试论地铁牵引系统稳定性提升控制

张全

（南京地铁运营有限责任公司，江苏 南京 210012）

试论地铁牵引系统稳定性提升控制

张全

（南京地铁运营有限责任公司，江苏 南京 210012）

地铁牵引供电系统作为城市轨道交通中的重要能源设施，能够为地铁的稳定运行提供必要的电力能源保障。同时，地铁牵引系统的稳定性与系统电路参数的匹配度密切相关，若系统参数不匹配，则极有可能导致系统直流侧电流出现震荡，从而造成地铁牵引系统的稳定性受损。本文通过对地铁牵引系统侧震荡产生原因进行分析，研究系统稳定性提升控制的相关策略，望引起重视。

地铁；牵引系统；稳定性；提升控制

1 地铁牵引系统震荡原因分析

图1为地铁牵引系统的基本构成示意图。结合图1，地铁牵引系统主要构成包括三个部分，其一是LC滤波器，其二是变流器＋感应电机，其三则是控制系统。控制系统在接收到地铁司机手柄所给定的转矩指令后，可根据电机电流参数以及转子角速度参数，借助于逆变器各桥臂IGBT开关操作的方式实现对地铁牵引电机转矩的灵活控制。

图1 地铁牵引系统基本构成示意图

假定地铁牵引系统正处于额定工况工作状态下，可经由小信号分析法处理并得到地铁牵引系统在额定点状态下的等效模型，具有电路示意图如图2所示。

图2 地铁牵引系统小信号模型等效电路示意图

结合图2，将直流侧电压定义为U，将逆变器输出功率定义为P（忽略电机损耗以及逆变器损耗对逆变器输出功率的影响），将变流器＋感应电机所对应等效阻抗定义为Z。为确保牵引系统的稳定系，需满足式（1）：

结合式（1）分析可知，为确保系统的运行稳定，逆变器输出功率应当控制在一定值域范围内。但地铁逆变器输出功率的取值区间为0～500kW，随着逆变器输出功率取值的不断提升，会导致式（1）无法成立，进而导致牵引系统出现交直流震荡失稳的问题。因此，在地铁牵引系统的运行过程中，必须采取有效策略控制稳定性，以抑制震荡，改善稳定性水平。

2 地铁牵引系统稳定性提升控制分析

为提高地铁牵引系统的稳定性水平，应在震荡现象发生时通过介入“震荡抑制”环节的方式，主动提高牵引系统阻尼水平，从而达到缓解并抑制震荡问题的效果。如图3所示，定义系统采集变流器直流侧电容电压取值为u（t），以此作为输入量，低通滤波器所对应时间常数为α，经低通滤波器处理所得平均值为U。在系统无震荡因素影响时，DC侧电容电压为直流模式且取值基本恒定，且u（t）近似于U取值；但当主电路出现震荡作用时，u（t）所对应震荡分量显著高于U，转矩给定指令可通过与（u（t）/U）相乘的方式，以计算结果为电机矢量控制环节中的最终给定转矩指令。

图3 引入“震荡抑制”缓解的牵引系统定向控制策略结构示意图

通过加入“震荡抑制”环节的方式，打破了地铁牵引系统在运行过程中的“恒功率”前提，且忽略了电机以及逆变器损耗对逆变器输出功率的影响。同时，以“转矩等同于给定转矩”为基本假设条件，经调整阻抗的途径干预可以增大阻尼指数，达到更好的震荡抑制效果。

假定地铁牵引系统中逆变器输入功率最大值为500kW，在该工况状态下：当逆变器位于最大输出功率且参数n取值固定时，若α参数取值较小，则系统特征根位于相位平面右侧区间，提示牵引系统运行状态不稳定。但随着α取值的不断增大，当n参数为1，且α参数为10.0ms时，系统特征根位于虚轴区间，此时地铁牵引系统处于临界稳定工况下。在此基础之上，随着α参数取值的不断增加，系统特征根可逐步向相位平面左侧区间移动，此时所对应的地铁牵引系统运行工况更加稳定，牵引系统运行稳定裕度明显提升。除此以外，当α取固定值的情况下，随着参数n取值的不断增加，系统特征根有逐步偏离虚轴的倾向，牵引系统所对应的稳定裕度有逐步增加的趋势。

经实践证实结果表明：在按照上述方式加入“震荡抑制”环节后，地铁牵引系统直流侧滤波器无震荡现象产生，牵引系统整体运行平稳。该结果表明：加入“震荡抑制”环节对提高地铁牵引系统稳定性控制水平有重要效果，且随着变流器功率水平的不断增加，整个地铁牵引系统的运行情况更倾平稳。

3 结语

本研究中通过分析认为：直流侧震荡因素，会对地铁牵引系统的稳定性产生不良影响，难以确保地铁牵引系统的运行稳定性。以上借助于地铁牵引系统空间等效电路模型研究直流侧震荡产生原因，并通过实施震荡抑制的策施提高地铁牵引系统的运行稳定性水平，以取得良好的系统稳定性控制效果。

[1]孙大南，刘志刚，林文立，等.地铁牵引变流器直流侧振荡抑制策略研究[J].铁道学报，2011,33(8):52～57.

图1 嵌入块示意图

图2 扭力紧固顺序

（3）方案实施效果。阀门完成紧固，为了检验玻璃钢管道两侧法兰是否还存在应力。把紧固的螺栓去除，在垂直起吊阀门的过程中，两侧的法兰、垫片和阀门没有产生摩擦应力。阀门移除，查看两侧的法兰盘侧面仍然处于平行状态，没有产生错位。在玻璃钢管地下管线系统试压过程中，阀门以及纠偏处强度试验以及严密性试验均合格，圆满完成系统试压。经过一系列的检测和评估，说明采用嵌入块纠正法兰错位的方案是成功的，这种纠偏工艺适用于玻璃钢管道。

4 结语

嵌入块法消除阀门应力集中，很好地解决了阀门滞后安装带来的法兰错口问题。经过项目的实际检验，是个成功的新的工艺，为后续其他项目的玻璃钢管道施工奠定了基础。这种工艺方法，也可以尝试着应用于玻璃钢管道被施工机械破坏的修补。

参考文献：

[1]SAMSS-029.沙特阿美石油公司重力流玻璃钢管道和管件规范.

[2]SAMSS-034.沙特阿美石油公司压力玻璃钢管道和管件规范.

[3]SAES-L-350.沙特阿美石油公司工业管道施工规范.

[4]SAIC-L-2014沙特阿美石油公司法兰连接检查规

X731

A

1671-0711（2016）10（下）-0041-02