杨会敏 宋佩利 赵芳 王昉丽
中车永济电机有限公司 陕西省西安市 710018
摘要：本文介绍了动车组变流器中间直流电压保持模式的特点和应用条件，提出了一种基于矢量控制的中间直流电压保持控制策略，从理论上分析了前馈功率对控制策略的影响，并给出了一种计算前馈功率的方法。
关键词：动车组变流器；中间直流电压保持；控制策略
在本文中，主要介绍了动车组变流器的中间直流电压保持模式的控制策略和具体实现方法，希望为相关控制和设计提供参考。
一、动车组变流装置概述
高速动车组变流器包括牵引变流器和辅助变流器。牵引变流器的主要功能是在牵引变压器降压后转换单相交流电源，输出VVVF三相PWM电压，并通过AC-DC-AC转换驱动牵引电机。为了保证列车运行的牵引动力，辅助变流器的主要功能是为动车组所需的辅助设备提供动力，例如各种冷却设备、空气压缩机、照明和空调以及电池等。辅助变流器的主电路拓扑可以根据各种输入模式分为AC-DC-AC和DC-AC。第一种是从牵引变压器的辅助绕组取电的辅助变流器，拓扑与牵引变流器的拓扑相似。辅助变流器转换经过AC-DC-AC转换后获得的三相PWM交流电压，经过滤波输出三相正弦交流电压作为辅助负载的电源。使用此拓扑的辅助变流器独立于牵引变流器运行，不受牵引变流器故障的影响。缺点是，如果列车电网侧没有电源，则辅助变流器将失去电源并无法使用。该电路拓扑需要许多电源，并且控制相对复杂。第二种DC-AC辅助变流器从牵引变流器的中间直流回路取电，经过辅助逆变器变流、变压器降压和滤波后，输出三相正弦交流电压来为辅助负载供电。此拓扑的辅助变流器用牵引变流器的中间直流电压为辅助电源系统持续供电，并且在某些特殊条件下（列车电网侧没有电源）的情况也可以实现辅助变流器的正常供电。
二、中间直流电压保持模式及其应用
（一）中间直流电压保持模式简介
图1显示了动车组变流器系统的拓扑结构。牵引变流器部分主要由四象限整流器、中间直流回路和牵引逆变器组成。四象限整流器可以实现单相交流到直流的变换，确保电网侧的功率因数接近1。中间直流回路主要负责能量存储和中间直流电压的稳定，以确保能量传输过程中的瞬时功率平衡。牵引变流器主要提供牵引电动机的驱动，可以在牵引或再生制动中实现牵引电机控制。辅助变流器使用直流—交流型拓扑。输入侧通过与牵引变流器的中间直流回路并联连接以获得电能，并将中间直流电压转换为三相380V/50Hz正弦交流电压提供给各种辅助负载。当列车在牵引模式下运行时，牵引逆变器在逆变器状态下运行，牵引电动机在电动机状态下运行，并且能量从中间直流母线流向牵引电动机。列车上装有再生制动装置。在制动状态时，牵引电动机在发电机状态，而牵引逆变器运行在整流状态，由牵引电机制动产生的能量反馈到中间直流母线。在某些特殊的运行条件下，允许列车将电能回馈到电网系统。此时，牵引变流器在中间直流电压保持模式下运行。诸如车载空调、照明和冷却设备之类的辅助设备可以正常运行。在中间直流电压保持模式下，牵引变流器不再由列车网络（TCMS）系统发送的牵引或制动命令控制，仅响应于辅助电源系统的功率需求，控制单元仅控制中间直流电压，保持其稳定性，并利用再生制动反馈的能量，确保辅助变流器和负载设备的连续和正常运行。辅助系统的功率远小于牵引系统的功率，因此处于中间直流电压保持模式的牵引变流器等效于在“微电系统”状态下运行。
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（二）中间直流电压保持模式应用工况
