目前，新型地面供電和車載儲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，在具體實現(xiàn)方案上存在較大差異，本文主要針對安薩爾多提供的 TＲAMWAVE 方案進行牽引控制策略的優(yōu)化。

當列車行駛在地面供電模塊時，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)的柔性導電排，受電靴導通得電，為列車提供電力。當列車駛出該區(qū)域，柔性導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)點時進入無電區(qū)，此時轉(zhuǎn)換為超級電容供電，保證列車的正常運行。

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

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

針對以上問題，本文對牽引系統(tǒng)控制算法進行了優(yōu)化，并通過線路運行試驗，驗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、制動電阻 BＲ、DC /DC 模塊、超級電容 SC 等。系統(tǒng)運行在牽引模式時，供電電源通過預充電回路、濾波回路，經(jīng)過逆變器輸出三相交流電給牽引電機供電; 系統(tǒng)運行在制動模式時，牽引電機制動能量通過 DC /DC 模塊回饋給超級電容，超級電容無法吸收時回饋電網(wǎng); 電網(wǎng)無法吸收剩余能量時，通過制動電阻進行能量的釋放; 系統(tǒng)運行在無電區(qū)時，超級電容通過 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，會造成沖擊產(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)之間進行快速轉(zhuǎn)換配合。

因此，需要對牽引系統(tǒng)和 DC /DC 供電系統(tǒng)配合邏輯進行優(yōu)化。為了防止牽引輸出瞬時功率和長時工作功率超過超級電容設定閾值，需對牽引有電區(qū)和無電區(qū)切換以及無電區(qū)運行時的功率進行限定，通過牽引系統(tǒng)內(nèi)部 CAN 通信，接收超級電容給定母線電流保護閾值，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為電機計算轉(zhuǎn)矩; P*dc 為母線側(cè)功率給定;Udc為母線電壓檢測值; I*dc 為超級電容母線供電電流閾值; △Tem為給定轉(zhuǎn)矩和實際轉(zhuǎn)矩差值; STe為轉(zhuǎn)矩步長; k 為轉(zhuǎn)矩步長系數(shù); ηdc為逆變器效率; n 為電機轉(zhuǎn)速。

根據(jù)式( 1) 可知，通過超級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。當列車進行有電區(qū)和無電區(qū)切換時，根據(jù)列車速度進行轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)系數(shù)的動態(tài)調(diào)節(jié)。

1．2．2 超級電容電壓預先控制策略

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

超級電容存儲能量與端電壓關(guān)系為:

Esc = 12CscU2sc ( 5)

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

能量越容易達到*大*小限值，即端電壓越容易達到上下限值。超級電容端電壓過高會縮短超級電容的使用壽命，甚至擊穿電容，而其端電壓過低又會導致輸出同等功率時的輸出電流過大而引起過熱，嚴重時觸發(fā)系統(tǒng)保護。因此，在超級電容供電階段，需要根據(jù)超級電容端電壓進行輸出功率動態(tài)調(diào)節(jié)，可以減小超級電容壽命的損耗，同時可以保證列車平穩(wěn)運行。

根據(jù)下式可知超級電容容量為:

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

式中: Ssc為超級電容容量; Usc為超級電容端電壓;Uscmin為超級電容端電壓*小閾值; Uscmax為超級電容端電壓*大閾值。由式( 6) 可知，超級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，牽引實時接收超級電容發(fā)送的端電壓和剩余容量值，進行輸出轉(zhuǎn)矩預先控制。原理框圖如圖 2 所示。

通過超級電容容量和端電壓對牽引輸出功率進行動態(tài)修正，當進行有電區(qū)和無電區(qū)切換時，可實現(xiàn)平滑切換，且不會使超級電容產(chǎn)生過放的情況。當列車進入無電區(qū)運行時，保證列車正常平穩(wěn)運行的同時盡量減少超級電容的損耗。

1．2．3 振蕩抑制控制策略

實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，當集電器處于放下狀態(tài)時，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，回落到與安全負極相接觸的位置，模塊表面失電，安全負極維持各區(qū)段接地; 當集電器處于收起狀態(tài)時，集電器與模塊之間的磁力強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)，當列車駛?cè)朐搮^(qū)域，主電路會瞬間失壓，影響列車穩(wěn)定運行，甚至會導致列車出現(xiàn)過流故障。地面供電時，母線電壓和母線電流情況如圖 3 所示。

列車運行至失壓區(qū)時，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)

當線路電壓變化率*大時作用在支撐電容兩端產(chǎn)生的感應電流為 iDCmax = 95 A，此時當列車輸出功率較大時，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，如不進行抑制，*終會使系統(tǒng)產(chǎn)生母線電流過流振蕩，影響列車運行。

采用振蕩抑制控制算法進行抑制。異步電機輸入三相電壓是由逆變器開關(guān)管對直流母線電壓Udc進行斬波合成后得到，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 個周期內(nèi)的平均值; usref為定子電壓給定值; Ud( tk ) 為 k 個周期內(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，通過對定子轉(zhuǎn)矩電流分量 isq進行動態(tài)補償可以有效對振蕩進行抑制。

通過對傳感函數(shù)進行離散化后，將式( 11) 進行工程簡化可得:

i'sq = i*sq － isq + kq·△isq ( 12)

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

根據(jù)振蕩抑制數(shù)學模型實時計算補償電流值，對 q 軸電流實際給定值進行補償，增加系統(tǒng)等效電阻。

2 基于混合供電算法試驗分析

試驗設備: 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。

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

該試驗使列車在有電區(qū)通過失壓區(qū)域，觀測牽引系統(tǒng)運行情況。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 q 軸電流實際給定值進行補償，增加系統(tǒng)等效電阻，使母線振蕩得到有效抑制。

該試驗使列車在有電區(qū)和無電區(qū)切換，觀測牽引系統(tǒng)運行情況?；诔夒娙蓦妷侯A先控制，當牽引系統(tǒng)進行有電區(qū)和無電區(qū)切換時:

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

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

該試驗使列車在無電區(qū)運行直至超級電容虧電，觀測牽引系統(tǒng)運行情況。當超級電容供電能量不足，牽引系統(tǒng)根據(jù)功率限制模型，對逆變器輸出功率進行修正直至超級電容能量輸出為 0。

3 結(jié)論

本文研究混合供電技術(shù)，進行了國產(chǎn)化列車適配，針對運行環(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，通過線路試驗驗證了方法的合理性和可行性。

通過試驗結(jié)果表明，本文采用的功率限制控制、超級電容電壓預先控制、振蕩抑制控制策略，試驗結(jié)果與理論結(jié)果基本一致，達到預期，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)運行時牽引系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩動態(tài)修正，防止超級電容過載損壞電容。