高速鐵路電力牽引系統的安全性預測與控制

《高速鐵路電力牽引系統的安全性預測與控制》是依託北京交通大學，由劉志剛擔任項目負責人的聯合基金項目。

基本介紹

• 中文名：高速鐵路電力牽引系統的安全性預測與控制
• 項目類別：聯合基金項目
• 項目負責人：劉志剛
• 依託單位：北京交通大學

項目摘要

研究表明，供電網的極端工況、系統諧波以及制動控制性能對電力牽引系統及制動安全產生影響，電力牽引系統的健康度是一個可預測的變化過程，但對高速鐵路電力牽引系統中的複雜供電條件、子系統間的相互作用、制動控制等因素的單獨作用及耦合併發作用對電力牽引系統及制動安全影響機理缺乏認識。本項目通過研究電力牽引系統亞安全態與故障態之間的發展規律，探索系統損傷的作用機理，提出電力牽引系統故障預警理論，建立系統健康度評估方法；研究高速鐵路供電網壓畸變與閃變、分相過電壓與過電流以及系統諧波對電力牽引系統運行的作用機理，提高惡劣工況下系統的安全控制性能；採用線上自適應電力牽引系統最優制動控制方法，增強制動控制系統的魯棒性，提高高速列車制動安全性能。通過上述研究提出電力牽引系統安全性預測與控制理論，為高速鐵路列車的設計製造、安全運營、維護維修提供理論和技術支撐。

結題摘要

針對高鐵電力牽引系統，通過測試和分析CRH5、CRH380BL等車型出現的網壓諧振、IGBT損壞、牽引丟失等問題，我們發現：供電網的極端工況、系統諧波以及制動控制性能對電力牽引系統及制動安全產生影響，項目針對高速鐵路電力牽引系統中的複雜供電條件、子系統間的相互作用、制動控制等因素的單獨作用及耦合併發作用對電力牽引系統及制動安全影響機理等問題，展開安全性預測與控制研究。 結合兩個五年計畫期間主持和參與的多項軌道交通電力牽引系統重要科研項目，對車載電力牽引系統的安全性預測和控制進行了深入研究和總結。首先基於加速老化試驗的結果給出了擬合老化損傷規律的解析化方程，並從中提取出表征部件安全相關狀態的基本特徵量，給出了區分安全相關狀態的判據；通過狀態遷移建立了系統的安全關聯模型以研究部件安全性對系統總體安全性的影響規律；利用灰色預測模型來擬合部件損傷累積的非線性過程，從而完成安全性的預測；利用多信息源、多感測器的數據融合手段實現了高速鐵路電力牽引系統複雜故障的線上分析。研究了高速鐵路供電網壓短時中斷、網壓畸變、系統諧波對電力牽引系統安全運行的影響作用機理，提出“旋轉坐標系判別法”和“瞬時滑窗判別法”實現網壓短時中斷的快速識別，並進一步給出了從控制角度抑制電流衝擊的有效策略；提出基於預測網壓的前饋dq解耦控制方法以減小網壓畸變對系統運行的影響；給出了基於牽引變壓器輔助繞組的電流諧波濾除方法，降低牽引網諧振風險；通過分析過分相合閘過電壓和合閘涌流的產生機理，提出了一種利用網側變流器實時追蹤接觸網網壓的合閘過電壓抑制措施，以及一種基於變壓器二次側激磁的合閘涌流抑制方法。在制動安全方面，通過建立輪軌單軸簡化模型，推導了基於擾動觀測器的高黏著控制方法的具體理論實現過程；採用改進型的轉矩微調函式，解決了快速調節的穩定性問題，提高了黏著控制的魯棒性和黏著利用性能，以提高高速列車制動性能，保證制動安全。同時，針對電力牽引系統子系統間的相互作用，基於阻抗匹配研究了牽引系統的穩定性問題；提出了頻域下適用於牽引電機轉子磁場定向控制的拍頻抑制策略，解決了直流側二次脈動引起的牽引轉矩脈動問題。 上述研究成果多用於解決實際科研和工程項目中碰到的問題，並在我國首列混合動力動車組上，為高速鐵路列車的穩定控制、安全運營和性能提升提供了很好的理論和技術支撐。