轨道交通车辆永磁同步牵引系统断电区穿越控制策略

　　摘要 永磁同步牵引传动系统是轨道交通车辆稳定运行的重要组成部分，由于车辆经过断电区时，供电系统会出现短暂失电引起母线电压突变，对牵引系统造成电流冲击以及 LC 振荡，甚至触发系统重故障，影响系统运行。为使车辆能够平稳穿越断电区，该文通过建立轨道车辆永磁同步牵引系统穿越断电区的等效电路，推导出系统进入断电区前后的数学模型，并在此基础上提出一种通过整流发电稳定母线电压穿越断电区的控制策略，避免关闭牵引系统和断开主接触器，同时降低驶离断电区时母线电压突变，从而减小牵引系统的冲击及振荡。仿真和试验结果验证了所提控制策略的有效性和可行性。

　　本文源自张伟伟; 肖飞; 刘计龙; 麦志勤; 林克文， 电工技术学报 发表时间：2021-07-06

　　关键词：轨道交通车辆 永磁同步电机 牵引控制系统 断电区 整流发电

　　0 引言

　　轨道交通车辆永磁同步牵引传动系统由接触轨受电模块、直流充电滤波模块、牵引变流器、永磁同步牵引电机等组成，集电靴从接触轨取电后经滤波器和牵引变流器驱动永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)，为车辆的运行提供动力[1]。鉴于目前供电系统的设计，车辆运行线路中，接触轨供电存在失电区域，即供电电压突然中断，一段时间后又恢复供电的区间，通常称之为断电区[2]。牵引系统在实际运行过程中，供电电压直接影响母线电压，而母线电压突变容易引起电流冲击以及低频振荡，甚至可能触发系统重故障，造成停机[3]。为确保牵引系统顺利穿越断电区，国内外学者展开很多详细分析，提出相关的解决措施，并且取得一定效果。

　　文献[4]以上海浦东国际机场旅客捷运系统为例，对受电车辆在穿越断电区时产生过电流的原因进行分析，并结合线路实际工况提出了车辆穿越断电区的解决方法，但是未能从理论上解决断电区电压突变对车辆牵引系统的冲击问题，所提方法不具有普适性。文献[5]以高速牵引列车为研究对象，建立了考虑滤波电感在内的牵引供电系统模型，分析了滤波电感对于降低电流冲击的作用，然而并没能提出解决断电区穿越引起巨大冲击和 LC 振荡的有效方法。文献[6]以电动车辆永磁同步牵引系统为例，对母线电压波动造成的影响进行分析，并从控制算法上提出了优化措施，虽然能够降低母线电压波动对系统的冲击，但是车辆进入断电区时仍然需要关闭牵引系统，待通过断电区后再重启系统，对操作人员的依赖程度较高。文献[7]对电力机车中直流母线电压与电力电子变压器进行建模，通过仿真分析了大信号扰动对直流母线电压的影响，提出了电压前馈补偿策略调节母线电压，并为母线电压控制器的设计提供了准则，不足之处在于只进行了仿真分析，没有通过试验具体验证。

　　为更好地解决轨道交通车辆永磁同步牵引系统断电区穿越问题，本文以北京地铁某线路为例，介绍永磁同步牵引系统结构，分析断电区问题的产生原因及影响，并在此基础上提出了基于整流发电稳定母线电压使牵引系统穿越断电区的控制策略，从而使车辆在不关闭牵引系统的情况下平稳通过断电区，避免了车辆通过断电区时因母线电压突变引起的系统冲击和振荡，最后利用仿真和试验对控制策略进行了验证。

　　1 地铁永磁同步牵引系统

　　在常见的地铁牵引系统中，接触轨供电、集电靴采电的方式得到越来越多的应用，集电靴采电后经过充电滤波电路向牵引变流器提供 1 500 V 或 750 V 直流电，而后牵引控制系统根据当前的牵引指令生成目标转矩，并控制三相牵引变流器的开通与关断，从而驱动永磁同步电机运行。所选线路地铁车辆每套变频器有 4 组逆变模块，驱动 4 台电机，在结构和控制策略上各模块完全一致，为简化分析，以一组逆变模块驱动一台电机进行研究，地铁永磁同步牵引系统的结构框图如图 1 所示。

