電氣化鐵路車網(wǎng)電氣低頻振蕩研究.pdf

1、近年來，隨著越來越多的交直交傳動(dòng)的電力機(jī)車與動(dòng)車組上線運(yùn)行，電氣化鐵路的牽引供電系統(tǒng)中出現(xiàn)了低頻振蕩這一新現(xiàn)象。低頻振蕩是復(fù)雜的車網(wǎng)電氣匹配問題，本文以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為出發(fā)點(diǎn)，開展對(duì)這一問題的一系列研究。
　　針對(duì)多個(gè)低頻振蕩案例的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，把低頻振蕩分為3種狀態(tài)。通過對(duì)大量的振蕩的網(wǎng)壓網(wǎng)流波形數(shù)據(jù)做信號(hào)分析，總結(jié)出發(fā)生低頻振蕩時(shí)，網(wǎng)壓網(wǎng)流的統(tǒng)一數(shù)學(xué)表達(dá)式。對(duì)網(wǎng)壓信號(hào)的表達(dá)式進(jìn)行單相dq變換后發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)壓的d軸分量與網(wǎng)壓瞬時(shí)波形

2、的包絡(luò)線近似重合，只含有低頻振蕩的交流分量。設(shè)計(jì)了一個(gè)將網(wǎng)壓信號(hào)作為檢測(cè)對(duì)象，以改進(jìn)Prony算法為基礎(chǔ)、加入數(shù)字濾波技術(shù)的低頻振蕩檢測(cè)方法，并使用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　以青島動(dòng)車所多列CRH5型動(dòng)車組引起的低頻振蕩現(xiàn)象為例，設(shè)計(jì)車網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型。先用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)證明了分析低頻振蕩現(xiàn)象時(shí)，牽引網(wǎng)模型可以簡(jiǎn)化為戴維南等效電路;再根據(jù)實(shí)測(cè)的CRH5動(dòng)車組網(wǎng)側(cè)整流器內(nèi)部電氣量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，通過傳遞函數(shù)參數(shù)辨識(shí)的方法，合理設(shè)定其控制參數(shù);

3、最后使用Matlab/Simulink工具箱搭建車網(wǎng)系統(tǒng)的時(shí)域仿真模型，較為真實(shí)地還原了CRH5動(dòng)車組引起的低頻振蕩現(xiàn)象。
　　在分析低頻振蕩問題時(shí)，機(jī)車的動(dòng)態(tài)行為主要由網(wǎng)側(cè)整流器(LSC)決定。討論LSC的頻域小信號(hào)建模思路，通過時(shí)域仿真分別驗(yàn)證將其建模為單相導(dǎo)納和dq軸導(dǎo)納矩陣的可行性。確立了dq軸建模思路后，指出并解決了單相交流系統(tǒng)在dq軸下建模的最大障礙，為推導(dǎo)解析模型奠定基礎(chǔ)。通過對(duì)LSC的同步系統(tǒng)、電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)3

4、部分的小信號(hào)分析，建立了LSC的2×2階dq軸導(dǎo)納矩陣模型，并設(shè)計(jì)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證其頻域響應(yīng)的準(zhǔn)確性。
　　LSC作為線性周期性（LTP）系統(tǒng)，還可以使用諧波傳遞函數(shù)矩陣(HTM)法，在線性周期性的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行軌跡附近直接建模。通過對(duì)LSC控制方程的分析，建立其3×3階的HTM模型，并與dq軸導(dǎo)納矩陣模型進(jìn)行對(duì)比。LSC的2種模型都是使用頻域小信號(hào)法建模得出，利用這些模型分析車網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)，需要計(jì)算穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)（軌跡）。以dq軸建模為例，計(jì)算青

5、島動(dòng)車所案例的車網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)。然后，將車網(wǎng)系統(tǒng)按照電氣關(guān)系表示為閉環(huán)傳遞函數(shù)矩陣的形式，得到車網(wǎng)系統(tǒng)頻域模型。按照多輸入多輸出(MIMO)線性時(shí)不變(LTI)系統(tǒng)理論，提出車網(wǎng)系統(tǒng)主導(dǎo)極點(diǎn)的概念。通過車網(wǎng)時(shí)域仿真的結(jié)果可知，主導(dǎo)極點(diǎn)的阻尼比和自然振蕩頻率分別反映了車網(wǎng)系統(tǒng)的低頻振蕩狀態(tài)和振蕩頻率。根據(jù)對(duì)車網(wǎng)系統(tǒng)主導(dǎo)極點(diǎn)阻尼比的分析，提出了欠阻尼機(jī)理來解釋網(wǎng)壓出現(xiàn)持續(xù)大幅振蕩的原因。
　　對(duì)電氣化鐵路低頻振蕩的抑制方法可以分別從

6、牽引網(wǎng)側(cè)和機(jī)車側(cè)研究。根據(jù)欠阻尼機(jī)理可知，在牽引網(wǎng)側(cè)減小牽引網(wǎng)等效阻抗和提供系統(tǒng)附加阻尼均可抑制低頻振蕩。然而，通過在機(jī)車側(cè)修改LSC控制抑制振蕩更為簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)也十分有效。復(fù)平面上車網(wǎng)系統(tǒng)主導(dǎo)極點(diǎn)隨LSC控制參數(shù)變化的軌跡說明，通過修改LSC控制參數(shù)可以抑制低頻振蕩，在不改變牽引網(wǎng)電源條件時(shí)，能提高車網(wǎng)系統(tǒng)同時(shí)容納的車數(shù)。另外，根據(jù)網(wǎng)壓、網(wǎng)流在振蕩時(shí)的波形分析，提出在控制器中加入功率振蕩抑制(POD)的方法，根據(jù)國(guó)內(nèi)低頻振蕩案例的實(shí)際情