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牽引變流系統(tǒng)是動(dòng)車組的核心部件之一，其性能決定著列車起動(dòng)性能、制動(dòng)性能、最高運(yùn)行速度和可靠性等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。網(wǎng)側(cè)變流器作為牽引變流系統(tǒng)的前級，主要實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳輸和維持中間直流電壓穩(wěn)定的功能。

目前動(dòng)車組網(wǎng)側(cè)變流器普遍采用單相脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM）整流器（又稱四象限變流器）。與普通的單相PWM整流器相比，它除了設(shè)備容量較大、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜之外，一個(gè)顯著特點(diǎn)是采用接觸網(wǎng)供電。當(dāng)列車高速運(yùn)行時(shí)，受電弓會(huì)產(chǎn)生一個(gè)垂向加速度導(dǎo)致接觸網(wǎng)振動(dòng)，造成弓網(wǎng)分離（弓網(wǎng)離線）。此外，當(dāng)列車運(yùn)行至分相絕緣器、電連接線夾或接觸線接頭夾等處時(shí)，由于弓網(wǎng)間接觸力突變，容易造成硬點(diǎn)沖擊，也可能導(dǎo)致弓網(wǎng)離線。

目前對弓網(wǎng)離線及相關(guān)影響的研究，主要集中在弓網(wǎng)電弧的特性及建模、弓網(wǎng)離線電弧放電、弓網(wǎng)離線過電壓以及弓網(wǎng)電弧的電磁干擾等方面。隨著我國高速鐵路建設(shè)和運(yùn)營里程的增加，弓網(wǎng)離線發(fā)生的次數(shù)及導(dǎo)致事故的概率也會(huì)明顯增加。

近期我國完全自主研發(fā)的CJ5型動(dòng)車組在呼和浩特—包頭線運(yùn)行過程中多次遇到了因弓網(wǎng)離線引起的短時(shí)網(wǎng)壓中斷現(xiàn)象，并引起網(wǎng)側(cè)變流器過電流故障。由于列車運(yùn)行過程中，網(wǎng)壓中斷后，變壓器二次電壓會(huì)被反射到一次側(cè)，使得一次電壓的幅值相對于中斷前不會(huì)發(fā)生明顯變化，從而給網(wǎng)壓中斷的快速檢測帶來極大困難，更無法采取及時(shí)有效的過電流抑制措施。因此，從牽引變流系統(tǒng)控制的角度，亟需研究弓網(wǎng)離線情況下短時(shí)網(wǎng)壓中斷的快速檢測方法，并提出過電流抑制措施。

為此，北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院、北京市軌道交通電氣工程技術(shù)研究中心的研究人員，基于既有的動(dòng)車組牽引變流系統(tǒng)，介紹系統(tǒng)的構(gòu)成及網(wǎng)側(cè)變流器電流控制方法，分析了網(wǎng)壓中斷對系統(tǒng)的不利影響，提出“基于有功電流判斷的檢測方法”和“基于鎖相環(huán)相角變化判斷的檢測方法”兩種網(wǎng)壓中斷快速檢測方法，這兩種方法都能在5ms內(nèi)做出反應(yīng)，并給出網(wǎng)壓恢復(fù)時(shí)電流沖擊抑制措施。

圖1 動(dòng)車牽引變流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺示意圖

圖3 實(shí)驗(yàn)平臺

所提出的沖擊電流抑制措施通過封鎖PWM脈沖、防止電流環(huán)飽和，以及內(nèi)部變量初始化，能夠有效控制網(wǎng)壓恢復(fù)時(shí)的沖擊電流。研究者搭建一個(gè)網(wǎng)壓中斷模擬實(shí)驗(yàn)平臺，設(shè)計(jì)了一種網(wǎng)壓中斷模擬方案，驗(yàn)證了所提出的網(wǎng)壓中斷快速檢測方法的可行性以及電流沖擊抑制措施的有效性。上述方法被成功地應(yīng)用在我國完全自主研發(fā)的動(dòng)車組牽引變流器上。

以上研究成果發(fā)表在2019年《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》增刊2，論文標(biāo)題為“動(dòng)車組網(wǎng)壓中斷快速檢測及應(yīng)對策略”，作者為張鋼、郭嘗君、郝峰杰、劉志剛。