目前，新型地面供電和車載儲(chǔ)能混合供電有軌電車的地面供電技術(shù)，分別采用阿爾斯通的 APS、龐巴迪的 PＲIMOVE 和安薩爾多的 TＲAMWAVE 這3 種方式，在具體實(shí)現(xiàn)方案上存在較大差異，本文主要針對(duì)安薩爾多提供的 TＲAMWAVE 方案進(jìn)行牽引控制策略的優(yōu)化。

當(dāng)列車行駛在地面供電模塊時(shí)，列車底部的受電靴受流裝置通過磁力吸附 TＲAMWAVE 地面供電系統(tǒng)的柔性導(dǎo)電排，受電靴導(dǎo)通得電，為列車提供電力。當(dāng)列車駛出該區(qū)域，柔性導(dǎo)電排失去吸力落回地面模塊內(nèi)，軌道不帶電，確保行人安全。經(jīng)過道岔和供電站節(jié)點(diǎn)時(shí)進(jìn)入無電區(qū)，此時(shí)轉(zhuǎn)換為超級(jí)電容供電，保證列車的正常運(yùn)行。

與傳統(tǒng)有軌電車相比，地面供電方式更加美觀，無需在車站頂部設(shè)置供電裝置，徹底消除了接觸網(wǎng)對(duì)于城市美觀度的影響。并且列車采用混合供電模式，不受運(yùn)行環(huán)境限制。

但是，采用該供電方式在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)有如下幾個(gè)問題: ①受電靴供電方式，路況對(duì)其供電質(zhì)量影響較大，供電電壓波動(dòng)大，存在多處無電區(qū)區(qū)域影響列車穩(wěn)定運(yùn)行。②無電區(qū)區(qū)域距離較短，保證列車平穩(wěn)運(yùn)行的同時(shí)，需進(jìn)行快速切換。③受超級(jí)電容容量限制，需對(duì)能量進(jìn)行合理分配，保證列車無虧電救援的風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)以上問題，本文對(duì)牽引系統(tǒng)控制算法進(jìn)行了優(yōu)化，并通過線路運(yùn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了本文提出算法的合理性和可行性。

1 基于混合供電優(yōu)化策略研究

1．1 混合供電基本原理

如圖 1 所示，牽引控制系統(tǒng)主要包括預(yù)充電模塊( 網(wǎng)壓傳感器 SV1、主接觸器 KM1、充電接觸器KM2、充電電阻 Ｒ1) 、濾波模塊( 濾波電抗器 L) 、逆變器模塊( 支撐電容 C1、慢放電電阻 Ｒ2) 、牽引電機(jī)、制動(dòng)電阻 BＲ、DC /DC 模塊、超級(jí)電容 SC 等。系統(tǒng)運(yùn)行在牽引模式時(shí)，供電電源通過預(yù)充電回路、濾波回路，經(jīng)過逆變器輸出三相交流電給牽引電機(jī)供電; 系統(tǒng)運(yùn)行在制動(dòng)模式時(shí)，牽引電機(jī)制動(dòng)能量通過 DC /DC 模塊回饋給超級(jí)電容，超級(jí)電容無法吸收時(shí)回饋電網(wǎng); 電網(wǎng)無法吸收剩余能量時(shí)，通過制動(dòng)電阻進(jìn)行能量的釋放; 系統(tǒng)運(yùn)行在無電區(qū)時(shí)，超級(jí)電容通過 DC /DC 模塊將直流供電電壓抬升至牽引工況下的電壓，經(jīng)過逆變器輸出三相交流電給牽引電機(jī)供電。

1．2 混合供電控制算法優(yōu)化

1．2．1 功率限制控制策略

牽引系統(tǒng)接收到無電區(qū)指令后，如果牽引系統(tǒng)和 DC /DC 供電系統(tǒng)配合不當(dāng)，會(huì)造成沖擊產(chǎn)生過流等故障。牽引系統(tǒng)和 DC /DC 供電系統(tǒng)需要在有電區(qū)和無電區(qū)之間進(jìn)行快速轉(zhuǎn)換配合。

