【摘  要】随着我国的经济在快速的发展，社会在不断的进步，针对直交型电力机车在恒功率工况下的直流侧电压不稳定问题，提出一种网侧电路与牵引传动系统动态解耦的有源阻抗稳定控制方法，并提出一种回馈系数改善策略，以降低网侧电压纹波对牵引传动系统的影响。建立了系统等效数学模型，依据系统稳定判据提出一种有源阻抗稳定控制方法，然后分析了在网侧电压含有纹波时稳定控制对牵引传动系统的影响，通过引入合适的控制回馈系数对控制效果进行改善，通过仿真与实验证明了所提控制方法与改善策略的可行性和正确性。

【关键词】电力机车;有源阻抗;牵引传动系统;回馈系数;恒功率;电压控制

引言

自19世纪初第一条铁路诞生以来，铁路运输成为世界交通运输行业一个重要的组成部分。铁路运输行业的发展几经起伏，在20世纪中叶，为了扭转在运输行业竞争中的被动局面，提高竞争力，我国开始引入电气传动系统，逐步地将传统动力的机车升级替换为新型电力机车。电力机车在提高能效、节约能源的同时能够大幅度提升铁路运输能力，并且能够降低污染利于环保，新技术的采用也为后来的几次铁路大提速奠定了基础，为我国的铁路运输行业带来了翻天覆地的变化。

1优化原则与利弊分析

1）原则网络控制系统的构架优化主要基于以下两个原则：（1）根据设备和信号的冗余分类，保证划分后的网络具有更高的冗余度;（2）一致性较高的设备在同一网段，第三方设备在同一网段。2）利弊分析网络控制系统的构架优化的优点主要有以下几点：（1）提高网络抗干扰能力，确保个别设备的故障不影响整个网络瘫痪，将故障影响降到最低;（2）各网段的电缆总长度远小于原来电缆长度;（3）提高网络冗余度，部分设备故障不影响机车运用;（4）不明原因的故障可以明确定位;网络控制系统的构架优化的劣势主要有以下几点：1）增加成本和安装空间，包括新增设备和电缆以及协调主机厂增加设备安装空间;2）增加布线长度和布线难度，总体的电缆布线距离变长，电缆多次穿过司机室墙体，由原单一的总线结构变为总线+星型混合结构网络;3）新增网络设备，增加该设备的故障点。

2有源阻抗稳定控制方法

2.1DAB变换器移相控制策略

对于DAB变换器，一种比较主流的控制方式是双主动全桥移相控制方式。这种控制方式下变换器两侧H桥均工作于某种逆变状态，并通过主动控制令逆变电压间相差一定的相位角度，该方式更加易于直接利用前一节分析得到的DAB变换器功率关系，故本文所研究的级联型PET隔离级DAB变换器采用这种方案进行控制。采用移相控制进行脉冲调制的时候可以有以下几种不同的方式。比较常见的一种是最简单的SPS（SinglePhaseShift）控制，该方式下变换器两侧H桥均工作于双极性逆变状态，发出占空比为50%的方波，直接利用方波间的相位差以及变压器漏电感进行能量传递。在此基础上，还可以在变压器原边侧H桥两桥臂间加入移相角，使原边侧H桥工作于移相逆变状态（单极性状态），这样变换器的控制中采用了两重移相控制，称为DPS<DualPhaseShift）控制方式。上述在原边侧H桥的桥臂间加入移相角的方案可称为单侧DPS控制，可以通过对桥臂间移相角的控制实现对变换器回流功率的调节。此外，还可以在变换器两侧H桥的桥臂间都加入移相角，形成双侧DPS控制，可以用于实现DAB变换器的最小回流功率控制及最小电流应力控制等。DAB变换器回流功率与电流应力方面的控制策略非本章研究的重点内容，因此本章关于变换器控制策略的研究都基于最简单的SPS调制方式。

2.2总体结构描述

网络控制系统采用二层总线结构：列车级和车辆级控制，列车控制级采用绞线式列车总线WTB，车辆控制级采用多功能车辆总线MVB_EMD。由于多功能车辆总线MVB_EMD网段涉及大量设备（其中包含第三方设备），为进一步划分网段，同时在一致性试验未充分验证的前提下，充分的利用总线+星型混合网络结构，最大限度的隔离故障设备，因而提高网络的抗干扰能力，更有效的管理网络。网络控制系统使用分布式控制技术，即分布采集及执行，中央集中控制与管理的模式。机车网络控制系统硬件由网关模块GWM、事件记录模块E-DRM、中继器REP、数字量输入输出模块DXM、数字量输入模块DIM、模拟量输入输出模块AXM和智能显示单元DDU等组成，通过MVB与主变流器控制单元TCU、制动控制单元BCU、列车供电系统ETS和无线重联装置OCE等智能设备进行通信。各单元之间通过MVB_EMD接口完成数据通信，各模块通信接口定义符合IEC61375标准。

2.3仿真验证

为验证本文稳定控制效果，先设定指令转速为定值，此时系统未进入恒功率状态，后通过改变指令转速方式使系统进入恒功率状态，由此对稳定控制的实际作用进行分析。至5.6s時，系统指令转速改变，电机进入恒功率工况，由于该系统参数设定不满足式的系统稳定性判据，随后电压、电流出现不稳定振荡，至6.3s时电压、电流出现等幅振荡现象，且电机转矩受其影响出现剧烈振荡现象，可知此时电机存在较大的功率波动。由前文分析可知，直流侧电压出现的不稳定现象与系统引入的负阻尼相关。而加入稳定控制后，当系统进入恒功率工况后，稳定系统消除了负阻尼，使系统工作于自然阻尼状态，此时网侧电路与牵引传动系统解耦，系统运行过程中未出现之前的不稳定现象，各信号均达到设计值并稳定运行，稳定效果明显。但同时，稳定控制系统会对牵引传动系统产生干扰，其主要表现在电机会伴随有一定的转矩波动，故应选择合理的回馈系数以降低稳定控制对牵引传动系统造成的影响。含有纹波时，稳定控制的加入将对电机定子侧电压矢量信号产生影响，进而影响电机电流，故通过仿真分析引入网侧纹波时电机定子侧电流谐波分量，验证回馈系数改善策略的影响。电机在回馈系数选择合理情况下运行速度稳定，但由于直流侧电压含有纹波，电机定子侧电流出现发生畸变。

结语

本文首先对恒功率工况下的直流侧电压不稳定问题机理进行分析，通过建立网侧电路与牵引传动系统等效数学模型，得到电路方程与稳定性判据，并提出一种动态解耦的有源阻抗稳定控制方法;然后分析了网侧电压含有纹波时稳定控制对电机定子侧电压矢量产生的影响，并根据等效数学模型，提出一种可增加有源纹波阻抗的回馈系数改善策略，以降低纹波的影响;最后通过仿真与实验证明了所提稳定控制方法的稳定效果以及回馈系数改善策略的可行性与正确性。

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（作者单位：中车兰州机车有限公司）