　　从图 1 可以发现，接触轨提供的供电电压经过充电滤波电路向支撑电容充电，而后通过牵引变流器向永磁同步电机提供电能。高速断路器在没有重大故障的前提下一直保持闭合，闭合充电接触器后向支撑电容充电，当充电至 80%以上时，闭合短接接触器，充电电阻被旁路后允许系统运行，所以供电电压的变化会直接影响转矩指令的生成，进而影响系统运行。由于接触轨布置存在断电区域，车辆进入该区域，供电电压会突降为零，车辆离开该区域后，供电电压瞬时恢复。因此，地铁车辆在穿越断电区时，供电电压会急剧跳变，需要对车辆穿越断电区的工况进行分析，设计相应的控制策略，使其稳定穿越断电区。以所选地铁线路为例，永磁同步牵引系统参数见表 1。

　　2 牵引系统断电区穿越分析

　　2.1 断电区的形成

　　为更好地了解断电区特性，设计牵引系统断电区穿越策略，首先对断电区形成的原因进行分析。地铁车辆在实际线路运行中，供电电压由接触轨提供，而接触轨的铺设并不连续，通常设有分段，段与段之间存在间隔，集电靴在间隔区域不能受电，从而导致车辆进入该区域后供电中断[8]。接触轨分段形成断电区示意图如图 2 所示。

　　实际线路中断电区的设置主要有两种类型：第一种类型是电分段，由于地铁线路跨越距离远，通常由多个变电所进行分区段供电，此外，为提高继电保护可靠性，缩小故障影响范围，车辆从运行线路回到车辆段时也存在供电区间切换问题，接触轨从一个变电所的供电区间跨越到另一个变电所的供电区间时，不同供电区间衔接处设有电分段;第二种类型是物理分段，在地铁线路接触轨铺设过程中，考虑到道岔区、人防工程等因素的影响，接触轨可能无法连续布置，也会存在不同长度的中断，形成物理分段[9]。因此，地铁永磁同步牵引系统在实际线路运行过程中，必然会经过断电区，造成直流侧突然失去供电，驶离断电区后又恢复供电。

　　2.2 断电区穿越工况

　　为便于对地铁车辆穿越断电区的具体工况进行分析，建立永磁同步牵引系统断电区穿越等效模型如图 3 所示。图 3 中，uL 为母线电压，即由接触轨供电在牵引系统直流侧形成的电压，当集电靴受电时，母线电压由供电电压决定，集电靴不受电时，母线电压由电容电压决定;idc 为直流母线电流;udc 为支撑电容电压;Lf 为布置在牵引变流器和直流供电网之间的滤波电感，母线电压经过滤波电感向支撑电容充电，该电感对于降低直流侧电压波动以及电流冲击对牵引变流器的影响具有重要作用，同时对于牵引系统具备断电区穿越能力也极为关键。

　　当地铁车辆进入断电区后，由于供电线路失电，母线电压 uL 会瞬时突降为 0，而支撑电容电压 udc 在极短的时间内的变化相对较慢。根据所选线路器件选型情况，直流支撑电容容值为 20 mF，该支撑电容在无供电电压的情况下仅支持牵引系统满功率继续运行约 10 ms。车辆进入断电区后，如果继续按照原牵引指令运行，在 10 ms 左右支撑电容就会完全失电，而实际线路中车辆通过断电区的时间约为 0.5～1 s，所以，在供电丢失的情况下，单纯依靠支撑电容储备的电能不足以支持车辆穿越断电区。待车辆驶离断电区，集电靴再次和接触轨连接恢复供电，母线电压从 0 V 突增至 750 V，必然会对系统造成很大的电流冲击以及 LC低频振荡[10-11]。牵引系统在支撑电容失电情况下恢复供电冲击等效电路如图 4 所示，该冲击电流可能损坏直流支撑电容，甚至触发高速断路器动作，进而引起系统重故障，造成系统停机。此外，地铁车辆在穿越断电区时，由于供电电压突变还可能引起燃弧、集电靴熔断器损坏、接触轨防护罩移位、牵引制动异常等一系列故障[12]。

