地铁牵引传动系统LC谐振抑制方法研究

摘要

近年来轨道交通在国内各主要城市发展迅猛，地铁列车-牵引网的稳定运行是确保乘客安全以及城市交通秩序的关键，因此地铁牵引传动系统的稳定性成为近年来研究的重点，受到广泛的关注。地铁列车为直-交变流结构，稳定的直流供电是牵引传动系统良好调速性能的关键。然而受车载变流装置本身空间、重量以及谐波抑制等诸多因素的限制，充当稳压滤波的直流侧滤波电感以及支撑电容的选值往往难以满足系统稳定性的需要，同时由矢量控制等调速方案在负载侧所引起的负阻抗极大地削弱了系统阻尼，使得系统在外界激励作用下容易发生直流侧振荡。因此，研究分析这一车网失稳现象，探究其失稳机理并提出振荡抑制措施具有重要的理论和工程应用意义。本文的具体工作内容如下： 首先介绍了地铁牵引传动系统的主电路，对其运行机制以及拓扑结构进行了分析；同时，介绍了三相异步电机的基本数学模型，并结合坐标变换阐述了电机转子磁场定向间接矢量控制的原理及实现方案。 其次，结合系统简化等效电路，对引起牵引传动系统LC振荡失稳的原因进行了分析，并结合列车与牵引网主电路结构讨论分析了可能的失稳拓扑。在此基础之上，分析了阻抗比判据，结合小信号建模方法，构建了基于矢量控制方案的牵引传动系统阻抗模型，并依据系统输入阻抗与输出阻抗构建了阻抗比判据。同时，基于此判据条件以及稳定性分析理论，分别讨论分析了不同工况下系统的稳定性，并重点分析了系统输入功率以及直流侧滤波参数对系统稳定性的影响。 再次，依据阻尼补偿的思想，首先结合三种阻尼电路，分析了基于主电路拓扑改进的被动阻尼方案，给出了各阻尼电路的参数计算公式，并通过仿真分析讨论了各阻尼电路的振荡抑制效果。在此基础之上，阐述了基于前馈环节补偿的主动阻尼抑制方案，分析了基于最小扰动的补偿参数选取方法。同时，针对电压补偿在高速弱磁区域可能引起的补偿过调制情况提出了一种功率平衡控制方法，最终实现了系统直流侧在全速域下的稳定控制。 最后，搭建了以OP5600/RT-LAB平台与DSP-TMS320F28335控制器为核心的硬件在回路半实物测试平台。基于该平台完成了地铁牵引传动系统的建模以及矢量控制程序的设计，并完成了基于主、被动阻尼抑制方法以及电机矢量控制算法的半实物实验验证。计算机仿真以及半实物平台的测试结果都验证了本文提出的振荡抑制算法的有效性和正确性。

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