前沿动态 ２０１２年第２期 的电压等级更高、变速风电机组在电网频率发生改变时无法对电网提供频率响应等。 无论风电场装机容量大小，输出功率随机变化的风电接入电网都会对接入地区电网的稳定 性（如频率稳定等）带来不同程度的影响。频率动态的时空分布特性不仅随时间变化，而且各 电气点的频率变化过程亦不完全相同。在系统参数确定的情况下，扰动类型、扰动位置以及扰 动严重程度不同会表现出不同的频率响应特征；反之，频率动态响应的时空特征中也包含有大 量的系统运行和扰动信息，可被广泛用于在线监视、分析与控制。 无速度传感器的动车组牵引传动制理论研究 王涛 （电气学院） 轨道交通装备制造业是国家重点扶持的战略性行业，轨道交通运输装备的最核心技术是牵 引及控制技术，电力牵引控制技术的突破与创新，迅速提高了我国轨道交通装备技术水平。目 前，我国广泛采用交流传动牵引控制，其实质是将单相牵引供电网中的电能变换成三相交流电， 然后驱动交流牵引感应电机，实现对电力机车速度和转矩的控制。铁路重载列车运输和高速铁 路动车组的关键设备是牵引机车或装有动力的车辆，它要求驱动功率大、性能好、效率高，并 且节能环保。牵引动力是影响列车的核心因素，它为列车提供了强有力的动力保证。高速铁路 的迅速发展带来了对动车组巨大需求，目前我国动车组保有量较低，但随着高铁建设进入高潮， 动车组需求面临井喷式增长。 以ＣＲＨ（ＣＨＩＮＡ ＲＡＩＬＷＡＹ ＨＩＧＨ．ＳＰＥＥＤ）电力动车组为例，它采用交一直一交传动，即牵 引电源经过单相定频交流电压一固定直流电压一三相变压变频交流电压 驱动交流感应电动机一 牵引列车运行。首先，受电弓通过接触网接入２５，０００Ｖ（５０Ｈｚ）的高压交流电，输送给牵引变压 器，降压成单相９０２Ｖ（５０Ｈｚ）的交流电。降压后的交流电再输入逆变器（或称变流器），其中２ 台并联的四象限脉冲整流器模块（ＬＣＭ）将输入的交流电压整流成两路１６５０Ｖ直流电，其中一路 直流电再经２台ＩＧＢＴ牵引逆变器模块（ＭＣＭ）逆变成电压和频率均可控制的三相交流电驱动电 压，输送给牵引电机牵引列车，控制其速度和牵引力。动车组的牵引电动机采用了三相感应交流 电动机，电动机控制方式为矢量控制，如图１为ＣＲＨ分散动力的动车组结构示意。 １ Ｔ ２ Ｉ ｛３一 ｌ４ Ｔ ｝５ Ｔ ｌ ６ Ｉ ７ Ｉ ｌ８ Ｔ 忿 ｌ珏 忿 ｌ勰ｃ ｉ甜 ３０ｘｘ０１ ｌ ３０ｘｘ０２ ３０ｘｘ０３ ｛３０ｘｘ０４ ｌ ３０ｘｘ０５ ｝３ｏｚｘＯ６ ；３０ｘｘ０７ ｉ ３０ｘｘ００ 图１ ＣＲＨ分散动力的动车组结构示意（右为感应电机） 以铁路重载运输及高速铁路动车组为对象，研究高性能的感应电动机变频调速具有重要的 理论意义和实际工程价值。交流调速控制中面临的主要困难是交流电动机的理想电机模型是一 作者简介：王涛，男，副教授。 ・２６ ・ 前沿动态 ２０１２年第２期 个五阶的系统，其内部电量存在非线性耦合、转子和定子电量难以量测、参数具有时变性和存 在外部干扰，随着运行点的变化，实际系统会偏离理想电机模型。系统中的不确定性，致使理 想模型下的各种控制方案都难以实现高精度的电机交流调速控制。 我国动车组技术和产品的运用考核时间和运行里程都比较短，自主开发的主变流器的稳定 性和可靠性尚不尽人意，有待不断完善。特别是国外变流装置的控制技术一直在发展，从转差 特性控制到矢量变换控制，又到直接转矩控制。同国外技术比较，在变流技术的“软件”方面存在 着较大差距。因为我国现行的动车组使用的感应电机控制的变流器都是国外引进的，具体控制 外方没有转让，而且现行电机都是有速度传感器的方式。因为牵引电机悬挂在机车或动车底部， 工作环境差，虽然其电力牵引用速度传感器针对恶劣环境进行了特殊设计，但由于其与牵引电机 一体，工作温升超过１００＂Ｃ，且由于路轨的不平顺承受很强的机械应力，速度传感器在机车运 行时的故障率一直较高。相比之下，无速度传感器感应电机控制，其优点在于：（１）增加牵引 感应电机的容量或使牵引电机小型轻量化。带速度传感器的动车牵引电机速度传感器的厚度约 为４０ｍｍ，如果去掉速度传感器，最大能增加２０％的转矩。