　　按照表 1 中地铁永磁同步牵引系统参数，进行电容失电情况下供电电压恢复的仿真分析，牵引系统直流侧仿真波形如图 5 所示。可以看出，母线电压由 0 V 突增至 850 V 时，瞬间冲击电流达到 400 A，同时直流侧电压电流产生 LC 振荡，降低了平波电抗器和支撑电容的寿命。

　　当前地铁线路采取的断电区穿越控制策略主要可分为两大类：

　　第一大类，车辆以牵引系统关闭并且主接触器(包含图 1 中充电接触器和短接接触器)分闸状态通过断电区，其中，主接触器分闸又可分为主动分闸和故障分闸两小类：①主动分闸，即在车辆进入断电区之前主动将接触器分闸(如前文提到的依靠司机操作);②故障分闸，即系统进入断电区，检测到母线电压过低，判定为欠电压故障后主接触器自动分闸。无论是主动分闸还是故障分闸，牵引系统的主接触器以分闸状态通过断电区后，需要按照正常启动流程执行充电接触器合闸、电容电压充电至母线电压的 80%以上、短接接触器合闸这三步操作(电容电压充电的三步常规流程)，然后牵引系统再恢复运行。

　　第二大类，即车辆通过断电区时主接触器一直保持合闸状态，由于过断电区之前不用分闸，过断电区之后也不用执行电容电压充电的三步流程。采用该类策略时，进入断电区后，需要将牵引系统的输出转矩迅速降到 0，以避免支撑电容上的电能被迅速消耗掉。

　　对于第一大类断电区穿越控制策略，由于接触器需要分闸，机械开关动作会降低元器件使用寿命。对于异步电机牵引系统，这种操作方式尚可接受;而对于永磁同步牵引系统，直流侧主接触器断开、变频器停机后，永磁同步牵引系统可能工作在不控整流状态，使支撑电容电压迅速抬高，对系统正常工作产生不利影响。

　　对于第二大类断电区穿越控制策略，需要通过控制电机的电流使其输出的转矩为零，由于母线已经和支撑电容断开且支撑电容的电压处于不控状态(或者叫开环状态)，所以仅仅控制电机输出转矩为零(需要考虑对转矩的控制精度)，转矩控制精度可能引起电容电压波动，无法保证电容电压一直保持在 750 V 附近。驶离断电区供电电压恢复时，最恶劣的情况下支撑电容上的电能耗尽，母线电压从 0 V 突增至 750 V 附近，会对系统产生剧烈冲击。

　　3 基于稳压穿越的断电区控制策略

　　3.1 稳压控制器设计

　　为了减小地铁车辆穿越断电区时母线电压突变引起的系统冲击，降低对司机的依赖程度，避免关闭牵引系统断开接触器，本文提出一种利用整流发电稳定母线电压穿越断电区的控制策略。牵引系统检测到车辆进入断电区，系统不再执行司控室发来的转矩指令(实际运行中由于供电电压跌落，系统也无法继续执行原指令)，利用车辆的超大惯性使永磁同步牵引系统进入整流发电状态，将直流母线电压稳定在供电电压附近，从而在供电电压恢复时可以大大降低电压突变引起的冲击。车辆驶离断电区后，牵引系统退出整流发电状态，恢复至正常牵引状态，重新执行司控室发来的转矩指令。

　　根据前面的分析，车辆经过断电区时，母线电压 uL 会瞬间跌落，而电容电压 udc 变化相对较慢，因此，可以根据母线电压的变化情况判断地铁车辆是否进入了断电区[13]。牵引系统正常运行时母线电压额定值为 750 V，由于供电线路电压存在波动，允许母线电压变化范围为 500～900 V，因此，设置母线电压低于 450 V 作为进入断电区的判断条件。

