高速铁路电力牵引系统的安全性预测与控制

研究表明，供电网的极端工况、系统谐波以及制动控制性能对电力牵引系统及制动安全产生影响，电力牵引系统的健康度是一个可预测的变化过程，但对高速铁路电力牵引系统中的复杂供电条件、子系统间的相互作用、制动控制等因素的单独作用及耦合并发作用对电力牵引系统及制动安全影响机理缺乏认识。本项目通过研究电力牵引系统亚安全态与故障态之间的发展规律，探索系统损伤的作用机理，提出电力牵引系统故障预警理论，建立系统健康度评估方法；研究高速铁路供电网压畸变与闪变、分相过电压与过电流以及系统谐波对电力牵引系统运行的作用机理，提高恶劣工况下系统的安全控制性能；采用在线自适应电力牵引系统最优制动控制方法，增强制动控制系统的鲁棒性，提高高速列车制动安全性能。通过上述研究提出电力牵引系统安全性预测与控制理论，为高速铁路列车的设计制造、安全运营、维护维修提供理论和技术支撑。

针对高铁电力牵引系统，通过测试和分析CRH5、CRH380BL等车型出现的网压谐振、IGBT损坏、牵引丢失等问题，我们发现：供电网的极端工况、系统谐波以及制动控制性能对电力牵引系统及制动安全产生影响，项目针对高速铁路电力牵引系统中的复杂供电条件、子系统间的相互作用、制动控制等因素的单独作用及耦合并发作用对电力牵引系统及制动安全影响机理等问题，展开安全性预测与控制研究。.结合两个五年计划期间主持和参与的多项轨道交通电力牵引系统重要科研项目，对车载电力牵引系统的安全性预测和控制进行了深入研究和总结。首先基于加速老化试验的结果给出了拟合老化损伤规律的解析化方程，并从中提取出表征部件安全相关状态的基本特征量，给出了区分安全相关状态的判据；通过状态迁移建立了系统的安全关联模型以研究部件安全性对系统总体安全性的影响规律；利用灰色预测模型来拟合部件损伤累积的非线性过程，从而完成安全性的预测；利用多信息源、多传感器的数据融合手段实现了高速铁路电力牵引系统复杂故障的在线分析。研究了高速铁路供电网压短时中断、网压畸变、系统谐波对电力牵引系统安全运行的影响作用机理，提出“旋转坐标系判别法”和“瞬时滑窗判别法”实现网压短时中断的快速识别，并进一步给出了从控制角度抑制电流冲击的有效策略；提出基于预测网压的前馈dq解耦控制方法以减小网压畸变对系统运行的影响；给出了基于牵引变压器辅助绕组的电流谐波滤除方法，降低牵引网谐振风险；通过分析过分相合闸过电压和合闸涌流的产生机理，提出了一种利用网侧变流器实时追踪接触网网压的合闸过电压抑制措施，以及一种基于变压器二次侧激磁的合闸涌流抑制方法。在制动安全方面，通过建立轮轨单轴简化模型，推导了基于扰动观测器的高黏着控制方法的具体理论实现过程；采用改进型的转矩微调函数，解决了快速调节的稳定性问题，提高了黏着控制的鲁棒性和黏着利用性能，以提高高速列车制动性能，保证制动安全。同时，针对电力牵引系统子系统间的相互作用，基于阻抗匹配研究了牵引系统的稳定性问题；提出了频域下适用于牵引电机转子磁场定向控制的拍频抑制策略，解决了直流侧二次脉动引起的牵引转矩脉动问题。.上述研究成果多用于解决实际科研和工程项目中碰到的问题，并在我国首列混合动力动车组上，为高速铁路列车的稳定控制、安全运营和性能提升提供了很好的理论和技术支撑。