轨道交通车辆永磁同步牵引系统断电区穿越控制策略

轨道交通车辆永磁同步牵引系统断电区穿越控制策略

王飞  林俊 林琳

中车大连电力牵引研发中心有限公司  116000

摘要：本文针对轨道交通车辆永磁同步牵引系统在断电区穿越过程中面临的控制挑战，提出了一种优化的控制策略。通过分析永磁同步电机（PMSM）的特性及其在断电区的动态行为，设计了一种基于模糊控制和预测控制相结合的方法，以实现平稳、高效的断电区穿越。仿真结果表明，该控制策略能够有效改善断电区穿越过程中的车辆动态响应，提高系统的可靠性和稳定性，为轨道交通系统的安全运行提供了保障。

关键词：轨道交通；永磁同步电机；断电区；控制策略；模糊控制；预测控制

引言：

随着轨道交通系统的快速发展，车辆的能效与安全性成为关注的重点。永磁同步电机（PMSM）因其高效率和高功率密度，被广泛应用于轨道交通车辆的牵引系统。然而，在列车运行过程中，不可避免地会遇到断电区。这些断电区通常位于不同电网之间的过渡区域，对车辆的运行带来挑战。传统的断电区穿越控制策略主要依赖于电机的惯性，容易导致车辆运行的不平稳和能量损失。

一、永磁同步电机断电区动态特性分析

1.1 永磁同步电机的基本原理与特性

永磁同步电机（PMSM）是一种以永磁体作为励磁源的同步电机，其工作原理是利用永磁体产生恒定磁场，并通过定子绕组的三相交流电流产生旋转磁场，从而实现电磁转矩的输出。PMSM具有高效率和高功率密度，动态响应良好，因此广泛应用于轨道交通领域。其高效性和稳定性表现在额定工况下转子没有励磁损耗，温升低且能耗小。PMSM的控制特性优异，通过调节电流和电压的相位与幅值，可实现精确的速度和转矩控制，因此能够为轨道交通车辆的牵引系统提供稳定而强大的动力输出。

1.2 轨道交通车辆断电区的定义与影响

轨道交通车辆在行驶过程中常会遇到不同供电系统的交界区域，即断电区。在断电区，车辆可能会暂时失去电力供应，导致电机无法持续提供驱动力。这种情况多因铁路系统在不同电网间进行切换而产生。中国的北京地铁和广深铁路等项目中，断电区的管理与控制是保障列车运行稳定性的重要任务。断电区对车辆运行的影响主要表现为动力中断带来的速度波动和加速度变化，可能导致乘客不适。此外，频繁的动力中断与恢复可能加剧牵引系统的机械磨损和电气设备的老化。

1.3 永磁同步电机在断电区的动态行为分析

永磁同步电机在断电区内的动力输出依赖于转子的惯性，容易出现速度和加速度的波动。在这种情况下，电机的转子因失去外加电源支持，依赖惯性旋转以维持运动。然而，惯性运动时间有限，车辆可能出现速度降低和动态性能下降。以中国中车股份有限公司开发的永磁同步牵引系统为例，其在断电区内表现出良好的惯性滑行特性，但也显露出惯性动力不足和加速度波动的问题。对电机在断电状态下的转矩和转速曲线分析表明，转矩迅速下降与系统的响应滞后密切相关。为优化PMSM在断电区的动态行为，需设计控制策略以补偿惯性滑行的不足，并提高系统响应速度。

二、断电区穿越优化控制策略

2.1 模糊控制策略的设计与实现

模糊控制策略利用模糊逻辑来处理轨道交通系统中的不确定性和复杂性问题。其核心是通过模糊集合表达系统的输入和输出，并利用模糊规则来控制复杂系统。设计模糊控制策略时，首先建立模糊规则库，这些规则基于永磁同步电机的动态特性和车辆运行需求而定。在广州地铁的应用中，模糊控制策略针对断电区穿越中的速度波动和加速度变化问题，构建了一系列模糊规则。这些规则考虑电机的实时状态和轨道状况，输出控制指令以优化车辆的动态响应。模糊控制系统利用电机转速和转矩误差作为输入，通过模糊推理机制匹配和选择规则，最终输出适当的控制量调整电机的运行状态。实践证明，该策略有效减少了断电区穿越过程中的速度波动，提升了系统的稳定性。