　　车辆进入断电区后，系统由正常牵引控制模式切换至断电区穿越控制模式，此时电机处于整流发电状态，电容电压及母线电压稳定在目标值。为尽量减小供电电压恢复时母线电压突变对牵引系统的冲击，设定稳压控制器的控制目标为母线电压额定值 750 V。由于支撑电容上基本没有消耗能量的路径，需要的功率非常小，当转矩指令为正值时，永磁电机消耗能量，电容电压下降;转矩指令为负值时，永磁电机惰行发电，能够向电容回馈能量，电容电压上升[14-15]。因此，将电容电压作为闭环控制量，通过 PI 控制器生成对应的转矩指令，便可实现对电容电压的实时调节。地铁永磁同步牵引系统断电区穿越稳压控制器如图 6 所示。

　　在图 6 所示的断电区穿越稳压控制器框图中，系统给定值 * dc u 是支撑电容电压的目标值，同时也是预期的母线电压目标值，系统反馈值 udc 是实际采样得到的支撑电容电压值，PI 调节器生成对应的转矩指令 * Te ，通过转矩指令控制电机牵引或制动，从支撑电容耗电或者向支撑电容充电，从而调节电容电压达到稳定值。

　　当地铁车辆驶离断电区，而牵引系统并未下达由断电区穿越模式切换至正常运行模式指令时，由于集电靴重新从接触轨受电，母线电压 uL 以及电容电压 udc 实际由接触轨供电电压决定[16-17]。此时 PI 调节器达到饱和，稳压控制器无法继续调节电容电压，转矩指令为调节器允许输出的极值。如果母线电压低于电容电压给定，电压调节负向饱和，转矩给定为 PI 调节器允许输出的最小值(负转矩);如果母线电压高于电容电压给定，电压调节正向饱和，转矩给定为 PI 调节器允许输出的最大值(正转矩)。因此，在断电区穿越控制模式供电电压恢复调节器达到饱和后，并不会影响系统运行，牵引系统按照设定的最大最小转矩值恒指令运行，待系统给出退出断电区指令后再恢复正常运行。

　　3.2 断电区穿越控制模型

　　从图 6 可以发现，断电区穿越模式的控制目标为电容电压，与正常牵引模式的区别在于不再执行司控室的转矩指令，而是通过稳压控制器对电容电压的调节得到转矩指令。因此，牵引系统处于断电区穿越模式时，电流内环的控制方式与正常牵引模式是相同的，只需要在正常牵引模式的基础上增加电压外环调节，便可以实现对断电区穿越的控制。

　　在 dq 旋转坐标系下，永磁同步牵引系统电压与电流的关系[18-19]为 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 分别为 d、q 轴电压;id、iq 分别为 d、 q 轴电流;Ld、Lq 分别为 d、q 轴电感;Rs 为定子电阻;re 为电角速度;f 为转子磁。根据式(1)中电压与电流关系式，可以得到永磁同步牵引系统电流内环控制框图如图 7 所示。

　　据此，可以得到电流内环的传递函数，d、q 轴开环传递函数 Gid 和 Giq 分别为 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 为 d 轴的 PI 参数;kpiq 和 kiiq 为 q 轴的 PI 参数。由于系统在正常牵引模式和断电区穿越模式电流内环的控制方式一致，所以，可以得到永磁同步牵引系统稳压穿越断电区的整体控制框图如图 8 所示。在断电区穿越控制模式时，转矩指令 * Te 由稳压控制器生成，而在正常牵引控制模式时，转矩指令 * Te 由司控室下达。

