城市轨道交通车辆电气控制期末考试(城市轨道交通车辆电气控制教材)
清华大学电机系电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室、装甲兵工程学院控制工程系、新疆大学电气工程学院的研究人员王治国、郑泽东、李永东、李贵彬，在2016年第24期《电工技术学报》上撰文，针对轨道交通车辆牵引电传动系统，研究适应全速度范围的多模式调制方法以及与之相应的混合控制方法。
首先，分析轨道车辆牵引电传动系统的特点，提出与之对应的多模式调制方法。其次，在分析多模式调制方法特点以及改进矢量控制方法存在问题的基础上，提出由矢量控制和转差频率控制构成的混合控制方法。最后，通过仿真和实验验证了多模式调制方法以及混合控制方法的有效性。
混合控制方法避免了单脉冲调制模式下的磁场定向和弱磁控制，简化了控制算法，提高了单脉冲调制时系统控制的可靠性。矢量控制和转差频率控制之间的切换方法是混合控制方法实现的关键，本文对该切换方法进行了详细讨论。实验结果表明，该方法能够保证两种控制方法之间的平滑切换。
随着我国城市化进程的加快，交通拥堵等问题已成为城市发展过程中亟待解决的关键问题。由于轨道交通具有运力大、速度快、污染轻以及安全性好等特点，已经成为一种十分重要的城市交通工具。牵引电传动系统是轨道交通车辆的核心，其控制与调制方法是轨道交通车辆研究的重点方向。
对于控制方法，为了获得良好的动态特性，轨道交通车辆牵引电传动系统通常采用矢量控制或直接转矩控制。由于基于转子磁场定向的矢量控制对于励磁控制和转矩控制的解耦最为彻底，控制性能较好，从而在轨道交通牵引电传动系统中得到广泛应用[1,2]。
对于调制方法，由于轨道交通车辆使用的电流和功率都很大，且其牵引逆变器常采用自然风冷，必须设法减小开关损耗，因此其逆变器的开关频率通常较低（通常为数百Hz）。同时，轨道车辆运行速度变化范围较宽，从而使载波比变化较大。当载波比较小时，应当使用同步调制，否则将导致电机谐波电流和谐波转矩显著增大[2,3]。另外，为了提高电压利用率，当电机进入弱磁区时应当采用单脉冲（方波）调制。
使用单脉冲调制时，输出电压矢量幅值达到最大且不能调节，将导致传统矢量控制方法失效。因此，在设计轨道交通车辆牵引电传动系统的控制方法时，需要综合考虑其调制方法的特点，使控制方法能够适应异步调制、同步调制以及单脉冲调制的要求。
文献[1,4]提出了采用改进的矢量控制以适应单脉冲调制的方法，即进入单脉冲调制后，去掉传统矢量控制中的电流调节器和磁链调节器，采用电流和磁链开环控制，同时采用基于q轴电流误差的磁场定向校正策略。
文献[3]提出了基于混合脉宽调制的双模式控制方法，即在PWM调制模式下应用矢量控制，在单脉冲调制模式下应用转矩标量控制。其中的转矩标量控制仍然需要在转子磁场定向的基础上构成q轴电流闭环控制来实现。德国、法国以及日本等国的地铁也多采用基于转子磁场的转矩控制方法，单脉冲模式下均舍弃电流以及磁链闭环，而单独控制转矩电流闭环[3,5,6]。
上述控制方法都以矢量控制为基础，要求在基频以上进行弱磁控制，并在单脉冲调制区进行磁场定向，原理和实现较为复杂。
本文针对轨道交通车辆牵引电传动系统的特点提出了一种多模式调制方法以及与之相对应的混合控制方法。多模式调制方法由异步空间矢量脉宽调制（SpaceVector-PWM, SVPWM）、改进的SVPWM过调制以及同步单脉冲调制组成。混合控制方法中，在异步SVPWM时采用传统矢量控制，在过调制区和单脉冲调制区则采用转差频率控制。
图1 多模式调制方法的载波切换策略
结论
本文对轨道交通车辆牵引电传动系统的多模式调制方法和混合控制方法进行了研究，可以得到如下结论。
1）多模式调制方法由异步SVPWM、分区SVPWM过调制以及同步单脉冲调制组成。该调制方法母线电压利用率高，而且容易实现各调制模式之间的平滑过渡。
2）混合控制方法由矢量控制和转差频率控制组成。矢量控制主要工作在异步SVPWM以及部分SVPWM过调制模式下，其余调制模式则采用转差频率控制。该控制方法可以避免在单脉冲调制时进行磁场定向和弱磁控制，简化了控制方法，提高了控制的可靠性，但在一定程度上降低了单脉冲调制下控制的动态特性。
3）矢量控制和转差频率控制之间的切换是混合控制方法的核心。成功切换的关键是使两种控制方法中的关键变量能够平滑过渡，最终使控制算法产生的电压矢量平滑过渡。
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