大功率电力机车高性能牵引传动变流控制技术研发与应用

20180701

交通运输、仓储和邮政业

应用技术

新技术

仅限国内转让

产学研战略联盟协议

横向委托

与企业合作

中车大连电力牵引研发中心有限公司;中车永济电机有限公司

牵引传动变流及控制系统作为电力机车和高速动车组的动力“心脏”，将单相25kV牵引网供电电能转化为三相牵引电机的驱动能量，驱动着重载货运列车或高速列车快速、安全、高效的行驶。西门子，阿尔斯通等国外公司长期以来牢牢把控该系统的核心控制技术，成为我国电力机车和高速列车国产化的掣肘。开发具有完全自主知识产权的牵引传动变流系统核心控制技术，并实现大规模产业化应用具有技术自主创新的重大社会意义。 原中国北车股份有限公司从2007年开始根据原铁道部引进、消化吸收国产化与再创新的总体战略为指导，开展了干线大功率电力机车牵引传动系统的国产化研制工作。北京交通大学与中车大连电力牵引研发中心有限公司、中车永济电机有限公司开展深入有效的合作，在大功率电力机车牵引变流控制技术的研制过程中取得了一系列成果，与原南车株洲电力机车研究所研发的平台共同构建了我国两大电力机车牵引传动平台，打破了国外公司垄断，已完全占据国内市场并实现部分出口。 （1）针对大功率电力机车牵引变流器开关频率低、牵引电机运行速度范围宽、动态响应快的要求，成功研制了基于多模式矢量控制的大功率电力机车牵引逆变控制系统。提出了一种适用于方波工况下的基于单自由度控制的改进型矢量控制方法；针对单自由度和双自由度矢量控制分别提出了电机参数在线实时校正策略；提出了一种可针对实际系统性能需求进行快速设计的多模式混合优化调制策略和一种通用的基于谐波磁链的多模式脉宽调制切换策略；实现了牵引电机在低开关频率全速度范围的高性能转矩控制。 （2）针对大功率电力机车单相四象限整流器开关频率低、动态响应快、谐波污染小的要求，成功研制了基于矢量控制的大功率电力机车四象限整流器控制系统。提出并应用了一种在低开关频率下使用比例-谐振调节器对四象限变流器进行直接电流控制的方法；提出一种四象限变流器同步调制和多重化电流控制策略，有效抑制了注入牵引电网的谐波电流。 （3）针对大功率电力机车牵引传动变流系统工况复杂、实车试验难度大、耗时长等问题，在国内首次采用FPGA实现了10ns级的电力牵引传动系统实时仿真模型，并成功研制了大功率电力机车牵引传动系统实时仿真平台，大幅加快了牵引传动控制核心技术的研发进程。 北京交通大学与两家合作单位开展了富有成效的产学研合作，基于以上技术研制了大功率电力机车的牵引控制单元及变流器产品，从2013年开始已批量装车应用于国产大功率电力机车HXD2C、HXD2新八轴（HXD2 1000系）上，大幅降低了大功率牵引传动系统的国内采购价格，同时为国家节约了大量外汇。截至2018年5月，共生产交付运营单位装载上述牵引传动系统的电力机车424台。两家合作单位近三年应用该技术生产相关产品新增利润3.63亿元人民币。相关技术还进一步转化并应用于高速动车组和城轨交通车辆中，为我国轨道交通装备国产化做出了突出贡献。 该项目发表科技论文31篇，培养博士4人，硕士12人，获授权发明专利10项。