近幾年，我國自主研制的牽引變流器在地面試驗及裝車現(xiàn)場試驗時發(fā)現(xiàn)，牽引傳動系統(tǒng)直流側(cè)電壓、電流及電機輸出轉(zhuǎn)矩在牽引電機采用矢量控制的情況下，當輸出功率上升至一定程度時出現(xiàn)持續(xù)振蕩，直接影響車輛運行穩(wěn)定性及舒適度，嚴重時頻繁觸發(fā)1所示為國內(nèi)某城軌列車牽引變流器實測波形。其中，棕色曲線為直流側(cè)電流，紅色曲線為直流側(cè)電壓；右側(cè)為振蕩部分放大波形，其振蕩頻率約為12Hz。

城軌列車牽引變流器IC濾波器的諧振頻率一般控制在25Hz以下，以避免對軌道信號傳輸?shù)牟焕�影響。其中文獻指出當牽引變流器輸出頻率為諧振頻率的整數(shù)倍且此時輸出功率較大則極易引發(fā)系統(tǒng)振蕩。圖1所示為典型的直流網(wǎng)供電傳動系統(tǒng)逆變器-電機系統(tǒng)輸入阻抗與前端輸出阻抗不匹配造成的系統(tǒng)振蕩。

假設系統(tǒng)控制器帶寬無限大，逆變器為連續(xù)能置轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，東莞電機輸出轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速能完美跟隨指令值，逆變器-電機系統(tǒng)可視為為理想恒功率負載。在圖2所示理想模型中，逆變器-電機系統(tǒng)呈現(xiàn)負阻抗（導納）特性Y。變流器直流側(cè)前端阻尼系數(shù)以及傳動系統(tǒng)整體阻尼系數(shù)如式所示。

其中，P0、uc0分別為穩(wěn)態(tài)輸出功率與直流電壓。式是該類不穩(wěn)定現(xiàn)象的經(jīng)典通用判據(jù)。根據(jù)該判據(jù)，系統(tǒng)隨著輸出功率的上升，逐漸失穩(wěn)，與一般實驗現(xiàn)象相符。從而可得到一個基本結(jié)論，逆變器直流側(cè)參數(shù)的取值與逆變器-電機系統(tǒng)呈現(xiàn)的負阻抗特性是該類不穩(wěn)定現(xiàn)象的根本原因。該類阻抗不匹配失穩(wěn)現(xiàn)象可以通過改變逆變器直流側(cè)輸出阻抗和逆變器-電機系統(tǒng)輸入阻抗兩個方面進行抑制。兩者分別被稱為被動與主動阻尼補償策略。

其中，被動阻尼補償策略在實際應用中受諸多條件限制。為保證變流器濾波電路能夠承受標準IEC61287-1所規(guī)定的過電壓和瞬變，保持較低的固有諧振頻率以及有效抑制高次諧波，往往采用較大直流側(cè)電感；而線路電感也往往較大。增大電容不符合功率變流器緊湊、集成以及可靠的設計趨勢。在DC-DC變流器中，CPL穩(wěn)定性問題常常以在濾波電感上串聯(lián)電阻的方式解決。但這種方式并不適合于大功率的牽引傳動系統(tǒng)，因為會增加很大的功率損耗。為了避免能量的過多損耗，線路電阻和電感內(nèi)阻之和不易設計過大。

從而，主動阻尼補償策略的研究在牽引傳動系統(tǒng)穩(wěn)定性中顯得尤為重要。主動阻尼補償策略的設計主要包括三部分：逆變器-電機輸入阻抗模型、補償信號的注入方式，以及補償參數(shù)的設計方法。

(1)研究現(xiàn)狀

1)逆變器-電機輸入阻抗模型可以分為如式所示理想CPL模型和控制系統(tǒng)頻域?qū)Ъ{模型。理想CPL模型在建模時將逆變器-電機系統(tǒng)等效為可控電流源，據(jù)此進行系統(tǒng)參數(shù)設計和阻尼補償，即使在大信號模型下得到的分析結(jié)果和補償策略仍然偏保守。而將環(huán)球電機及其控制棋型納入建模過程，線性化后得到頻域模型是目前主流的建模方法，其利于分析系統(tǒng)的漸進穩(wěn)定性和系統(tǒng)動態(tài)性能，據(jù)此可進行系統(tǒng)主動阻尼補償控制器設計和性能分析。最為常見的是忽略飽和、釆樣以及損耗，按照功率平衡建立系統(tǒng)狀態(tài)空間平均模型。文獻構建了基于占空比的逆變器平均值模型，并討論了占空比對系統(tǒng)阻尼的影響。文獻在忽略部分非線性因素后，得到了逆變器-電機的一般性連續(xù)導納關系式，但是其精確度并未進行針對性的驗證，且形式過于復雜。