因此，需要對(duì)牽引系統(tǒng)和 DC /DC 供電系統(tǒng)配合邏輯進(jìn)行優(yōu)化。為了防止?fàn)恳敵鏊矔r(shí)功率和長(zhǎng)時(shí)工作功率超過超級(jí)電容設(shè)定閾值，需對(duì)牽引有電區(qū)和無電區(qū)切換以及無電區(qū)運(yùn)行時(shí)的功率進(jìn)行限定，通過牽引系統(tǒng)內(nèi)部 CAN 通信，接收超級(jí)電容給定母線電流保護(hù)閾值，則根據(jù)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為電機(jī)計(jì)算轉(zhuǎn)矩; P*dc 為母線側(cè)功率給定;Udc為母線電壓檢測(cè)值; I*dc 為超級(jí)電容母線供電電流閾值; △Tem為給定轉(zhuǎn)矩和實(shí)際轉(zhuǎn)矩差值; STe為轉(zhuǎn)矩步長(zhǎng); k 為轉(zhuǎn)矩步長(zhǎng)系數(shù); ηdc為逆變器效率; n 為電機(jī)轉(zhuǎn)速。

根據(jù)式( 1) 可知，通過超級(jí)電容母線電流閾值可確定牽引輸出功率，式( 2) 和式( 4) 確定無電區(qū)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)系數(shù)。其中，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)系數(shù)是根據(jù)列車轉(zhuǎn)速和增益系數(shù)確定。當(dāng)列車進(jìn)行有電區(qū)和無電區(qū)切換時(shí)，根據(jù)列車速度進(jìn)行轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)系數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

1．2．2 超級(jí)電容電壓預(yù)先控制策略

在功率限制的基礎(chǔ)之上，引入超級(jí)電容端電壓預(yù)先控制，根據(jù)超級(jí)電容的剩余容量與充放電狀態(tài)對(duì)超級(jí)電容的輸出功率進(jìn)行修正，以防止超級(jí)電容因端電壓達(dá)到上下限而停止工作。

超級(jí)電容存儲(chǔ)能量與端電壓關(guān)系為:

Esc = 12CscU2sc ( 5)

其中: Esc為超級(jí)電容能量; Csc為超級(jí)電容容值; Usc為超級(jí)電容端電壓。由于超級(jí)電容能量密度較小，因此其輸出功率越大，輸出時(shí)間越長(zhǎng)，超級(jí)電容的

能量越容易達(dá)到*大*小限值，即端電壓越容易達(dá)到上下限值。超級(jí)電容端電壓過高會(huì)縮短超級(jí)電容的使用壽命，甚至擊穿電容，而其端電壓過低又會(huì)導(dǎo)致輸出同等功率時(shí)的輸出電流過大而引起過熱，嚴(yán)重時(shí)觸發(fā)系統(tǒng)保護(hù)。因此，在超級(jí)電容供電階段，需要根據(jù)超級(jí)電容端電壓進(jìn)行輸出功率動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，可以減小超級(jí)電容壽命的損耗，同時(shí)可以保證列車平穩(wěn)運(yùn)行。

根據(jù)下式可知超級(jí)電容容量為:

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

式中: Ssc為超級(jí)電容容量; Usc為超級(jí)電容端電壓;Uscmin為超級(jí)電容端電壓*小閾值; Uscmax為超級(jí)電容端電壓*大閾值。由式( 6) 可知，超級(jí)電容容量與端電壓成線性關(guān)系。通過牽引系統(tǒng)內(nèi)部 CAN 通信，牽引實(shí)時(shí)接收超級(jí)電容發(fā)送的端電壓和剩余容量值，進(jìn)行輸出轉(zhuǎn)矩預(yù)先控制。原理框圖如圖 2 所示。