　　根据上面的分析，地铁车辆驶离断电区后，供电电压恢复，稳压控制器中电压外环调节器会达到饱和状态，所以可以将电压外环调节器进入饱和状态并保持一段时间，作为系统由断电区模式重新进入牵引模式的判定条件。考虑到在极特殊情况下，如果母线电压出现扰动，电压外环调节器也可能出现瞬间饱和的状态[20]。因此，系统退出断电区模式进入正常牵引模式还设置了第二个保底条件，即保持断电区模式运行设定的固定时间后退出。两个条件配合使用既保证了控制模式识别的效率，又保证了控制模式切换的可靠性。此外，考虑到接触轨自身出现供电丢失引起系统进入断电区模式的情况，当牵引系统给出退出断电区穿越模式回到正常牵引模式指令后，如果供电电压依然没有恢复，即系统再次检测到母线电压过低，则判定为供电丢失，牵引系统报欠电压故障并停止运行。

　　4 仿真与试验

　　4.1 断电区穿越仿真分析

　　为了对本文提出的基于稳压穿越断电区控制策略进行仿真验证，基于 PLECS 平台搭建了地铁永磁同步牵引系统仿真模型。考虑到供电电压波动范围为 500～900 V，为将母线电压波动与电容电压间形成突变的影响考虑在内，设置母线电压为 850 V。在实际线路运行中，车辆通过断电区时间在 1 s 左右，由于试验现场条件限制，直流供电需要人为操作开关，难以在 1 s 内实现供电开关断开并重新合闸的过程，为便于实现在断电区穿越模式内完成供电电压的恢复，现场试验设定断电区模式保持时间为 5 s。为保证仿真与试验环境一致，仿真分析时设置断电区模式保持时间也为 5 s，母线电压恢复时间为 2.5 s。

　　地铁永磁同步牵引系统断电区穿越仿真参数见表 2。 依据表 2 中仿真参数，分别以不采取任何策略直接通过断电区和采用本文提出的稳压策略通过断电区两种方式，进行相同工况下地铁永磁同步牵引系统断电区穿越仿真分析，其中，直接通过断电区策略选取可能出现的最恶劣工况，即在支撑电容上的电能完全耗尽时恢复供电，两种策略下断电区穿越过程中电压、转矩及电流仿真波形分别如图 9 和图 10 所示。

　　从图 9 仿真结果可以发现，不采取任何策略直接通过断电区时，当供电电压丢失，牵引系统以零转矩运行状态通过断电区，待供电电压恢复时，由于母线电压突变，转矩和电流响应均出现剧烈冲击，直流侧电压也出现振荡，不利于系统稳定，同时会降低器部件使用寿命。

　　从图 10 仿真波形可以看出，地铁车辆在 4 s 时刻进入断电区，系统检测到母线电压低于 450 V 时，牵引系统切换至断电区穿越控制模式，稳压控制器开始工作，由于此时电容电压较低，系统产生负转矩，向电容充电，电容电压 0.5 s 内稳定至 750 V，此时系统功率很小，因而电机转矩基本为零。6.5 s 时刻车辆驶离断电区，供电电压恢复，母线电压和电容电压均恢复到供电电压值 850 V，稳压控制器达到饱和，由于此时还处于断电区穿越控制模式，电机按照调节器允许最大转矩 100 N·m 运行。9 s 时刻牵引系统给出退出断电区穿越模式恢复正常牵引模式指令后，牵引系统按照司控室下达转矩指令继续运行，转矩和电流均恢复正常。

　　仿真结果表明，在牵引系统穿断电区的过程中，采用本文提出的稳压控制策略，电流没有出现明显冲击，电压和转矩也没有出现振荡，仿真结果验证了本文所提出的断电区穿越控制策略能够使地铁车辆在不关闭牵引系统不断开主接触器的情况下稳定通过断电区。

　　4.2 断电区穿越试验验证

　　为检验所提控制策略在地铁车辆实际运行过程中断电区穿越的控制效果，搭建了如图 11 所示永磁同步牵引系统试验平台，通过模拟供电电压断电构造断电区工况。参照仿真条件设置，断电区穿越试验参数设置见表 3。

