(zhuǎn)滑行效果滿足列車技術(shù)要求。圖11為防空轉(zhuǎn)防滑行試驗(yàn)波形圖。

圖10 AW3牽引制動(dòng)特性試驗(yàn)

圖11 防空轉(zhuǎn)防滑行試驗(yàn)

5 結(jié)束語

基于諧波消除的矢量控制系統(tǒng)在地鐵A型系統(tǒng)成功應(yīng)用，為我國地鐵裝備自主化做出了貢獻(xiàn)。通過地面和現(xiàn)場(chǎng)車輛試驗(yàn)，該系統(tǒng)能夠很好地滿足地鐵A型車牽引制動(dòng)特性要求，特別是其諧波消除控制策略，具有推廣價(jià)值。

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Application of Vector Control Based on Harmonic Elimination in Metro Traction Inverter

YANGBeihui,WANGHuihua,WUNengfeng，TANGChuanming

(Shenzhen INVT Transportation Systems Co., Ltd., Shenzhen 518055 Guangdong, China)

A metro traction inverter system of vector control base on harmonic elimination technology was developed for special conditions of metro traction system. The slip vector control strategy and the PWM modulation method based on the harmonic elimination were used in this system. The paper introduces the basic parameters and the performance of the control system, and carries out some tests. The tests show that the inverter system has many advantages such as large starting torque, fast torque response, stable and reliable traction & brake, which can meet the design requirements of metro traction system.

harmonic elimination; metro traction system; slip vector control

1008-7842 (2015) 03-0100-05

??)男，高級(jí)工程師(

2014-12-08)

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.25