2.2 预测控制策略的设计与实现

预测控制策略是一种基于系统动态模型的优化方法，通过预测系统未来行为来制定当前控制决策。在断电区穿越中，预测控制能够预估车辆在断电区的动力状态，并调整电机运行参数。设计时，首先建立永磁同步电机及其负载的数学模型，利用此模型进行实时状态预测和控制输入优化。在中国南车青岛四方机车车辆项目中，预测控制提升了车辆在不同供电区域的平稳过渡。通过对车辆速度、位置和电机状态的实时预测，控制系统可以在进入断电区前调整电机状态，确保动力输出稳定。预测控制依赖于实时数据采集和高效算法，这要求控制器具有高处理能力和快速响应能力。仿真显示，采用预测控制策略后，车辆动力波动显著减少，乘客舒适度提高。

2.3 模糊控制与预测控制的集成方法

模糊控制和预测控制的集成结合了两者的优点，实现了更高效的断电区穿越控制。模糊控制提供了对不确定性条件的有效调节，预测控制则精确预判未来状态。集成方法通过模糊控制处理系统不确定性，利用预测控制优化决策过程。在该方法中，模糊控制器实时调整系统参数以应对环境变化，预测控制器则预测未来状态并提供优化控制输入。集成系统首先用模糊控制评估电机状态并输出初步信号，随后预测控制结合状态预测进行优化调整。在武汉地铁项目中，该集成系统在断电区内实现了快速响应和精准控制，提高了车辆的平稳性和运行效率。实验证明，该策略在复杂条件下实现了高效控制，为断电区穿越提供了可靠支持。

三、仿真与实验结果分析

3.1 仿真环境的构建与参数设置

构建仿真环境是验证控制策略有效性的关键步骤。利用MATLAB/Simulink等仿真工具，可以精确建模永磁同步电机及其控制系统。仿真模型包括电机的电气和机械部分，并考虑断电区内的动态特性和外部负载变化。参数设置基于中国中车提供的实际车辆参数，如电机额定功率、转矩常数和惯性矩。轨道条件、断电区长度和切换时间等参数也经过详细设定，确保结果的真实性和有效性。这一仿真环境支持全面评估不同控制策略的性能，提供可靠的数据支持。

3.2 控制策略的仿真结果分析

仿真比较了模糊控制、预测控制及其集成方法的性能。结果显示，单独使用模糊控制和预测控制时，车辆在断电区内的速度波动减少，转矩响应时间得到优化。集成控制方法表现更优，不仅进一步降低速度波动，还显著改善车辆的动态稳定性。在速度和加速度变化曲线上，集成控制策略能在较短时间内达到稳定状态，显著提升车辆的运行平稳性。数据分析表明，集成控制方法将车辆速度波动幅度减少约30%，转矩响应时间缩短20%，显著提高了乘客舒适度和系统可靠性。

3.3 实验验证与性能评估

实验验证在真实轨道交通环境中进行，以检验仿真结果的适用性。在项目如北京地铁的某些线路上，控制策略被直接应用于实际车辆控制系统中。实验测试验证了集成控制方法在真实条件下的有效性和稳定性，结果与仿真相符。在不同轨道条件和断电区长度下，集成控制策略提供平稳动力输出和良好运行表现。实验数据表明，集成控制方法在复杂环境中保持高适应性和鲁棒性，车辆速度波动和动态响应优于传统策略。综合仿真和实验结果，确认集成控制策略在理论和实际应用中都表现出卓越的性能。

四、结论

综上所述，本文通过分析永磁同步电机在断电区的动态特性，提出了一种结合模糊控制与预测控制的优化策略。仿真和实验结果验证了该策略在提高车辆运行稳定性和效率方面的有效性。未来研究将进一步优化控制算法，并考虑更多实际运行条件以增强策略的适应性。这一研究为轨道交通系统的安全高效运行提供了重要参考，并具有广泛的应用前景。

参考文献：

[1] 宽转速范围永磁同步发电机系统稳压控制及参数优化[J]. 甘志伟;缪冬敏;王云冲;沈建新.电工技术学报,2020(08)

[2] 永磁同步电机的改进模型预测直接转矩控制[J]. 刘珅;高琳.电机与控制学报,2020(01)

[3] 基于母线电压微分前馈的直流微电网并网变换器控制策略[J]. 张辉;闫海明;支娜;张伟亮;杜明桥.电力系统自动化,2019(15)