通過超級(jí)電容容量和端電壓對(duì)牽引輸出功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正，當(dāng)進(jìn)行有電區(qū)和無電區(qū)切換時(shí)，可實(shí)現(xiàn)平滑切換，且不會(huì)使超級(jí)電容產(chǎn)生過放的情況。當(dāng)列車進(jìn)入無電區(qū)運(yùn)行時(shí)，保證列車正常平穩(wěn)運(yùn)行的同時(shí)盡量減少超級(jí)電容的損耗。

1．2．3 振蕩抑制控制策略

實(shí)際線路的地面供電系統(tǒng)采用意大利安薩爾多( Ansaldo) 的 TＲAMWAVE 技術(shù)方案，該方案采用自然磁力技術(shù)，安裝在車輛轉(zhuǎn)向架下方的集電器與地面模塊內(nèi)的彈性磁鐵條都裝有永磁材料，當(dāng)集電器處于放下狀態(tài)時(shí)，模塊內(nèi)的彈性磁鐵條受磁力作用上升，使模塊表面與電源正極連通，集電器通過與區(qū)段供電模塊的金屬板板面接觸從而將供電電源正極引入車內(nèi)。只有與集電器接觸的區(qū)段金屬板才有電，而當(dāng)集電器離開模塊表面后，彈性磁鐵條受重力作用，回落到與安全負(fù)極相接觸的位置，模塊表面失電，安全負(fù)極維持各區(qū)段接地; 當(dāng)集電器處于收起狀態(tài)時(shí)，集電器與模塊之間的磁力強(qiáng)度不足以吸起彈性磁鐵條，因此無法激活地面供電模塊，所有區(qū)段維持接地狀態(tài)［1］。

該技術(shù)方案受線路條件影響，存在受電靴與導(dǎo)電排接觸不牢或地面供電模塊存在中斷區(qū)域，使得線路出現(xiàn)多處失電區(qū)，當(dāng)列車駛?cè)朐搮^(qū)域，主電路會(huì)瞬間失壓，影響列車穩(wěn)定運(yùn)行，甚至?xí)?dǎo)致列車出現(xiàn)過流故障。地面供電時(shí)，母線電壓和母線電流情況如圖 3 所示。

列車運(yùn)行至失壓區(qū)時(shí)，地面供電電壓為 633 V，駛出失壓區(qū)電壓為 809 V，電壓變化峰峰值△Up－p =176 V，時(shí)間變化為△t = 135 ms。根據(jù)電流和電壓變化之間關(guān)系可知:

iDC = CDC·duDCdt ( 7)

當(dāng)線路電壓變化率*大時(shí)作用在支撐電容兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電流為 iDCmax = 95 A，此時(shí)當(dāng)列車輸出功率較大時(shí)，直流電抗器電流飽和，電感值下降，母線 LC 濾波飽和失效，母線電流產(chǎn)生振蕩，如不進(jìn)行抑制，*終會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生母線電流過流振蕩，影響列車運(yùn)行。

采用振蕩抑制控制算法進(jìn)行抑制。異步電機(jī)輸入三相電壓是由逆變器開關(guān)管對(duì)直流母線電壓Udc進(jìn)行斬波合成后得到，其空間矢量可以表示如下［2］:

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

其中 k( t) 為脈寬調(diào)制( PWM) 等效系數(shù)，Ud( t)為該時(shí)刻開關(guān)電壓值。為了抑制直流側(cè)振蕩，可將上式 k( t) 定義如下:

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

k( tk+1 ) 為 k+1 個(gè)周期內(nèi)的平均值; usref為定子電壓給定值; Ud( tk ) 為 k 個(gè)周期內(nèi)平均值。

通過式( 8) 和式( 9) 可得空間電壓矢量數(shù)學(xué)模

型為:

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

通過電壓與電流關(guān)系可以推導(dǎo)出:

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

其中 usref0和 Ud0為穩(wěn)態(tài)值，通過上式可知，通過對(duì)定子轉(zhuǎn)矩電流分量 isq進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償可以有效對(duì)振蕩進(jìn)行抑制。

通過對(duì)傳感函數(shù)進(jìn)行離散化后，將式( 11) 進(jìn)行工程簡(jiǎn)化可得:

i'sq = i*sq － isq + kq·△isq ( 12)

