邬春晖，张世海，谭雅翊，谢 浩，张 祺

（1.北京市地铁运营有限公司运营二分公司，北京 100043；2.湘潭电机股份有限公司，湖南 湘潭 102208；3.北京市地铁运营有限公司地铁运营技术研发中心，北京 411101）

作为新一代轨道交通牵引系统，永磁同步电气牵引系统具备绿色、节能、高效等亮点。自长沙地铁1号线装载运营永磁牵引系统，彻底开启了“永磁列车”高速发展的时代，许多城市也陆续开始推广应用。北京地铁9号线09038车也试点装载永磁同步电气牵引系统，该系统是由湘潭电机开发研制，系统整体运行稳定。地铁车辆牵引变流器在运行时容易出现直流侧振荡[1-3]，永磁牵引变流器也会出现这种现象，这不仅影响整个电传动系统的功能及稳定性，有时甚至可能会涉及地铁电源网络及乘客安全。本文结合实验中出现的直流电压波动现象，利用比例谐振控制器提取波动分量前馈补偿，抑制电压波动，稳定整个传动系统。

1 永磁牵引变流器

北京地铁9号线列车编组形式为：Tc1—M2—T3—M4—M5—Tc6，是3动3拖结构，其中1动1拖为一个牵引单元。针对一列车的永磁电气牵引传动系统，研制了12台永磁牵引同步电机、3台永磁VVVF逆变器装置来替换038车中的原异步系统电机和VVVF逆变器，其他设备均采用原车产品。新装载的永磁同步牵引系统与原车装载的异步牵引系统，在接口、协议、尺寸等方面保持一致，能够完全替换。永磁牵引VVVF逆变器依据永磁同步电机的特点，采用1C1M方式，主电路拓扑结构为二电平，采用先进的矢量控制算法。永磁同步电机定子结构形式与异步电机类似，采用永磁体内置式转子结构，全封闭，降噪减重，与异步电机相比，功率密度更高。

VVVF逆变器主要技术参数如下。

输入电压：DC750 V（500～900 V，再生制动时1 000 V）。

控制容量：4×180 kW永磁牵引电机。

输出电压：0～550 V。

输出频率：-7～180 Hz。

额定输出电流：205 A×4。

控制方式：VVVF矢量控制。

额定工作点效率：0.98。

防护等级：IP55。

冷却方式：热管走行风冷。

永磁牵引系统的主电路如图1所示，受流器接触第三轨，先对电容预充电，然后经电感FL、电容FC的滤波回路，通过IGBT逆变输出，驱动永磁同步电机。根据参考文献[1-5]，变流器的直流侧特性由于是负阻抗，往往使得电压或电流常出现波动现象，而波动频率一般在电容电感的谐振频率附近，可通过增大线阻、增大电容或减少电感来增加系统阻尼。考虑到成本及散热等问题，常采用软件方法来抑制波动。

图1 主电路框图

2 电压稳定控制

在对地铁永磁同步牵引电机控制中，VVVF逆变器采用通过控制电机不同目标转矩下q轴电流给定和d轴电流给定的关系，来实现最大转矩电流比控制。这样可以保证在输出一定转矩Te的条件下，使得定子绕组电流最小，从而降低装置损耗，提高电气传动系统的效率。

逆变器具体控制框图如图2所示。根据司控器或者ATO的指令，VVVF逆变器将指令转换为永磁电机转矩，再利用最大转矩电流比控制方法，得到当前的dq轴电流给定。电流传感器采样的电机电流利用旋转变压器的角度信息进行分解，得到实际的dq轴电流。dq轴电流给定与实际dq轴电流相减，再经过PI调节控制器，可以得到dq轴下的输出控制电压，再经过变换输出SVPWM，驱动IGBT逆变器输出交流到永磁电机。

图2 电压稳定控制框图

根据前面的介绍，为了增大整个永磁电气传动系统的阻尼，使系统呈现正阻抗特性，往往利用直流电压波动部分对转矩补偿的方法，来实现抑制波动保持稳定的目的，本文也是采用这种方式。

首先通过电容电压传感器采样得到电容电压Udc，然后通过比例谐振控制器提取电容电压的波动量△Udc。比例谐振控制器（PR控制器）的传递函数如下：

式（1）中：Kp为比例系数；Kr为谐振系数；ω0为谐振频率。

比例谐振控制器能够无静差跟踪特定频率信号，该控制器在谐振频率位置，幅值远远高于其他地方，且带宽非常窄，对于含有谐振频率的信号，利用它能够完全分离出谐振信号。在轨道交通应用中，一般选取LC时采取的截至频率为18～25 Hz，这里设定比例谐振控制器的谐振频率也在这个范围内即可。

利用分离得到的直流电压波动量，前馈补偿到转矩指令，实现输出转矩对阻抗的补偿，补偿公式为：

式（2）中系数k根据现场运行情况设定，在对永磁牵引变流器实施补偿时，k值不能太小。

3 试验结果

为了验证控制策略的正确性，通过牵引试验进行永磁电机牵引控制各项参数比对。图3为不采用电压稳定控制的运行波形，直流侧产生波动，且直流电压波动幅度越来越大，永磁电机电流振荡越来越明显，直到电流波动达到过流阈值，逆变器过流故障引起保护停机。也就是说，如果不在系统硬件或软件上采用有效改进措施，大部分的牵引传动系统中都有可能出现这种波动现象。

图3 未采用稳压控制的电容电压和电机电流

图4为系统采用稳压策略后，在整个运行过程中，无论是否带有载荷，相关数据（电容电压和电机电流）没有出现明显的振荡，其波动得到有效抑制，说明该方法有效。

图4 采用稳压控制的电容电压和电机电流

永磁牵引系统在北京地铁9号线装载后，在正线试验运行时的直流电容电压和直流电流、速度、转矩以及电机电流波形如图5所示，P4挡牵引启动，运行速度到80 km/h，然后采用B7制动停车，可以看到整个牵引/制动过程中，没有出现电压的波动，电机电流也运行平稳。在装车后正线运行时，直流电压波动频率有可能会受到正线其他挂网设备的影响，而与试验分析的电容电感谐振频率有所不同，具体频率还需获得数据后分析计算，再确定比例谐振控制器的频率设定值。

图5 牵引/制动下的直流电容电压和直流电流、速度、转矩以及电机电流波形

永磁电气牵引系统在北京9号线正线上完成各项装车实验，包括AW0AW3载荷下的牵引制动运行、道路救援、空转滑行、电力中断、再生负荷中断、洗车试验、超速试验、旅行速度测试及耗电量分析等项目，截至目前运行里程超过2 000 km，该系统与车辆及其他各子系统匹配良好，系统运行稳定可靠，表明系统中的永磁电机控制方法及本文中的直流稳压补偿策略运用正确。

4 总结

本文通过分析牵引传动系统的直流电压波动现象，采用比例谐振控制器的方法，即利用比例谐振控制器提取分离出直流电压波动量，再前馈补偿到给定转矩，通过输出转矩增大系统阻抗的方法来稳定电压，抑制牵引变流器工作时的直流振荡。本文通过试验及实际线路运行效果，验证该方法不仅有效且可靠性高，满足工程化应用。