复兴号动车组全部制动试验（如何解决复兴号动车组在静调试验中的直流母线电压大幅振荡问题）

#创作挑战赛#

近年来，我国轨道交通领域发展迅猛，高速动车组设计产品谱系化发展。牵引变流器作为电力电子装置，是级联系统动车组牵引供电的关键，保证其稳定可靠运行是首要目标。在中车唐山机车车辆有限公司厂内静调工位试验中，CR400BF-A-3096“复兴号”长编动车组曾出现11车升弓后，设备启动过程中，中间直流环节电压异常，引起牵引控制单元（Transmission Control Unit, TCU）误动，造成受电弓“顶网”的不利情况。

后来经铁科院软件监测，发现中间直流环节电压出现了大幅度振荡的情况。中间直流环节电压振荡失稳将对动车组供电系统乃至动车组安全稳定运行造成极大威胁。此外有研究表明，城轨车辆牵引系统直流侧同样存在耦合振荡的情况。学者们对于提升电力电子变换器直流侧稳定性进行了深入的研究，总结归纳出直流侧电压出现振荡的原因与直流侧滤波装置、网侧电压电流波动、恒功率负载投切以及电力电子装置级联等因素有关。

现有研究多对直流微电网、VSC-HVDC系统和轨道交通牵引逆变器等领域的直流侧电压振荡以及由于动车组与牵引网耦合交互所导致的低频振荡现象进行细致深入的分析研究，而对由于系统耦合交互而导致的动车组中间直流环节大幅振荡的研究相对较少。在高速动车组设计“主辅一体化”和“轻量化”的背景下，通过研究针对源侧整流器的控制策略来提高牵引变流器中间直流环节稳定性是很有意义的。

为解决厂内静调试验中高速动车组牵引变流器模拟牵引工况下，其中间直流环节发生电压大幅振荡的问题，天津理工大学天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室、中车大连电力牵引研发中心有限公司、天津大学智能电网教育部重点实验室的研究人员周雪松、胡一凡、马幼捷、曲诗健、宋关羽，在2022年第14期《电工技术学报》上撰文，提出一种引入电压补偿环节的虚拟电阻控制方法，可提高牵引变流系统的稳定性。

图1 牵引变流系统实际运行状态

他们指出，该项研究是基于以下假设，针对复兴号动车组静调试验环节投入负载时，中间直流环节电压可能出现大幅跌落至正常工作电压值以下以及出现短时大幅振荡的情况，在系统耦合交互层面探究出现振荡的原因并提出改进措施。假设：（1）建模时忽略了中间直流环节接地故障模块和保护模块等非线性元件，上述元器件对直流电压影响可忽略不计；（2）网侧电压稳定理想，未计及网侧电压扰动；（3）两台单相PWM整流器各项参数保持一致，视为完全相同。

图2 半实物实验平台

研究人员在单相PWM整流器dq坐标系数学模型的基础上，建立源侧整流器与二次谐振电路并联的等效输出阻抗模型以及牵引逆变单元和辅助变流器的等效输入阻抗模型，并基于上述模型，结合Bode图和Nyquist曲线分析直流环节电压出现振荡的主要原因，即二次谐振电路与恒功率负载间的交互作用会引发中间直流环节电压振荡。

研究表明，所提的振荡抑制方法利用虚拟电阻等效增加了负载侧输入阻抗，使得系统开环增益满足禁区稳定判据，可提升系统的稳定裕度。

他们最后认为，1）负载电机功率和电压补偿系数的增加都会使得牵引变流系统的稳定性变差；2）虚拟阻值越大，等效于增大了负载输入阻抗的大小，抑制了中间直流环节电压振荡，使系统开环传函满足禁区稳定判据，提升了系统稳定裕度；3）虚拟电阻控制会增大系统稳态误差，而电压补偿环节能够减小系统稳态误差，但其补偿效果有限，仍需后续进一步改进。

本文编自2022年第14期《电工技术学报》，论文标题为“动车组静调试验中直流母线电压振荡分析与抑制”。本课题得到国家自然科学基金面上项目和天津市自然科学基金项目的支持。

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