摘要

在新能源机车多能源协同供电架构下，辅助逆变器与动力系统的协调控制是提升整车能源效率、保障供电可靠性的核心环节。本文系统阐述协调控制的技术原理，分析多场景下的协同机制，结合工程案例验证技术有效性，并展望智能化、网联化发展趋势，为新能源机车辅助系统设计提供理论与实践参考。

一、协调控制的技术原理与系统架构

1.1 核心控制逻辑

协调控制以能量流优化为目标，通过以下技术路径实现辅助逆变器（Auxiliary Inverter, AI）与动力系统（包括主牵引变流器、储能系统、燃料电池等）的动态匹配：

分层控制策略： 顶层决策层：基于TCMS（列车控制管理系统）的全局优化算法，根据工况（如牵引/制动/怠速）动态分配功率需求； 中层协调层：通过CANopen或EtherCAT实时通信（周期≤1ms），传递电压、电流、SOC（荷电状态）等关键参数； 底层执行层：辅助逆变器采用模型预测控制（MPC）实现快速响应，动态调整输出功率（响应时间≤50μs）。展开剩余77%

1.2 系统拓扑结构

典型协调控制系统包含三类关键接口：

能源接口：辅助逆变器与锂电池/超级电容的DC-DC双向变换器连接，支持能量双向流动； 控制接口：与主牵引系统共享电压外环、电流内环双闭环控制参数； 监测接口：集成霍尔传感器与温度采集模块，实现输入/输出端电气参数实时监测（采样频率10kHz）。

二、多工况下的协同控制机制

2.1 牵引工况：动态功率分配

控制目标：优先保障牵引动力，限制辅助系统峰值功率（通常≤总功率的15%）； 协同策略： 当主牵引功率需求＜储能系统额定功率时，辅助逆变器由储能系统直接供电； 当牵引功率接近上限（如爬坡工况），辅助系统自动切换至“经济模式”，非关键负载（如空调）功率降低30%~50%； 案例数据：某混合动力机车在10%坡道牵引时，通过协同控制实现辅助系统能耗降低22%，续航里程延长18km。

2.2 制动工况：能量回收协同

技术路径： 制动能量经主变流器整流为直流电，优先供给辅助逆变器（减少储能系统充放电次数）； 当辅助负载＜制动回收能量时，剩余能量通过DC-DC变换器存入超级电容（效率＞92%）； 关键指标：制动能量利用率提升至75%（传统独立控制仅为58%），辅助系统供电稳定性提升至99.9%。

2.3 怠速/停车工况：低功耗模式

控制逻辑： 机车静止时，辅助逆变器切换至“休眠模式”，开关频率从10kHz降至2kHz，待机功耗＜500W； 与燃料电池系统联动，当辅助负载＞5kW时，燃料电池启动并逐步提升输出功率（避免瞬时冲击）； 验证结果：某氢燃料机车怠速等待时，通过协同控制实现每小时节电1.2kWh，相当于减少燃料电池无效启动3~5次/天。

三、典型应用案例分析

3.1 案例一：某型纯电动货运机车

系统配置：2×600kWh锂电池组+2×150kVA辅助逆变器+4×1200kW牵引电机； 协同创新点： 开发“功率预测-负载调度”双闭环算法，基于历史运行数据预测10分钟内辅助负载需求； 实现辅助逆变器与电池管理系统（BMS）的SOC协同控制，当电池SOC＜20%时，辅助系统自动切断非必要负载； 运行效果：单程（300km）辅助系统能耗降低15.6%，电池循环寿命延长200次以上。

3.2 案例二：混合动力调车机车

核心挑战：柴油发电机组（DG）与辅助系统的频繁切换导致电压波动（传统方案波动±8%）； 解决方案： 引入“虚拟同步机（VSG）”控制策略，模拟同步发电机外特性，辅助逆变器输出阻抗动态匹配DG； 设计预同步并网算法，切换过程电压暂降＜3%，冲击电流＜额定电流的1.2倍； 工程验证：通过UIC 515-4标准测试，切换时间从200ms缩短至30ms，满足铁路等级1级供电可靠性要求。

四、技术挑战与发展趋势

4.1 现存挑战

多能源干扰：燃料电池输出纹波（±5%@额定功率）导致辅助逆变器THD升高至5%~8%（目标≤3%）； 通信延迟：复杂工况下，控制指令传输延迟可能引发功率分配失衡（如突发负载冲击时）； 低温适应性：-30℃以下环境中，锂电池内阻增大，协同控制算法需补偿温度对SOC估算的影响（误差需控制在±2%内）。

4.2 未来发展方向

智能化协同： 基于深度学习的负载预测模型（如LSTM神经网络），实现辅助系统功率需求预测精度＞90%； 引入数字孪生技术，构建虚拟调试平台，缩短控制策略验证周期（从6个月降至2个月）。 宽禁带器件应用： SiC MOSFET替代传统硅基器件，辅助逆变器开关频率提升至20kHz，动态响应速度提高50%； 开发GaN基双向DC-DC变换器，实现辅助系统与储能系统的无缝切换（切换时间＜10μs）。 网联化协同： 通过5G/北斗定位实现多车协同，当多台机车编组运行时，辅助系统共享储能资源，冗余度提升40%； 接入智慧铁路云平台，基于全局能耗数据优化协同控制参数（如季节自适应算法）。

五、结论

辅助逆变器与动力系统的协调控制是新能源机车实现“高效、可靠、低耗”的关键技术。通过分层控制架构与多工况协同策略，可显著提升能源利用率与供电稳定性。未来需重点突破多能源干扰抑制、低温环境适应性等瓶颈，推动智能化算法与宽禁带器件的深度融合，为轨道交通绿色转型提供技术支撑。

关键词：辅助逆变器；动力系统；协同控制；能量管理；新能源机车

发布于：山东省