高速動(dòng)車組牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)仿真研究

朱琴躍 陳江斌 成林坤 周云光

(同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，201804，上海∥第一作者，副教授)

CRH380A型動(dòng)車組是在CRH2C型電力動(dòng)車組基礎(chǔ)上自主研發(fā)的新型動(dòng)車組。相比于其它CRH系列動(dòng)車組，CRH380A的持續(xù)運(yùn)行速度可達(dá)380 km/h，運(yùn)行速度得到了很大的提升。為保證動(dòng)車組高速、穩(wěn)定、安全地運(yùn)行，必須采用先進(jìn)、成熟的牽引傳動(dòng)系統(tǒng)以及更為合理的牽引傳動(dòng)控制策略。但我國(guó)在高性能牽引傳動(dòng)系統(tǒng)上的研發(fā)能力較為欠缺，許多關(guān)鍵部件依舊需要從國(guó)外進(jìn)口，重要技術(shù)也依舊依賴國(guó)外的技術(shù)支持。因此，要發(fā)展高性能、具備完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高速動(dòng)車組需對(duì)其牽引傳動(dòng)系統(tǒng)及控制策略作深入研究。基于此，本文以CRH380A型動(dòng)車組為研究對(duì)象，對(duì)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理和控制策略進(jìn)行分析和建模，探討仿真模型在不同工況下的運(yùn)行特性并獲得相應(yīng)結(jié)論，為牽引傳動(dòng)系統(tǒng)中關(guān)鍵部件及核心技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

1 牽引傳動(dòng)系統(tǒng)主電路基本工作原理

CRH380A型動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)主要由變壓器、四象限脈沖整流器、中間直流環(huán)節(jié)、牽引逆變器和異步電機(jī)等組成，其系統(tǒng)能量流動(dòng)如圖1所示。牽引工況下，受電弓將接觸網(wǎng)的AC 25 kV輸送給牽引變壓器，降壓后輸出1 500 V單相工頻交流電供給脈沖整流器，整流輸出的DC 2 600～3 000 V直流電經(jīng)中間直流環(huán)節(jié)處理后作為牽引逆變器的輸入，逆變后輸出電壓0～2 300 V、頻率0～220 Hz可控的三相交流電供給異步電動(dòng)機(jī);再生制動(dòng)工況下，電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，電流經(jīng)逆變器續(xù)流二極管整流，再由四象限脈沖整流器轉(zhuǎn)換為交流電回饋給電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)能量的回饋。

圖1 動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)能量流動(dòng)圖

1.1 牽引變流器工作原理

牽引變流器作為動(dòng)車組完成電能轉(zhuǎn)換和傳遞的關(guān)鍵部件，其性能好壞直接關(guān)系到動(dòng)車組能否安全可靠運(yùn)行。牽引變流器主要由四象限脈沖整流器、中間直流環(huán)節(jié)和三電平逆變器構(gòu)成。其中整流和逆變均采用三電平二極管箝位型結(jié)構(gòu)，每相由4個(gè)反并聯(lián)續(xù)流二極管的開關(guān)管和2個(gè)箝位二極管構(gòu)成。

(1)瞬態(tài)電流控制方法。CRH380A型動(dòng)車組脈沖整流器采用瞬態(tài)電流控制方法。該方法為電壓和電流雙閉環(huán)控制，即無論任何環(huán)節(jié)的參數(shù)發(fā)生變化，系統(tǒng)都能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)其參數(shù)，使輸出的直流電壓保持穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，因此非常適用于動(dòng)車組整流器等大功率電力電子模塊［1－2］。

(2)空間矢量 PWM(脈寬調(diào)制)控制［3－4］?？臻g矢量PWM控制(SVPWM)的直流電壓利用率要比SPWM(正弦波脈寬調(diào)制)高15%，且輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小。目前CRH380A型動(dòng)車組的三電平逆變器就采用該調(diào)制方式。三電平SVPWM和兩電平的調(diào)制原理相似，主要包括如下幾個(gè)步驟:判斷參考矢量所在扇區(qū)，根據(jù)最近三矢量原則確定輸出矢量，計(jì)算各矢量作用時(shí)間，優(yōu)化輸出矢量的開關(guān)順序。

1.2 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向間接矢量控制原理

CRH380A型動(dòng)車組采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向間接矢量控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引逆變器和異步電機(jī)的控制［5－7］?？刂葡到y(tǒng)主要由同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(MT坐標(biāo)系)下的異步電機(jī)模型、三電平SVPWM逆變器及其它反饋環(huán)節(jié)組成。矢量控制系統(tǒng)采用的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的M軸與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向一致，即按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向。

