基于混合供电技术牵引系统优化控制策略的研究

  目前，新型地面供电和车载储能混合供电有轨电车的地面供电技术，分别采用阿尔斯通的 APS、庞巴迪的 PＲIMOVE 和安萨尔多的 TＲAMWAVE 这3 种方式，在具体实现方案上存在较大差异，本文主要针对安萨尔多提供的 TＲAMWAVE 方案进行牵引控制策略的优化。

当列车行驶在地面供电模块时，列车底部的受电靴受流装置通过磁力吸附 TＲAMWAVE 地面供电系统的柔性导电排，受电靴导通得电，为列车提供电力。当列车驶出该区域，柔性导电排失去吸力落回地面模块内，轨道不带电，确保行人安全。经过道岔和供电站节点时进入无电区，此时转换为超级电容供电，保证列车的正常运行。

与传统有轨电车相比，地面供电方式更加美观，无需在车站顶部设置供电装置，彻底消除了接触网对于城市美观度的影响。并且列车采用混合供电模式，不受运行环境限制。

但是，采用该供电方式在调试过程中发现有如下几个问题: ①受电靴供电方式，路况对其供电质量影响较大，供电电压波动大，存在多处无电区区域影响列车稳定运行。②无电区区域距离较短，保证列车平稳运行的同时，需进行快速切换。③受超级电容容量限制，需对能量进行合理分配，保证列车无亏电救援的风险。

针对以上问题，本文对牵引系统控制算法进行了优化，并通过线路运行试验，验证了本文提出算法的合理性和可行性。

1 基于混合供电优化策略研究

1．1 混合供电基本原理

如图 1 所示，牵引控制系统主要包括预充电模块( 网压传感器 SV1、主接触器 KM1、充电接触器KM2、充电电阻 Ｒ1) 、滤波模块( 滤波电抗器 L) 、逆变器模块( 支撑电容 C1、慢放电电阻 Ｒ2) 、牵引电机、制动电阻 BＲ、DC /DC 模块、超级电容 SC 等。系统运行在牵引模式时，供电电源通过预充电回路、滤波回路，经过逆变器输出三相交流电给牵引电机供电; 系统运行在制动模式时，牵引电机制动能量通过 DC /DC 模块回馈给超级电容，超级电容无法吸收时回馈电网; 电网无法吸收剩余能量时，通过制动电阻进行能量的释放; 系统运行在无电区时，超级电容通过 DC /DC 模块将直流供电电压抬升至牵引工况下的电压，经过逆变器输出三相交流电给牵引电机供电。

1．2 混合供电控制算法优化

1．2．1 功率限制控制策略

牵引系统接收到无电区指令后，如果牵引系统和 DC /DC 供电系统配合不当，会造成冲击产生过流等故障。牵引系统和 DC /DC 供电系统需要在有电区和无电区之间进行快速转换配合。

因此，需要对牵引系统和 DC /DC 供电系统配合逻辑进行优化。为了防止牵引输出瞬时功率和长时工作功率超过超级电容设定阈值，需对牵引有电区和无电区切换以及无电区运行时的功率进行限定，通过牵引系统内部 CAN 通信，接收超级电容给定母线电流保护阈值，则根据下式可知:

P*dc = Udc I*dc ( 1)

T*em = 9550·P*dc·ηdcn ( 2)

△Tem = T*em － Tem ( 3)

STe = k·n·△Tem ( 4)

式中: T*em为电机计算转矩; P*dc 为母线侧功率给定;Udc为母线电压检测值; I*dc 为超级电容母线供电电流阈值; △Tem为给定转矩和实际转矩差值; STe为转矩步长; k 为转矩步长系数; ηdc为逆变器效率; n 为电机转速。

根据式( 1) 可知，通过超级电容母线电流阈值可确定牵引输出功率，式( 2) 和式( 4) 确定无电区输出转矩和转矩调节系数。其中，转矩调节系数是根据列车转速和增益系数确定。当列车进行有电区和无电区切换时，根据列车速度进行转矩调节系数的动态调节。

1．2．2 超级电容电压预先控制策略

在功率限制的基础之上，引入超级电容端电压预先控制，根据超级电容的剩余容量与充放电状态对超级电容的输出功率进行修正，以防止超级电容因端电压达到上下限而停止工作。

超级电容存储能量与端电压关系为:

Esc = 12CscU2sc ( 5)

其中: Esc为超级电容能量; Csc为超级电容容值; Usc为超级电容端电压。由于超级电容能量密度较小，因此其输出功率越大，输出时间越长，超级电容的

能量越容易达到*大*小限值，即端电压越容易达到上下限值。超级电容端电压过高会缩短超级电容的使用寿命，甚至击穿电容，而其端电压过低又会导致输出同等功率时的输出电流过大而引起过热，严重时触发系统保护。因此，在超级电容供电阶段，需要根据超级电容端电压进行输出功率动态调节，可以减小超级电容寿命的损耗，同时可以保证列车平稳运行。

根据下式可知超级电容容量为:

Ssc = Usc － UscminUscmax － Uscmin( 6)

式中: Ssc为超级电容容量; Usc为超级电容端电压;Uscmin为超级电容端电压*小阈值; Uscmax为超级电容端电压*大阈值。由式( 6) 可知，超级电容容量与端电压成线性关系。通过牵引系统内部 CAN 通信，牵引实时接收超级电容发送的端电压和剩余容量值，进行输出转矩预先控制。原理框图如图 2 所示。