如果要保持电机功率不变，去掉速度 传感器可使牵引电机小型化，反之，同样尺寸的电机，无速度传感器时，可以提升电机功率， 提升最高速度和剩余加速度；（２）提高传动控制单元（ＤＣＵ）的系统可靠性。在运营中速度传 感器故障要占各种传感器故障数量的一半以上，去掉速度传感器，可以避免因为速度传感器机 械故障导致的系统故障，免除了由于断线必须切除电机的不正常状态，也消除了速度传感器信 号引起的噪声干扰。同时，不需要作速度传感器的维修，免去维修资金和人工成本，省掉了许 多连接电缆，相应地增大了有效空间尺寸，这笔费用在动力分散电动车组尤为可观；（３）可用 于监控和故障诊断。在无速度传感器列车自动控制运行系统中，速度辨识反馈后，可以实现列 车的速度监控和诊断机车故障有实际应用价值，电机无速度传感器控制更能增加系统的可靠性、 简易性和鲁棒性。我国动车组传动控制采用的都是有速度传感器的控制方式，开展无速度传感 器机车电传动的研究，是具有前沿性的课题。国外，无速度传感器已应用于东日本客运公司的 ２０５系５０００型和８８００动车组，其主要参数见表１，牵引逆变器采用３３００Ｖ／１２００Ａ的ＩＧＢＴ元件， ＶＶｖＦ（变压变频）控制，牵引电机为三相鼠笼式感应电机。 表１电动车组主要参数 车组 ２０５系５０００型 ８８００型 供电方式 编组 ＤＣ１５００Ｖ ４Ｍ４Ｔ ＤＣｌ５００Ｖ ４Ｍ４Ｔ 最高速度／ｋｍ．ｈ。 加速度／ｍ・Ｓ。 １００ ０．８９ １００ ０．８３ （０－３０ｋｍ／ｈ，２０ｔ负荷一定） 减速度／ｍ．Ｓ。 控制装置 ０．９７（最大常用） 电压型、两电平电路 ＰＷＭ １．１１ 电压型、两电平电路 ＰＷＭ 牵引电动机功率／ｋＷ １２０ １３５ 感应电机无速度传感器转子磁场定向矢量控制系统需要解决的最关键问题是转子磁链的观 测、转速估计和电机参数的辨识，这三个方面是密不可分的，是互相交叉的。同时，感应电机 ・２７ ・ 前沿动态 ２０１２年第２期 启动及低速段运行时动态响应差以及受外部因素干扰影响，都是高性能的交流调速面临的困难。 随着对系统性能指标要求的不断提高，找到一种能实质解决上述五个方面问题的控制方法，成 为了高性能感应电动机变频调速研究领域的热点。 自动控制理论不断发展，鲁棒控制、自适应控制、非线性控制之间的相互借鉴与渗透，是 现代控制理论发展的重要手段。非线性控制理论在感应电机交流调速中广泛应用，主要包括： 反馈线性化解耦方法、鲁棒控制、反步法、滑模控制、无源性控制和自适应等方法，根本不足 在于：它们没有将参数时变性与控制策略的改进密切地结合起来，只是侧重上述要点的一个方 面，导致转矩响应脉动比较大，控制效果不够理想。综上所述，无速度传感器控制系统到目前 为止还存在诸多技术难点，国内外还没有提出一种公认的性能十分优越的实现方法。各种无速 度传感器控制技术的缺陷在某种程度上存在着相似性，这主要是因为它们都是根据感应电机的 基本模型推导出来的，受电机参数的不确定性影响明显，因此，另辟蹊径，需要将先进控制理 论与参数辨识状态估计结合起来，寻求一种性能更加优良的控制方法。 线性变参数控制和强跟踪参数辨识有其独特的优点，国内外研究现状如下： 线性变参数（ＬＰＶ）控制的前身可追溯到变增益控制。变增益控制是用来处理非线性时变系统 的工程设计方法。变增益控制器的设计过程是，先将控制对象做Ｊａｃｏｂｉａｎ线性化处理，将非线 性模型用线性模型簇来表示，本质上是用线性控制器设计方法来设计参数依赖的非线性时变系 统的控制器。随着变增益控制技术的发展，线性变参数系统理论得到了相当大的关注，理论背 景得到了进一步的发展，相关技术陆续在杂志上公开发表，成为了研究非线性控制方法的热点 之一。线性变参数系统理论是一个大的非线性系统的分支，一个线性变参数系统重构成一个线 性系统，其非线性依赖于变参数。线性变参数系统是一类特殊的线性时变系统，它的状态矩阵 是变参数的非线性有界函数。重要的一类线性时变系统是将一些时变物理参数包含在处理对象 的状态空间矩阵中。随着该控制手段在战斗机上应用的成功，又陆续应用于导弹、潜艇和机器 人控制等高度非线性，并且系统参数在大范围内剧烈变化领域。小增益理论应用到这样的系统 中，当系统运动过程中参数在大范围变化时，这种方法常常导致过度的保守性。