2 牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)

CRH380A 型動(dòng)車組牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)［8－9］主要包括磁通和轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊、恒速控制模塊和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制模塊，其框圖如圖2所示。

圖2 牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)框圖

2.1 磁通計(jì)算模塊

CRH380A型動(dòng)車組轉(zhuǎn)子磁通與運(yùn)行速度v的關(guān)系如下式所示:

2.2 轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊

動(dòng)車組牽引、再生制動(dòng)力的計(jì)算是確定牽引工況、再生工況下異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩的基本前提。由CRH380A型動(dòng)車組牽引特性曲線可知，當(dāng)運(yùn)行速度v≤154 km/h時(shí)，牽引力基本保持不變;而當(dāng)v＞154 km/h時(shí)，牽引力與速度呈反比(恒功率)。采用線性插值法可得動(dòng)車組牽引力與運(yùn)行速度的數(shù)學(xué)關(guān)系如下。

當(dāng)0＜v≤154 km/h時(shí):

當(dāng)154 km/h＜v≤377 km/h時(shí):

則異步電機(jī)牽引轉(zhuǎn)矩給定指令為:

此外，CRH380A 型動(dòng)車組運(yùn)行阻力為［10－11］:

因此，由式(2)和(3)可得每臺(tái)異步電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為:

以上式中:定員時(shí)車輛計(jì)算質(zhì)量m=442 t，齒輪傳動(dòng)比 μc=2.379，齒輪傳動(dòng)效率 ηGear=0.95，輪徑d=0.82 m，牽引電機(jī)總臺(tái)數(shù)N=6×4=24。

根據(jù)CRH380A型動(dòng)車組的再生制動(dòng)曲線可知，當(dāng)運(yùn)行速度v＜70 km/h時(shí)，再生制動(dòng)力呈現(xiàn)恒定力矩特性;而當(dāng)v＞70 km/h時(shí)，隨著速度上升再生制動(dòng)力緩慢下降。故采用線性插值法可得每節(jié)動(dòng)車再生制動(dòng)力與運(yùn)行速度的數(shù)學(xué)關(guān)系式如下。

當(dāng)15 km/h＜v≤70 km/h時(shí):

Fzd=35.800 kN

當(dāng)70 km/h＜v≤294 km/h時(shí):

Fzd=［35.800 － 0.032(v － 70)］(kN)

當(dāng)294 km/h＜v≤350 km/h時(shí):

Fzd=［28.700 － 0.107(v － 294)］(kN)

2.3 恒速控制模塊

恒速控制模塊主要實(shí)現(xiàn)2個(gè)功能:①實(shí)現(xiàn)牽引、制動(dòng)、惰行等多種工況間的平穩(wěn)切換，以防止不同工況切換時(shí)引起較大的轉(zhuǎn)矩和電流波動(dòng);②避免動(dòng)車組啟動(dòng)時(shí)過大的電流電壓沖擊。為此，CRH380A動(dòng)車組采用圖3所示的恒速控制策略［12］:當(dāng)速度差Δv＞6 km/h時(shí)，控制系統(tǒng)進(jìn)入牽引模式;當(dāng)－6 km/h＜Δv＜6 km/h時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入恒速控制模式;當(dāng) Δv＜－6 km/h時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入再生制動(dòng)模式。恒速控制模塊各個(gè)階段給定轉(zhuǎn)矩、運(yùn)行狀態(tài)如表1所示。

表1 恒速控制各階段轉(zhuǎn)矩給定及運(yùn)行狀態(tài)表

3 不同工況下牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)仿真研究

為了分析CRH380A型動(dòng)車組在不同工況下的牽引傳動(dòng)特性，本文根據(jù)上述牽引傳動(dòng)系統(tǒng)控制方法的討論分析，構(gòu)建了MATLAB仿真模型。

根據(jù)表2所示的仿真參數(shù)，配置各個(gè)模塊。經(jīng)過仿真調(diào)試，對(duì)不同工況下系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩、直流環(huán)節(jié)的電壓變化以及定子電流的波形進(jìn)行分析。經(jīng)測(cè)算，仿真時(shí)間∶實(shí)際時(shí)間 =1∶200。

表2 系統(tǒng)仿真參數(shù)