其中: i'sq為 q 軸電流實(shí)際給定值; i*sq 為 q 軸電流額定給定值; isq為 q 軸電流反饋值; △isq為 q 軸電流補(bǔ)償值; kq 為 q 軸電流補(bǔ)償系數(shù)。

根據(jù)振蕩抑制數(shù)學(xué)模型實(shí)時(shí)計(jì)算補(bǔ)償電流值，對(duì) q 軸電流實(shí)際給定值進(jìn)行補(bǔ)償，增加系統(tǒng)等效電阻。

2 基于混合供電算法試驗(yàn)分析

試驗(yàn)設(shè)備: 混合供電低地板有軌電車( 見圖 4)及其配套供電系統(tǒng)、PTU 監(jiān)控軟件及筆記本電腦。

試驗(yàn)條件: 地面供電電壓給定 750 V，運(yùn)行線路經(jīng)過失壓區(qū)和無電區(qū)，觀測(cè)列車經(jīng)過失壓區(qū)、有電區(qū)－無電區(qū)切換時(shí)母線電壓、母線電流、輸出電流情況。試驗(yàn)波形如圖 5 所示。

該試驗(yàn)使列車在有電區(qū)通過失壓區(qū)域，觀測(cè)牽引系統(tǒng)運(yùn)行情況。失壓區(qū)電壓變化為△Up－p = 170V，基于本文提出優(yōu)化方法，通過對(duì) q 軸電流實(shí)際給定值進(jìn)行補(bǔ)償，增加系統(tǒng)等效電阻，使母線振蕩得到有效抑制。

該試驗(yàn)使列車在有電區(qū)和無電區(qū)切換，觀測(cè)牽引系統(tǒng)運(yùn)行情況。基于超級(jí)電容電壓預(yù)先控制，當(dāng)牽引系統(tǒng)進(jìn)行有電區(qū)和無電區(qū)切換時(shí):

( 1) 有電區(qū)進(jìn)入無電區(qū)。切換到超級(jí)電容供電，牽引輸出轉(zhuǎn)矩根據(jù)超級(jí)電容當(dāng)前電壓進(jìn)行了動(dòng)態(tài)修正，Tem = T*em －k·EDC，超級(jí)電容無過載情況。

( 2) 無電區(qū)進(jìn)入有電區(qū)。牽引系統(tǒng)通過無電區(qū)標(biāo)志判定列車已駛出無電區(qū)，此時(shí)解除功率限制，輸出轉(zhuǎn)矩恢復(fù)正常并平滑變化，無沖擊。

該試驗(yàn)使列車在無電區(qū)運(yùn)行直至超級(jí)電容虧電，觀測(cè)牽引系統(tǒng)運(yùn)行情況。當(dāng)超級(jí)電容供電能量不足，牽引系統(tǒng)根據(jù)功率限制模型，對(duì)逆變器輸出功率進(jìn)行修正直至超級(jí)電容能量輸出為 0。

3 結(jié)論

本文研究混合供電技術(shù)，進(jìn)行了國產(chǎn)化列車適配，針對(duì)運(yùn)行環(huán)境中出現(xiàn)的失壓區(qū)母線振蕩、有電區(qū)無電區(qū)切換、無電區(qū)能量管理等問題，提出了一種基于混合供電技術(shù)牽引系統(tǒng)優(yōu)化控制算法，通過線路試驗(yàn)驗(yàn)證了方法的合理性和可行性。

通過試驗(yàn)結(jié)果表明，本文采用的功率限制控制、超級(jí)電容電壓預(yù)先控制、振蕩抑制控制策略，試驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果基本一致，達(dá)到預(yù)期，可以有效抑制失壓區(qū)直流側(cè)電壓、電流振蕩; 有電區(qū)無電區(qū)平穩(wěn)切換，無電區(qū)運(yùn)行時(shí)牽引系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)修正，防止超級(jí)電容過載損壞電容。