通过超级电容容量和端电压对牵引输出功率进行动态修正，当进行有电区和无电区切换时，可实现平滑切换，且不会使超级电容产生过放的情况。当列车进入无电区运行时，保证列车正常平稳运行的同时尽量减少超级电容的损耗。

1．2．3 振荡抑制控制策略

实际线路的地面供电系统采用意大利安萨尔多( Ansaldo) 的 TＲAMWAVE 技术方案，该方案采用自然磁力技术，安装在车辆转向架下方的集电器与地面模块内的弹性磁铁条都装有永磁材料，当集电器处于放下状态时，模块内的弹性磁铁条受磁力作用上升，使模块表面与电源正极连通，集电器通过与区段供电模块的金属板板面接触从而将供电电源正极引入车内。只有与集电器接触的区段金属板才有电，而当集电器离开模块表面后，弹性磁铁条受重力作用，回落到与安全负极相接触的位置，模块表面失电，安全负极维持各区段接地; 当集电器处于收起状态时，集电器与模块之间的磁力强度不足以吸起弹性磁铁条，因此无法激活地面供电模块，所有区段维持接地状态［1］。

该技术方案受线路条件影响，存在受电靴与导电排接触不牢或地面供电模块存在中断区域，使得线路出现多处失电区，当列车驶入该区域，主电路会瞬间失压，影响列车稳定运行，甚至会导致列车出现过流故障。地面供电时，母线电压和母线电流情况如图 3 所示。

列车运行至失压区时，地面供电电压为 633 V，驶出失压区电压为 809 V，电压变化峰峰值△Up－p =176 V，时间变化为△t = 135 ms。根据电流和电压变化之间关系可知:

iDC = CDC·duDCdt ( 7)

当线路电压变化率*大时作用在支撑电容两端产生的感应电流为 iDCmax = 95 A，此时当列车输出功率较大时，直流电抗器电流饱和，电感值下降，母线 LC 滤波饱和失效，母线电流产生振荡，如不进行抑制，*终会使系统产生母线电流过流振荡，影响列车运行。

采用振荡抑制控制算法进行抑制。异步电机输入三相电压是由逆变器开关管对直流母线电压Udc进行斩波合成后得到，其空间矢量可以表示如下［2］:

Us( t) = k( t) Ud( t) ( 8)

其中 k( t) 为脉宽调制( PWM) 等效系数，Ud( t)为该时刻开关电压值。为了抑制直流侧振荡，可将上式 k( t) 定义如下:

k( tk+1 ) = 1Tp∫t k+1tkk( τ) dτ = usref( tk )Ud( tk )( 9)

k( tk+1 ) 为 k+1 个周期内的平均值; usref为定子电压给定值; Ud( tk ) 为 k 个周期内平均值。

通过式( 8) 和式( 9) 可得空间电压矢量数学模

型为:

us( t) = usref( t) + Ud( t) [ ] 1 － A( t) usref0Ud0( 10)

通过电压与电流关系可以推导出:

isq( t) ≈ Gc( p) isqref( t) + Gc( p) Ud( t) ( 11)

其中 usref0和 Ud0为稳态值，通过上式可知，通过对定子转矩电流分量 isq进行动态补偿可以有效对振荡进行抑制。

通过对传感函数进行离散化后，将式( 11) 进行工程简化可得:

i'sq = i*sq － isq + kq·△isq ( 12)

其中: i'sq为 q 轴电流实际给定值; i*sq 为 q 轴电流额定给定值; isq为 q 轴电流反馈值; △isq为 q 轴电流补偿值; kq 为 q 轴电流补偿系数。

根据振荡抑制数学模型实时计算补偿电流值，对 q 轴电流实际给定值进行补偿，增加系统等效电阻。

2 基于混合供电算法试验分析

试验设备: 混合供电低地板有轨电车( 见图 4)及其配套供电系统、PTU 监控软件及笔记本电脑。

试验条件: 地面供电电压给定 750 V，运行线路经过失压区和无电区，观测列车经过失压区、有电区－无电区切换时母线电压、母线电流、输出电流情况。试验波形如图 5 所示。

该试验使列车在有电区通过失压区域，观测牵引系统运行情况。失压区电压变化为△Up－p = 170V，基于本文提出优化方法，通过对 q 轴电流实际给定值进行补偿，增加系统等效电阻，使母线振荡得到有效抑制。

该试验使列车在有电区和无电区切换，观测牵引系统运行情况。基于超级电容电压预先控制，当牵引系统进行有电区和无电区切换时:

( 1) 有电区进入无电区。切换到超级电容供电，牵引输出转矩根据超级电容当前电压进行了动态修正，Tem = T*em －k·EDC，超级电容无过载情况。

( 2) 无电区进入有电区。牵引系统通过无电区标志判定列车已驶出无电区，此时解除功率限制，输出转矩恢复正常并平滑变化，无冲击。

该试验使列车在无电区运行直至超级电容亏电，观测牵引系统运行情况。当超级电容供电能量不足，牵引系统根据功率限制模型，对逆变器输出功率进行修正直至超级电容能量输出为 0。

3 结论

本文研究混合供电技术，进行了国产化列车适配，针对运行环境中出现的失压区母线振荡、有电区无电区切换、无电区能量管理等问题，提出了一种基于混合供电技术牵引系统优化控制算法，通过线路试验验证了方法的合理性和可行性。

通过试验结果表明，本文采用的功率限制控制、超级电容电压预先控制、振荡抑制控制策略，试验结果与理论结果基本一致，达到预期，可以有效抑制失压区直流侧电压、电流振荡; 有电区无电区平稳切换，无电区运行时牵引系统输出转矩动态修正，防止超级电容过载损坏电容。