高速磁悬浮列车由于脱离了地面黏着力的束缚，与传统轮轨列车相比，具有高速度、低损耗、适合远程运输的特点。高速磁悬浮列车采用长定子直线同步电机（Long Stator Linear Synchronous Motor, LSLSM）进行驱动，对电机的高性能控制是高速磁悬浮列车系统的一项核心技术。
世界首套！我国时速600公里高速磁浮交通系统下线
高速磁悬浮列车的牵引供电系统如图1所示，磁悬浮列车在低速时由一端变电站通过馈电电缆对轨道定子段绕组进行供电，即为单端供电模式；高速时由两端变电站同时向定子段供电，即为双端供电模式，该模式相当于两端的功率模块并联给定子绕组供电，可以提供足够大的馈电电流，从而满足列车在高速运行时所需的牵引力，并且降低了每台变流器单元的设计容量，满足列车在高速运行时的供电需求。
图1 高速磁悬浮列车的牵引供电系统
在高速磁悬浮大功率牵引供电系统中，牵引变流器采用的是两套有源中点钳位（Active Neutral- Point-Clamped, ANPC）变流器，开关器件采用IGBT，其结构采取背靠背共用直流母线拓扑。为了确保同一桥臂上的开关器件不发生直通短路，必须引入死区时间。由于变流器的低开关频率、开关器件的死区和管压降导致的变流器非线性，使得输出电压产生畸变。
另外，由于长定子直线同步电机铁心开槽、绕组分布非正弦性以及磁饱和等原因，电机气隙磁场将发生畸变。以上原因导致电机定子相电流中的谐波含量增加，5、7次谐波是其中的主要成分。这将导致列车牵引力产生波动，增加电机的噪声和损耗，从而影响牵引控制性能的稳定和安全。所以对上述问题的研究是十分必要的，目前尚缺乏对高速磁悬浮列车电机谐波电流抑制的相关研究。
当前有关谐波电流抑制的方案主要集中在对电机本体的优化以及对变流器和电机的控制策略两个方面。电机设计优化主要通过优化电机齿槽结构与绕组分布从而提高气隙磁场的正弦度。由于高速磁悬浮列车的电机再设计具有较高的成本，且单纯的电机优化设计无法抑制变流器非线性带来的谐波，考虑从控制策略上对谐波进行抑制更为必要。对于高速磁悬浮列车而言，谐波电流对列车牵引控制稳定性造成较为明显的影响，所以需要研究一种更为有效的电流谐波抑制策略。
滑模变结构控制具有强鲁棒性、快速动态响应并且方法简单等优点，目前吸引了较多的学者展开研究以应用于电机的状态观测与控制中。由于系统处于滑模状态时存在抖振的问题，消除抖振也是该控制策略的研究热点。
当前少有将滑模变结构控制应用于电机谐波电流抑制的相关研究。中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室（中国科学院电工研究所）、中国科学院大学的曹学谦、葛琼璇、朱进权、赵牧天、王晓新，在2022年第22期《电工技术学报》上撰文，针对谐波含量较高的5次和7次谐波电流推导双端供电模式下长定子直线同步电机的谐波电压数学模型，通过坐标变换与低通滤波的方式提取出谐波电流，设计基于积分滑模的谐波控制器，并在控制系统中增添谐波电流环，从而抑制电机定子电流中的5次和7次谐波分量。
图2 高速磁悬浮牵引硬件在环平台
研究人员创新性地将滑模控制策略应用到电机谐波电流的抑制之中，硬件在环实验证明了该谐波抑制策略比传统谐波抑制策略更有效，从而提高了电机相电流的正弦度，降低了牵引力波动和损耗。
本文编自2022年第22期《电工技术学报》，论文标题为“基于积分滑模的高速磁悬浮列车谐波电流抑制策略”。本课题得到国家重点研发计划高速磁浮交通系统关键技术研究课题资助项目的支持。
联系客服
