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近年來，我國(guó)軌道交通領(lǐng)域發(fā)展迅猛，高速動(dòng)車組設(shè)計(jì)產(chǎn)品譜系化發(fā)展。牽引變流器作為電力電子裝置，是級(jí)聯(lián)系統(tǒng)動(dòng)車組牽引供電的關(guān)鍵，保證其穩(wěn)定可靠運(yùn)行是首要目標(biāo)。在中車唐山機(jī)車車輛有限公司廠內(nèi)靜調(diào)工位試驗(yàn)中，CR400BF-A-3096“復(fù)興號(hào)”長(zhǎng)編動(dòng)車組曾出現(xiàn)11車升弓后，設(shè)備啟動(dòng)過程中，中間直流環(huán)節(jié)電壓異常，引起牽引控制單元（Transmission Control Unit, TCU）誤動(dòng)，造成受電弓“頂網(wǎng)”的不利情況。

后來經(jīng)鐵科院軟件監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)中間直流環(huán)節(jié)電壓出現(xiàn)了大幅度振蕩的情況。中間直流環(huán)節(jié)電壓振蕩失穩(wěn)將對(duì)動(dòng)車組供電系統(tǒng)乃至動(dòng)車組安全穩(wěn)定運(yùn)行造成極大威脅。此外有研究表明，城軌車輛牽引系統(tǒng)直流側(cè)同樣存在耦合振蕩的情況。學(xué)者們對(duì)于提升電力電子變換器直流側(cè)穩(wěn)定性進(jìn)行了深入的研究，總結(jié)歸納出直流側(cè)電壓出現(xiàn)振蕩的原因與直流側(cè)濾波裝置、網(wǎng)側(cè)電壓電流波動(dòng)、恒功率負(fù)載投切以及電力電子裝置級(jí)聯(lián)等因素有關(guān)。

現(xiàn)有研究多對(duì)直流微電網(wǎng)、VSC-HVDC系統(tǒng)和軌道交通牽引逆變器等領(lǐng)域的直流側(cè)電壓振蕩以及由于動(dòng)車組與牽引網(wǎng)耦合交互所導(dǎo)致的低頻振蕩現(xiàn)象進(jìn)行細(xì)致深入的分析研究，而對(duì)由于系統(tǒng)耦合交互而導(dǎo)致的動(dòng)車組中間直流環(huán)節(jié)大幅振蕩的研究相對(duì)較少。在高速動(dòng)車組設(shè)計(jì)“主輔一體化”和“輕量化”的背景下，通過研究針對(duì)源側(cè)整流器的控制策略來提高牽引變流器中間直流環(huán)節(jié)穩(wěn)定性是很有意義的。

為解決廠內(nèi)靜調(diào)試驗(yàn)中高速動(dòng)車組牽引變流器模擬牽引工況下，其中間直流環(huán)節(jié)發(fā)生電壓大幅振蕩的問題，天津理工大學(xué)天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司、天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員周雪松、胡一凡、馬幼捷、曲詩健、宋關(guān)羽，在2022年第14期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，提出一種引入電壓補(bǔ)償環(huán)節(jié)的虛擬電阻控制方法，可提高牽引變流系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖1 牽引變流系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)

他們指出，該項(xiàng)研究是基于以下假設(shè)，針對(duì)復(fù)興號(hào)動(dòng)車組靜調(diào)試驗(yàn)環(huán)節(jié)投入負(fù)載時(shí)，中間直流環(huán)節(jié)電壓可能出現(xiàn)大幅跌落至正常工作電壓值以下以及出現(xiàn)短時(shí)大幅振蕩的情況，在系統(tǒng)耦合交互層面探究出現(xiàn)振蕩的原因并提出改進(jìn)措施。假設(shè)：（1）建模時(shí)忽略了中間直流環(huán)節(jié)接地故障模塊和保護(hù)模塊等非線性元件，上述元器件對(duì)直流電壓影響可忽略不計(jì)；（2）網(wǎng)側(cè)電壓穩(wěn)定理想，未計(jì)及網(wǎng)側(cè)電壓擾動(dòng)；（3）兩臺(tái)單相PWM整流器各項(xiàng)參數(shù)保持一致，視為完全相同。

圖2 半實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

研究人員在單相PWM整流器dq坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立源側(cè)整流器與二次諧振電路并聯(lián)的等效輸出阻抗模型以及牽引逆變單元和輔助變流器的等效輸入阻抗模型，并基于上述模型，結(jié)合Bode圖和Nyquist曲線分析直流環(huán)節(jié)電壓出現(xiàn)振蕩的主要原因，即二次諧振電路與恒功率負(fù)載間的交互作用會(huì)引發(fā)中間直流環(huán)節(jié)電壓振蕩。

研究表明，所提的振蕩抑制方法利用虛擬電阻等效增加了負(fù)載側(cè)輸入阻抗，使得系統(tǒng)開環(huán)增益滿足禁區(qū)穩(wěn)定判據(jù)，可提升系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度。

他們最后認(rèn)為，1）負(fù)載電機(jī)功率和電壓補(bǔ)償系數(shù)的增加都會(huì)使得牽引變流系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差；2）虛擬阻值越大，等效于增大了負(fù)載輸入阻抗的大小，抑制了中間直流環(huán)節(jié)電壓振蕩，使系統(tǒng)開環(huán)傳函滿足禁區(qū)穩(wěn)定判據(jù)，提升了系統(tǒng)穩(wěn)定裕度；3）虛擬電阻控制會(huì)增大系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，而電壓補(bǔ)償環(huán)節(jié)能夠減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，但其補(bǔ)償效果有限，仍需后續(xù)進(jìn)一步改進(jìn)。

本文編自2022年第14期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“動(dòng)車組靜調(diào)試驗(yàn)中直流母線電壓振蕩分析與抑制”。本課題得到國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和天津市自然科學(xué)基金項(xiàng)目的支持。