　　按照表 3 中参数进行地铁永磁同步牵引系统断电区穿越试验验证，基于本文所提稳压穿越控制策略，牵引系统从进入断电区到恢复正常运行的试验波形如图 12 所示。可以看出，5 s 时刻供电电压丢失，母线电压瞬间跌落，低于 450 V 时系统判断车辆进入断电区，切换至断电区穿越控制模式，稳压控制器通过对输出转矩的调节使电容电压迅速稳定至 750 V。7.5 s 时刻恢复供电，母线电压恢复至 850 V，系统依然处于断电区穿越控制模式，此时调节器饱和，系统按照设定转矩最大值 100 N·m 运行，由于功率较小，母线电压依然维持在 850 V。10 s 时刻由断电区穿越模式恢复正常牵引模式，牵引系统按照司控室下达的转矩指令正常运行，断电区顺利通过。试验波形中，10～10.7 s 母线电压下降是由于试验现场大功率运行时供电电压被拉低，与本文控制策略的选用没有关系。分析结果表明，地铁车辆永磁同步牵引系统穿越断电区的过程中，响应迅速，电压转矩及电流波形都没有出现明显的冲击和振荡，试验结果与仿真结果一致，验证了本文提出的基于稳压穿越断电区控制策略的可行性。

　　本文所提出的断电区穿越控制策略，依据母线电压幅值的跌落判断车辆是否进入断电区，当母线电压幅值满足 uL<450V 时，则判断地铁车辆进入断电区。根据仿真和试验分析，从母线电压跌落到系统进入断电区控制模式的时间只需要几个 ms。系统一旦进入断电区穿越控制模式，电压调节器开始工作，此时供电电压不再影响系统运行，系统可以一直以断电区模式稳定运行，直到牵引系统检测到供电电压恢复并发出退出指令后，系统退出断电区穿越模式恢复到正常牵引模式。根据实际线路条件，列车穿越断电区的时间通常在 0.5～1 s 左右，而系统进入断电区穿越模式只需要 ms 级时间，所以，系统有充裕的响应时间进入断电区控制模式，本文设计断电区穿越时间为 5 s，只为便于试验现场对供电电源的人为操作。因此，断电区长度不同，或车辆通过断电区速度不同，只会影响牵引系在断电区穿越模式的运行时间，并不会影响采用本文策略穿越断电区的控制效果。

　　为进一步验证实际线路供电出现问题时，牵引系统能够准确识别并报出欠电压故障的控制效果。在系统正常运行过程中，模拟供电电压中断，并且不再恢复供电，试验波形如图 13 所示。

　　从图 13 试验波形可以看出，牵引系统在 8 s 时刻第一次检测到母线电压低于 450 V 时，切换至断电区穿越控制模式，通过稳压控制器调节母线电压稳定在额定值 750 V，13 s 时刻退出断电区控制模式切换至正常牵引模式后，再次检测到母线电压低于 450 V，判定供电电压并未恢复，并报出线路欠电压故障。在整个过程中，系统响应稳定，没有出现明显的电流冲击和转矩波动，试验结果验证了本文所提出的控制策略能够在发生供电故障时使系统平稳停机，准确报出欠电压故障。

　　5 结论

　　本文针对轨道交通车辆永磁同步牵引系统断电区穿越问题，分析了断电区的产生原因及具体工况，给出了车辆进入与退出断电区的判断条件，并设计了基于稳压穿越的断电区控制策略，通过调节牵引系统工作在整流发电或正常牵引模式，维持支撑电容电压和母线电压稳定在额定值，从而避免经过断电区时关闭牵引系统断开主接触器，并且在牵引系统重新接入供电时降低母线电压突变引起的冲击和振荡。以北京地铁某线路为例进行了仿真分析和试验验证，结果表明，本文所设计的基于稳压穿越断电区的控制策略能够支持地铁车辆在不关闭牵引系统保持接触器合闸的条件下平稳穿越断电区，提高了牵引系统的控制性能，降低了故障发生率，同时，在检测到供电电压丢失时，也能准确报出欠电压故障，增加了地铁永磁同步牵引系统的特色优势。