3.1 牽引工況下的仿真分析

牽引工況下牽引傳動(dòng)系統(tǒng)仿真波形如圖4所示。在牽引工況下，設(shè)定動(dòng)車組由靜止啟動(dòng)加速至給定速度300 km/h，如圖4a)所示。仿真運(yùn)行時(shí)動(dòng)車組按照實(shí)際的啟動(dòng)加速度0.42 m/s2加速，隨著運(yùn)行速度的提高，加速度減小;達(dá)到300 km/h時(shí)，剩余加速度約為0.27 m/s2。由圖4b)所示的異步電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩波形可知:系統(tǒng)啟動(dòng)后，隨著加速度增加，輸出轉(zhuǎn)矩增大且有較大波動(dòng);當(dāng)運(yùn)行速度較大時(shí)，加速度減小，輸出轉(zhuǎn)矩減小;當(dāng)仿真運(yùn)行1.3 s左右時(shí)，動(dòng)車組運(yùn)行速度和異步電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩都達(dá)到穩(wěn)定。同時(shí)，當(dāng)異步電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，其a相定子電流較大，而當(dāng)動(dòng)車組運(yùn)行穩(wěn)定后，定子電流也趨于穩(wěn)定，如圖4c)所示。

3.2 再生制動(dòng)工況下的仿真分析

再生制動(dòng)工況下牽引傳動(dòng)系統(tǒng)仿真波形如圖5所示。假設(shè)動(dòng)車組運(yùn)行速度曲線如圖5a)所示，即由啟動(dòng)、加速并穩(wěn)定運(yùn)行至300 km/h，當(dāng)仿真運(yùn)行至1.5 s時(shí)實(shí)施制動(dòng)，相應(yīng)的異步電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩仿真波形如圖5b)所示。由圖5b)可知:動(dòng)車組實(shí)施再生制動(dòng)時(shí)，異步電機(jī)反轉(zhuǎn)，輸出轉(zhuǎn)矩不斷增加;當(dāng)動(dòng)車組仿真運(yùn)行達(dá)2.8 s時(shí)運(yùn)行速度降為0，此時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為0。同時(shí)，再生制動(dòng)工況下異步電機(jī)的a相定子電流波形如圖5c)所示。

圖4 牽引工況下牽引傳動(dòng)系統(tǒng)仿真波形

圖5 再生制動(dòng)工況下牽引傳動(dòng)系統(tǒng)仿真波形

3.3 不同運(yùn)行速度下的仿真分析

不同運(yùn)行速度下牽引傳動(dòng)系統(tǒng)仿真波形如圖6所示。假設(shè)動(dòng)車組按照?qǐng)D6a)所示速度變化曲線運(yùn)行，即根據(jù)實(shí)際平均啟動(dòng)加速度0.38 m/s2加速至給定速度200 km/h，恒速運(yùn)行1s時(shí)實(shí)施制動(dòng)，0.2 s后再減速至150 km/h;在此基礎(chǔ)上再恒速運(yùn)行至仿真時(shí)間1.5 s時(shí)，以加速度0.38 m/s2開始加速，且加速度不斷減小，并在仿真時(shí)間2.5 s時(shí)動(dòng)車組加速至300 km/h;當(dāng)運(yùn)行至仿真時(shí)間3s時(shí)動(dòng)車組開始制動(dòng)直至完全停止。該過程主要模擬了動(dòng)車組在4.5 s內(nèi)經(jīng)歷了兩段牽引加速、兩段制動(dòng)減速和三段恒速的仿真運(yùn)行，由此而得的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩如圖6b)所示。

圖6 不同運(yùn)行速度下牽引傳動(dòng)系統(tǒng)仿真波形

由圖6可以看出，異步電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩在牽引、再生制動(dòng)和恒速等不同工況切換時(shí)穩(wěn)定，能夠較好地跟隨給定值變化。仿真結(jié)果表明，本文所搭建的CRH380A型動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)模型能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)車組在不同運(yùn)行工況間的穩(wěn)定切換，且驗(yàn)證了恒速控制模塊的有效性和可靠性。

4 結(jié)語

本文詳細(xì)分析了牽引傳動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的工作原理及其控制策略，基于Matlab/Simulink軟件對(duì)CRH380A型動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真建模，并分析了動(dòng)車組在牽引、再生制動(dòng)以及不同運(yùn)行速度等工況下牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和定子相電流。仿真結(jié)果表明，本文所搭建的模型能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)車組的穩(wěn)定運(yùn)行以及在各個(gè)工況間的平滑切換。本文的研究成果將對(duì)發(fā)展我國(guó)具備完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高速動(dòng)車組提供理論參考。

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