现代鲁棒控制 系统设计理论的另一个重要方法是基于Ｌｙａｐｕｎｏｖ函数的方法，这一方法早期的研究主要是以具 有参数不确定性的线性系统为对象。后来，这种以固定的Ｌｙａｐｕｎｏｖ函数来保证有不确定性摄动 的情况下鲁棒稳定性的设计思路，在一般非线性系统中得到了应用。特别是最近，随着对非线 性系统的研究不断深入，以及基于无源性或耗散性的具有一般意义的非线性控制系统设计方法 的出现，这种非线性鲁棒控制思想也迅速地被推广到基于无源性或耗散性的鲁棒控制方法中， 提出了许多鲁棒镇定和鲁棒干扰抑制等有效的设计手段。 此前，我们从感应电机数学模型出发，将线性变参数系统鲁棒控制理论引入电机交流调速控制。 因为耗散系统理论能更直接地处理时变参数，也能直接地得到线性变参数控制器，而且耗散系统结 构易于利用计算机进行线性矩阵不等式（ＬＭＩ）凸优化问题的计算，能有效抑制测量引起的误差和外界 干扰，具有鲁棒Ｉ生能稳定的特陛，从而构建出基于耗散鲁棒理论的，且易于工程实现的感应电机线 性变参数系统。 另一方面，感应电机无速度传感器控制还需要解决两大主要问题：（１１电机转速和转子磁链 的估计；（２）电机参数变化的鲁棒性。扩展Ｋａｌｍａｎ滤波是一种有效的感应电机状态估计算法， 但其存在两大缺陷：（１）对电机参数变化的鲁棒性欠佳；（２）对突变状态的跟踪能力较弱。辨 识本身需要一个过程，即当前周期得到的参数辨识结果到下一周期才被更新，因此本质上算法 ・２８ ・ 前沿动态 ２０１２年第２期 对系统模型的跟踪存在滞后，从而影响算法的动态性能，需要提高对于突变状态的估计性能和 参数变化的鲁棒性。强跟踪滤波（ＳＴＦ）是故障检测领域的一种有效方法，具有对于突变状态的强 跟踪能力和对于不确定参数的鲁棒性。为了解决扩展Ｋａｌｍａｎ滤波对于突变状态估计缓慢以及参 数鲁棒性较差的问题，可以将强跟踪滤波算法引入到感应电机的状态估计。多模型估计（ＩＭＭ） 是一种自适应估计方法，对于解决具有结构和参数不确定性系统的状态估计问题非常有效。该 方法选择或设计一个模型集来描述系统可能的行为模式，系统的总体估计是多个并行滤波器估 计，其中每个滤波器与一个特定的系统模式相匹配。多模型估计方法作为一种有效的混合系统 估计方法，已经在惯性导航目标跟踪、故障检测以及非线性估计等许多领域得到成功应用。项 目组成员前期将该方法引入到感应电机无速度传感器控制系统，为感应电机的状态估计和参数 辨识提供一种新的解决思路。 根据我国《中长期铁路网规划》，到２０２０年，全国铁路运营里程规划达到１２万公里以上， 其中包括我国重载运输通道将形成“八纵九横”重载运输网，总规模将近３万公里；２００公里以上 的高速铁路达到Ｉ．６万公里，建立省会城市及大中城市间的快速客运通道，规划“四纵四横”铁路 快速客运通道以及三个城际快速客运系统；电气化率提高到６０％以上。值此中国高速铁路发展 关键时期，对电力牵引传动控制提出了更高的要求。在引进消化吸收再创新总体战略背景下， 为自主掌握机车牵引传动及其控制核心、关键技术，开展大功率交流传动机车和高速动车组研 究具有迫切性。 地面过电分相系统暂态过程机理研究 熊成林 （电气学院） 为使电力系统三相负荷平衡，我国电气化铁道的接触网采用分段换相供电，相与相之间设 置有电分相。电力机车或电动车组通过电分相时需要相关的设备或进行相关操作，常见的过电 分相方式有司机手动过分相、车载自动过分相、柱上自动过分相和地面自动过分相。地面自动 过电分相由地面过电分相装置实现电力机车自动过电分相，在Ｈ本新干线应用较多，我国也在 推广使用，在建的京沪高铁就计划采用该方案。 地面自动过分相的优点是无供电死区，过分相时断电时间短，对列车的速度影响小，在０～ ３５０ｋｍ／ｈ速度范围都可使用。对于重载货运列车，可显著改善其通过长大上坡道的能力，变双车 牵引为单车牵引（满足平直道的牵引要求下）；对于高速列车而言，则可以进一步降低列车通过 电分相的速度损失，提高列车的运行速度和乘车舒适度。我国幅员辽阔，地形复杂，具有长大 坡道的铁路较多，已经建成、在建和规划中的高速铁路里程世界第一，因此，研究地面过电分 相系统的暂态过程、分析问题产生的机理并提出解决方案具有重大意义。 作者简介：熊成林，男，助理研究员。 ・２９ ・
