地铁牵引系统稳定性提升策略

贺权

摘要：地铁牵引系统故障高发于系统振荡，导致系统内交直流电流及电压混乱，造成系统内部零件或者设施被破坏，严重的振荡会弱化系统稳定性，甚至进一步造成变流器保护装置断开。为地铁安全稳定运营埋下严重安全隐患，因此针对性制定系统稳定性提升策略极为重要。经过对系统故障原因的分析与精准计算，发现增加振荡抑制和时延补偿环节，相比于传统转矩控制策略，系统稳定性提升效果更佳。

关键词：地铁牵引系统；振荡抑制；时延补偿；系统稳定性

地铁牵引系统对地铁正常运营具有直接影响，一旦发生系统异常振荡现象，会使乘客感受到明显的振动，而影响乘车舒适度和造成心理恐慌，电机轴、齿轮等零部件也会加快磨损而降低使用寿命。以定向控制为系统稳定性提升策略，经过科学精准的试验验证，精确计算不同输出功率下的系统稳定性，可得出增加振荡抑制环节与时延补偿环节正确有效的结论，提升系统运行稳定性与安全性。

1.影响地铁牵引系统稳定性的主要原因

影响地铁牵引系统稳定性的主要原因为振荡，系统结构与运行原理是分析振荡原因的关键因素，系统结构主要包括LC滤波器、变流器及感应电机、控制系统三部分，运行原理为司机手柄下达指令到控制系统，利用电机电流及转子角速度操作逆变器各桥臂开关，精准控制牵引电机转矩。在额定工况系统正常工作状态前提下，可利用小信号分析法分析振荡原因，实践证明，逆变器输出功率对系统稳定性有着直接影响，应将功率控制在一定值域的标准范围内，地铁逆变器的输出功率值域范围为0～500KW，输出功率增大时，系统会出现交直流振荡失稳问题，在112KW时系统稳定性最好，此后越接近500KW最大值，振荡的不稳定现象越明显。

2.地铁牵引系统稳定性提升策略

为了提升系统正常运行稳定性，提出新增振荡抑制环节和时延补偿环节的提升策略，如图1所示，主动提高系统阻尼水平，达到缓解及抑制振荡问题的良好效果。将振荡抑制和时延补偿各环节的计算结果，作为电机矢量控制环节中最终给定转矩指令，避免振荡问题发生。经过试验反复验证，与传统转矩控制策略相比较，可发现增加振荡抑制和时延补偿环节的提升策略效果更明显。还需要不断调整提升策略，进一步满足地铁安全稳定运行的高要求，提高乘车的乘车舒适度。

图1 新增振荡抑制和时延补偿的定向控制策略框图

2.1振荡抑制环节提升策略

逆变器输出功率与系统的阻尼系数呈反比，输出功率增加则阻尼系数减小，当阻尼系数逐渐减小到临界值，甚至系数为零时，牵引系统的阻尼特性会持续变差，即使微小的外来刺激影响，均易引发侧电压及电流的异常振荡，降低牵引系统稳定性，严重时甚至会使系统的变流器保护中断，直接引发设备及系统故障。振荡抑制环节的增加，可针对性解决系统振荡问题，通过自动化控制手段提高系统阻尼参数，而缓解或者抑制不良振荡现象，确保系统安全稳定运行。在系统未发生振荡问题情况下，侧电容电压基本恒定，根据直流小信号调制系统振荡的阻尼，在主电路参数标准情况下，增加逆变器输出功率发现系统稳定性持续恶化。利用500KW的最大输出功率，采用根轨迹法，分析振荡抑制环节的不同功率下稳定性变化，实践证明加入振荡抑制环节后，在规定范围内即使输出功率不断增加，地铁牵引系统直流侧滤波器无振荡问题，系统整体运行平稳无异常。以低频振荡抑制策略为例，主要采用三种策略，使用稳定器、直流小信号调制、柔性交流输电系统保护装置，每种抑制策略优缺点各异，可根据实际需求灵活选择。

2.2时延补偿环节提升策略

在转矩指令的精确性得以保障的前提条件下，理论上振荡抑制环节可达到良好的维护系统稳定性效果，但是受脉冲宽度调制盲区、滤波延迟、控制器计算处理时间、机械连接间隙等因素存在的影响，不可避免的存在系统时延现象。进一步导致定制电流的转矩通分量控制出现偏差，无法被完全解耦的现象发生，以此影响转矩控制时的精准性。对于中小输出功率的传动系统，受司机开关频率较高影响，产生的延迟不良影响较小，相位滞后与幅值衰减不会对闭环系统造成较大冲击。但是低开关频率和中大输出功率应用条件下，系统时延产生的相位延迟影响特别明显，极易造成系统稳定性恶化与调节器失效，甚至进一步引发系统失控，发生电流振荡、电机转速摇摆不定等失稳问题。因此实时校正磁场位置，间接对时延现象进行减时补偿，达到电流的完全解耦与精准控制，可对整个地铁交流牵引矢量进行控制，解决各种延时及不精确参数引发的系统失控问题。不仅补偿滤波、计算处理等常见影响因素，还将时延补偿环节的应用范围不断扩大，实现提高矢量控制系统动静态性能与稳定性的良好稳定性提升效果，通过系统复矢量根轨迹计算，可验证时延补偿算法有效性，进一步证实时延补偿环节提升策略的正确性。

2.3试验验证提升策略正确性

以某地铁1号线的牵引变流器为试验对象，分别采用传统转矩控制策略、增加稳定性提升策略的方式，在地铁加速到60Km/h的前提条件下，对两种不同方式下牵引系统产生的直流侧电压、电机侧电流的波形进行试验对比分析。发现传统转矩控制策略下，变流器的直流侧电压和电机电流发生严重振荡，不仅容易降低电机轴与齿轮使用年限，也会影响乘客的乘坐舒适度。而增加稳定性提升策略的地铁，当地铁从40Km/h的运行速度加快到60Km/h时，与传统控制策略相比，变流器直流侧电压与电机电流幅值变化均平稳无异常，不存在系统振荡问题，主电路振荡问题可切实消除，地铁牵引系统安全稳定性更有保障。经过科学试验反复验证，增加振荡抑制和时延补偿的牵引系统稳定性提升策略，具有正确性、准确性、有效性效果，可进一步推广普及应用，优化地铁牵引系统性能，提高乘客乘车舒适度，延长设备与系统使用年限。

结语：近年来地铁建设规模不断壮大，更多的先进技术被应用到地铁牵引系统中，导致系统稳定性受各方影响因素更多，其中振荡问题尤为突出。常由多种因素诱发，单一靠振荡抑制尚不能达到良好的消除效果，还需综合考虑滤波延迟、计算处理时间等影响因素，增加时延补偿环节，并扩大应用范围。打破时延补偿的局限性，向实时补偿的理想效果进步，在大数据、人工智能等新一代信息技术支撑下，提高系统稳定性的维护效果。

参考文献：

[1]张全.试论地铁牵引系统稳定性提升控制[J].中国设备工程,2016(14):2.

[2]严敏.现代地铁车辆牵引系统故障问题与诊断方法分析[J].科学与信息化,2017(12):2.