1引言
1.1论文研究的背景及意义
1.1.1 论文研究的背景
高速铁路主要是为了满足人们对铁路运输高效、快捷的要求。对于我国这样一个人口众多的国家来说，每年数以亿计，高峰期每天几百万人次的旅客运输需求使得原有的铁路运输能力不堪重负。而高速铁路的发展是解决巨大的出行需求和有限的运输能力之间严重矛盾的一条有效途径。1964年，日本东海道新干线从东京到大阪的高速铁路的正式运行标志着世界高速铁路新纪元的到来，该条线路运营速度高达210kin/h。此后法国、意大利、德国、西班牙、荷兰、比利时、瑞典等国家开始大规模的兴建本国或者跨国的高速铁路，并逐渐形成了欧洲的高速铁路网络。目前世界高速铁路技术最先进的国家为日本，法国和德国。我国高速铁路的发展相对比较晚，其建设始于2002年建成运行的秦沈客运专线。2008年8月1曰开通的京津城际高铁,设计时速350kmyh，成为我国第一条真正意义上的高速铁路。根据《国民经济和社会发展第十二个五年规划》和《中长期铁路网规划》的内容，我国要建成“四横四纵”客运专线，并建设城市群城际轨道交通干线，如图1-1所示。到2012年，我国铁路营业里程将达到11万千米以上，其中新建高速铁路达到1.3万千米，初步形成高速铁路网。到2020年，铁路营业里程将达到12万公里以上，其中新建高速铁路里程达到1.6万公里，届时我国发达完善的铁路网将全面建成，铁路运输能力总体上能够适应国民经济和社会发展需要，“人便其行、货畅其流”的目标将成为现实[3]。
(2)城市轨道交通
目前，城市交通拥堵问题成为世界各个大型城市所面临的共同问题。而发展城市轨道交通，形成运量大、速度快、能耗低、污染少、安全可靠性强的现代化立体公共交通体系是世界各国大城市在发展城市交通的战略问题上基本达成的一个共识。从世界大都市的城市发展历程来看，轨道交通在解决城市交通拥堵、城市合理规划布局等方面，都发挥了巨大的作用[4]。城市轨道交通包括地铁，轻轨，空中轨道列车，有轨电车和低速磁悬浮列车等。从运量看，地铁的运量是最高的，一般每小时单向运量可以达到4-6万人次。世界上第一条地铁于1863年在伦敦开通，70年代和80年代是各国地下铁道建设的高峰。而我国最早的地铁线路是1969年在北京开通的从公主坟到北京火车站的线路，此后我国地铁的建设进入一个发展相对缓慢的时期，到2000年时全国运营线路总计不超过100公里。进入21世纪之后，我国城市轨道交通的发展进入了一个飞速发展的时期。2015年，线路总里程将达到1700公里，规划线路2400公里。仅以北京市为例，截至2012年底地铁运营里程将达到440km，而根据规划，到2015年北京市地铁运行线路将达到700公里以上，届时将有可能建成世界上最大的城市地铁网络。
(3)重载铁路
我国能源的特点是煤炭资源丰富，油气资源相对比较少，煤炭储量在常规能源中占90%以上，是世界上最大的煤炭生产国和消费国，同时也是世界上少数几个以煤炭为主要能源的国家之一[5]。然而，我国的能源分布存在着严重的分布不均的现象，煤炭资源北多南少，西多东少，其分布与消费区分布极不协调。铁路运输能力的不足成为制约中国经济发展的“瓶颈”。纵观世界各国的发展历程，重载铁路具有非常高的效率和效益。包括美国，加拿大，澳大利亚，南非，巴西等国家都通过采用重载技术，提高重载铁路的技术装备水平来实现更高的运输效率和经济效益。而重载铁路的定义也经历了不同的发展阶段，国际重载协会在1994年的年会上对重载铁路提出了新的标准，必须满足下列条件中的至少两条：①列车质量至少达到5000t;②货车轴重达到或超3125 t；③在长度至少为150km的线路上，年货运量不低于2 000万t。在2005年对重载铁路的标准又进行了修改，必须满足下列条件中的至少两条：①列车质量不低于80001;②货车轴重达到271及以上；③在长度不小于150 km的线路上，年货运量不低于4 000万吨[6]。1992年，为了提高我国的煤炭运输能力，我国幵通了首条电气化重载运输专线一大秦线（大同一秦皇岛）。大秦线初期的设计运能为1亿吨/年，然而这仍然不能满足我国经济的快速发展对于能源运输的需求。为了提高运能，铁道部决定开行2万吨重载列车以提高大秦线运能[5，7]，2010年大秦线的总运量突破4亿吨，成为世界上运量最大的重载铁路。根据规划，到2012年，中国在建成1.3万公里“四纵四横”高速铁路网的同时，也将建成3万公里重载列车牵引里程网。到2020年，中国高速铁路总规模达1.6万公里以上时，重载列车的开行里程将超过5万公里。日前，我国第一条按照30t轴重标准设计、建造的重载铁路一山西吕梁到山东日照港铁路正式开始铺轨，中国在迅疾跨入引领世界的“高铁时代”的同时，也迅速跨入了引领世界的“重载时代”[8] ！
2电力机车牵引电机在非方波调制区的矢量控制策略
对于电力机车来说，牵引传动系统是整个系统控制的核心，其控制性能的好坏直接关系到电力机车安全稳定的运行。而对于牵引电机来说，矢量控制是应用最广泛的一种高性能控制策略。我国引进的各种新型交流传动机车或者动车组也都普遍的采用该控制策略。但是由于国外公司对核心技术的封锁以及我国在该领域的研究起步较晚，电力机车牵引控制单元(TCU)的核心控制算法至今仍然没有完全实现国产化，因此仍然需要继续对其进行研究。