2)對于東莞環(huán)球電機控制系統(tǒng)，阻尼補償信號注入點主要包括三處：轉(zhuǎn)矩（轉(zhuǎn)速）指令、交軸電流指令值以及交軸電壓指令值。選擇補償信號注入點時，各控制器的帶寬要包含直流環(huán)節(jié)振蕩信號所處頻段。此外還需考慮補償信號對電機動態(tài)性能的影響。而阻尼補償信號來源于對支撐電容電壓或者濾波電感電流振蕩信息的提取，目前普遍認為帶通濾波器更具優(yōu)勢，能夠在低頻段保證系統(tǒng)的動態(tài)性能，并抑制髙頻段的測量噪聲。

3)為保證阻尼補償?shù)男Ч�，各文獻從不同角度研究了補償控制參數(shù)的設計。大多數(shù)文獻采用頻率響應法設計控制參數(shù)；也有文獻從虛擬導納概念出發(fā)探討控制參數(shù)的合理取值范圍，以保證系統(tǒng)具有較為理想的阻抗特性；此外，無源化控制、魯棒控制、非線性控制等方法都有應用。

綜上所述，常規(guī)的交流傳動系統(tǒng)中，主動阻尼補償策略的研究己經(jīng)較為成熟。但由于城軌永磁牽引傳動系統(tǒng)的特殊性，若將現(xiàn)有研究成果應用于城軌列車永磁同步牽引傳動系統(tǒng)，實現(xiàn)針對性強、目的明確、結(jié)果可預測的主動阻尼補償，尚有一些問題待解決。

(2)東莞電機廠分析存在的問題與本文研究點

1)因為其機械強度以及轉(zhuǎn)矩輸出能力的優(yōu)勢，列車牽引電機大多選用內(nèi)置式永磁同步電機IPMSM。其交直軸電感不等，MTPA控制以及各種弱磁控制算法復雜，增加了輸入阻抗解析的非線性因素�，F(xiàn)有文獻為簡化逆變器-電機系統(tǒng)的輸入阻抗表達式，電機往往采用表貼式永磁同步電機。SPMSM交直軸電感相等，電機狀態(tài)方程簡單；電機控制采用id=0控制，進一步簡化輸入阻抗解析式。文獻曾針對IPMSM在復雜矢量控制下的輸入阻抗進行了理論推導，但是其未能基于所提模型進行主動阻尼補償策略研究，更未推導加入阻尼補償策略后的系統(tǒng)輸入阻抗模型。

2)如圖2所示，現(xiàn)有文獻中的主動阻尼補償策略往往把阻尼補償信號注入點選擇在電機控制量的交軸分量。但文獻基于異步電機系統(tǒng)，對在交軸與直軸電壓上注入補償信號的效果進行了比較，并得到在直軸電壓上進行補償效果更好的結(jié)論。IPMSM控制過程中，交直軸電氣量相互耦合，在交軸或者直軸上進行振蕩補償都有理論依據(jù)。但是尚無文獻針對PMSM直軸電流或者電壓補償法進行研究，更缺乏交軸與直軸補償法效果之間的對比。

3)東莞環(huán)球電機依據(jù)經(jīng)典判據(jù)式，電機輸出功率越大，系統(tǒng)越容易振蕩。電機恒功率區(qū)需采用弱磁控制，卻無相關文獻對弱磁控制下的逆變器-電機系統(tǒng)輸入阻抗進行分析，以及對系統(tǒng)穩(wěn)定性進行研究。PMSM在弱磁區(qū)間的控制方法復雜，需要綜合考慮弱磁控制與阻尼補償。

4)另外，PMSM在運行過程中，電機參數(shù)變化范圍較大。電機參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，并無文獻提及，這不利于對系統(tǒng)穩(wěn)定性的判斷。

綜上所述，本文有如下研究點亟待解決：

1)針對IPMSM在MTPA以及弱磁控制下的輸入阻抗進行理論推導，為永磁同步牽引傳動系統(tǒng)穩(wěn)定性提供更加精確的理論基礎。

2)針對東莞電機參數(shù)等更多系統(tǒng)參數(shù)，分析其對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響，為預判系統(tǒng)穩(wěn)定性提供更加全面的分析思路。

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