在高速列车载客的过程中，如果严重的故障导致失去牵引力，发生“机破”故障，机车需要进行救援，将其返回到方便乘客转乘的车站。在无动力的固定交付过程中，禁止进行诸如升起受电弓和闭合主断路器的操作，并且整个列车在没有电网侧供电的情况下运行。高速列车的车窗是关闭的，因此空调和照明设备必须处于良好的工作状态才能解决此问题，以保证乘客的舒适度。动车组变流器通常配备回送发生器，图2显示了该器件的电路结构。在无电回送状态下使用回送发生器时，首先使用DC/ DC设备将中间直流环节路上DC110V电池的电压充电至特定的初始电压，然后再使用初始电压建立牵引电动机的励磁。进入中间直流电压保持模式，控制中间直流电压使其升高到预定值，并保持稳定状态。然后在无动力回送过程中将列车的动能转换为电能，以为动车组所需的辅助设备提供连续动力。
（三）中间直流环节的控制反馈
直流环节电压控制反馈的原理是系统通过转换器模块的电压传感器测量直流母线电容器的电压，并将该值反馈给每个控制单元进行计算，而计算出的值将被反馈到（PCU），PCU比较这几个值，如果发生不一致，则会根据测量值与参考值之间的比较自动调整中间直流环节电压。
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三、中间直流电压保持控制策略
（一）牵引传动系统矢量控制原理
动车组的牵引驱动系统采用直接面向磁场的矢量控制策略，其核心控制原理如图3所示。
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（二）中间直流电压保持控制策略
当牵引变流器在中间直流电压保持模式下运行时，图3所示的矢量控制策略会接收将中间直流电压保持为前馈量所需的功率，并将转矩电流设为isq。原始方法仍用于设置励磁电流,这调节了再生制动扭矩,以达到控制中间直流电压的目的。图4给出了用于实现中间直流电压保持控制的具体方法。
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（三）前馈补偿控制响应分析
功率前馈补偿方法用于中间直流电压保持控制策略，与没有前馈补偿的控制方法相比，增加前馈补偿的方法可以有效地提高系统对负载功率的响应速度和闭环系统的稳定性。从理论上讲，可以通过分析系统对功率变化的敏感性来比较功率前馈补偿之前和之后的控制性能，牵引变流器中间直流电容器在△t的能量变化为下面公式所示。
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（四）辅助变流器消耗功率计算
首先，如果使用中间直流侧电流计算，则使用此方法需要在从牵引变流器的中间直流回路为辅助变流器供电的母排上安装电流传感器。由于辅助变流器的输入侧通常使用三相桥式逆变器电路，因此电流传感器测得的瞬时值不是稳定的直流。在这种情况下，必须对采集的电流进行滤波以获得辅助直流电平均值，其中iDCA和IDCA分别是辅助变流器输入直流电流的瞬时值和平均值。辅助变流器消耗的有功功率可以根据中间直流电压的实际值和滤波得到的辅助直流电流的平均值获得。
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其次，采用辅助变流器的电压和电流来计算辅助变流器的功率，并将功率值通过数字通信接口发送给牵引变流器控制单元。在这种情况下，可以省去安装电流传感器，适用于主、辅集成的变流器结构。为了实现辅助变流器的控制，必须采集三相隔离变压器的次级侧电压和初级侧电流的数据。二次侧电压可以根据三相隔离变压器的连接方式和转换比转换到一次侧，得到输出功率。
结语：综上所述，本文在介绍动车组中间直流电压保持方式的特点和应用条件的基础上，研究提出了基于矢量控制的中间直流电压保持控制策略，从理论上分析了功率前馈补偿对控制的影响，阐述了如何计算相应的前馈功率。结果表明，本文提出的控制策略可以有效地实现牵引逆变器中间直流电压的保持控制，且不会出现过多的分相和功率环回的情况，从而实现了出色的动态和稳态性能。
参考文献：
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