2.1矢量控制的基本原理及实现方式
在矢量控制中，要实现对磁链和转矩的解親控制，并得到快速的动态响应速度，必须要满足以下几个条件:1)转子磁链的实际值等于指令值；2)同步旋转坐标系d轴角度等于转子磁链矢量的角度，即定向角度的准确；3)电机实际电流对指令电流快速无静差的跟踪。对矢量控制的任何研究实际上都是围绕上面的三个方面开展。基于此，本文中电力机车牵引传动系统在非方波调制区的矢量控制方案如图2-3所示。前面已经说到，电机电流对于指令值的跟随是通过复矢量电流控制器来实现的，关于该控制器的原理和实现方法等可以参考文献[34, 54, 55, 88]中的相应内容。对于该内容的研究已经相对比较成熟，本文中不再对其进行阐述。
3 电力机车牵弓|电机在高速区(方波工况)的控制....... 49
3.1 方波工况下的矢量控制方案....... 49
3.2 方波下异步电机在弱磁区的最大转矩控制....... 50
3.3 方波下矢量控制的磁场定向校正策略....... 61
3.4 本章小结....... 79
4 电力机车牵引传动系统的调制策略....... 81
4.1 低开关频率下的基本脉宽调制策略....... 81
4.2 非优化PWM—中间60°调制策略....... 85
4.3 优化 PWM—SHEPWM....... 100
4.4 全速度范围内的调制策略.......112
4.5 本章小结....... 122
5 本文控制策略在国产大功率电力机车....... 125
5.1 国产大功率电力牵引机车的技术条件....... 125
5.2 基于机车速度的全速度范围内分段矢量控制....... 128
5.3 大功率电力机车控制中的两个实际问题....... 131
5.4 现场试验结果....... 137
5.5 本章小结....... 150
结论
本文主要对交流传动电力机车牵引电机在全速度范围内的控制策略进行了研究。相对于传统的小功率传动系统，电力机车牵引传动系统具有一些特殊点，例如高电压，大电流，大功率，机车需要的启动牵引力要远大于额定频率点牵引力，很低的开关频率等，使得大功率电力机车牵引电机的控制与小功率系统有明显的不同。本文的研究内容主要包括在电力机车全速度范围内包含方波下的矢量控制策略，电力机车牵引逆变器在低开关频率下的调制策略等，取得以下成果：
(1)系统性的详细分析了矢量控制下磁场定向不准对控制性能的影响，得到磁场定向角度误差不可能超过90°的结论。对电机各个变量，包括d，q轴电压，d, q轴观测磁链，磁链幅值，实际输出转矩等随估算转子时间常数误差和负载的变化规律进行了详细的理论推导，并分别从各个变量参考值和实际值的偏差随角度误差变化的灵敏度，一致性，受其他电机参数变化的影响等各方面进行了综合的对比分析。在此基础上择优选择了一种基于q轴磁链的MRAS磁场定向角度实时校正策略，保证了矢量控制中最关键的磁场定向角度的准确；
(2)在高速方波工况提出一种改进的矢量控制策略，通过取消电流控制器和d轴磁链闭环控制器保证了方波下矢量控制的继续应用；在该改进型矢量控制策略中采用了一种基于改进的电压控制器的磁链补偿策略，一方面保证在不同的速度和转矩下电机都运行于方波工况，同时能最优利用电机的电压和电流限制条件，保证了在弱磁区全速度范围内都能够输出最大转矩；
(3)基于方波下电流开环控制的特点，分析了改进型矢量控制策略中磁场定向误差与电机电流指令值和实际值的偏差之间的关系，提出了一种基于q轴电流误差的磁场定向角度误差实时校正策略，保证了在方波下仍然能够对电机转矩进行髙性能控制；
(4)对两种适用于低载波比下的调制策略——中间60°调制和SHEPWM的电压谐波性能，以及以异步电机为负载，两种调制方式下的电流谐波和引起的转矩脉动幅值随调制比的变化进行了详尽的理论推导分析，从而可以更加客观的对两种调制方式进行综合的对比评价。结果显示，SHEPWM在幵关角不小于3时谐波特性占优，但是小于3时其谐波性能甚至劣与非优化PWM。
参考文献
[1]冯晓云.电力牵引交流传动及其控制系统間.北京：高等教育出版社，2009.
[2]宋雷鸣.动车组传动与控制[M].北京：中国铁道出版社,2007.
[3]中国髙速铁路规划和实施情况[J].中国发明与专利，2011(8).
[4]陈蓓.国外城市轨道交通发展规模研究[M].北京交通大学，2010.
[5]张曙光.HXD2型电力机车[M].北京：中国铁道出版社，2009.
[6J夏胜利，杨浩，张进川，等.我国重载铁路发展模式研究[J].铁道运输与经济，2011(9):9-13.
[7]张曙光.HXD1型电力机车[M].北京：中国铁道出版社，2009.
[8]李丹，汪铭，王晓，等.中国重载铁路发展纪实[N].中国铁道报.
[9]张治中.中国铁路机车史[M].济南：山东教育出版社，2007.
[10]唐涛.自主研发是解决我国髙速铁路发展的根本途径[J].经济研究参考，2011(61):74-76.