- 頭條弓網系統事關高鐵運行安全，西南交大學者提出改善受流質量的方法2021-08-11 作者：張靜 宋寶林 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語西南交通大學機械工程學院、西南交通大學電氣工程學院的研究人員張靜、宋寶林 等，在2021年第5期《電工技術學報》上撰文，以高速鐵路受電弓-接觸網系統為研究對象，提出一種基于狀態估計的受電弓魯棒預測控制器，以減輕弓網之間的接觸力波動，提高高速列車弓網受流質量。
目前，高速列車普遍采用電力牽引方式。受電弓是安裝在高速列車上的一種從接觸網上集取電流的專用設備，因此受電弓和接觸網之間平穩的接觸狀態是保證列車受流質量優良的關鍵，高速鐵路受電弓-接觸網系統示意圖如圖1所示。
圖1 高鐵受電弓-接觸網系統示意圖
在高速列車受流質量的評價體系中，接觸力是其非常重要的指標。隨著高速列車速度的提升，受電弓與接觸網之間復雜的耦合振動會更加劇烈，體現在接觸力的波動變大，受流質量急劇變差，脆弱的弓網系統已經成為高速列車舒適性和可靠性提升的嚴重障礙。
當接觸力波動幅度過大時，弓網系統容易出現離線、燃弧等現象，使得受流質量變差，受電弓也容易出現故障損壞。接觸力過大時，既加重了受電弓滑板的磨損，同時也增加了運維成本。
根據中國鐵路總公司統計資料，牽引供電系統故障造成的鐵路事故在2008年、2009和2010年分別占到了當年事故總數的28.8%、40.4%、29.6%，因此研究高速運行中受電弓-接觸網系統的動態性能和改進措施對高速鐵路安全運行有重要的意義。
針對弓網接觸力波動的問題，國內外學者對高速弓網關系進行了大量的分析與研究，比如優化受電弓結構、優化接觸網結構和優化受電弓靜態抬升力等。由于受電弓結構優化難以及時調整，所以適應不同類型的接觸網的靈活性較差。如果針對既有線路進行接觸網結構優化，將涉及接觸網的大規模改造，需要花費巨大的人力物力，成本極高。優化受電弓靜態抬升力的作用效果又十分有限。
為解決上述問題，學者們提出受電弓主動控制方法以減小弓網接觸力的波動。受電弓主動控制的適用性較高，該控制方法不需要針對具體類型的受電弓和接觸網，控制算法確定的情況下只需調節控制參數便能應用于所有類型的弓網系統，并且受電弓主動控制只需適當改造受電弓，無需優化接觸網的結構，無論是新建線路還是既有線路皆可應用，成本較低。受電弓主動控制系統包括控制算法、量測系統和控制結構等。其中，控制算法是受電弓主動控制研究的核心和重點。
但是，大多數受電弓主動控制策略屬于狀態反饋控制方法，控制目標大都為減小接觸力的波動，并沒有考慮作動器的輸出限制等實際問題；部分學者只對弓網接觸力進行了估計，沒有提及受電弓其他狀態量的獲取方法，在基于狀態反饋的控制中，狀態量的獲取與精確性極為重要。控制算法的驗證和分析大都在簡單弓網模型上進行。在簡單弓網模型中，接觸網通常被看作為一根可變剛度的彈簧，與實際的接觸網結構差別很大，不能完全反映接觸網上波動傳播和弓網系統振動狀態。
西南交通大學機械工程學院、西南交通大學電氣工程學院的研究人員張靜、宋寶林 等，在2021年第5期《電工技術學報》上撰文，以高速鐵路受電弓-接觸網系統為研究對象，提出一種基于狀態估計的受電弓魯棒預測控制器，以減輕弓網之間的接觸力波動，提高高速列車弓網受流質量。
研究人員考慮受電弓工作環境中電磁干擾的影響和量測數據隨機丟失的情況，采用帶虛觀測的魯棒卡爾曼濾波算法實時估計受電弓狀態。為了降低接觸力的波動，提高列車受流質量，同時考慮作動器輸出限制和受電弓弓頭垂向位移的約束，提出一種基于狀態估計的受電弓魯棒預測控制策略。
仿真結果表明，即便在受電弓-接觸網系統參數攝動的情況下，提出的狀態估計方法仍能精確獲得受電弓狀態，減小受電弓-接觸網接觸力的標準差，有效降低了接觸力的波動，提高高速列車受電弓-接觸網受流質量。
本文編自《電工技術學報》，原文標題為“基于狀態估計的高速受電弓魯棒預測控制”，作者為張靜、宋寶林 等。
