電氣化鐵路車網電氣低頻振蕩研究.pdf

1、近年來，隨著越來越多的交直交傳動的電力機車與動車組上線運行，電氣化鐵路的牽引供電系統中出現了低頻振蕩這一新現象。低頻振蕩是復雜的車網電氣匹配問題，本文以實測數據作為出發(fā)點，開展對這一問題的一系列研究。
　　針對多個低頻振蕩案例的測試數據進行分析，把低頻振蕩分為3種狀態(tài)。通過對大量的振蕩的網壓網流波形數據做信號分析，總結出發(fā)生低頻振蕩時，網壓網流的統一數學表達式。對網壓信號的表達式進行單相dq變換后發(fā)現，網壓的d軸分量與網壓瞬時波形

2、的包絡線近似重合，只含有低頻振蕩的交流分量。設計了一個將網壓信號作為檢測對象，以改進Prony算法為基礎、加入數字濾波技術的低頻振蕩檢測方法，并使用實測數據進行了驗證。
　　以青島動車所多列CRH5型動車組引起的低頻振蕩現象為例，設計車網系統的仿真模型。先用實測數據證明了分析低頻振蕩現象時，牽引網模型可以簡化為戴維南等效電路;再根據實測的CRH5動車組網側整流器內部電氣量的動態(tài)響應，通過傳遞函數參數辨識的方法，合理設定其控制參數;

3、最后使用Matlab/Simulink工具箱搭建車網系統的時域仿真模型，較為真實地還原了CRH5動車組引起的低頻振蕩現象。
　　在分析低頻振蕩問題時，機車的動態(tài)行為主要由網側整流器(LSC)決定。討論LSC的頻域小信號建模思路，通過時域仿真分別驗證將其建模為單相導納和dq軸導納矩陣的可行性。確立了dq軸建模思路后，指出并解決了單相交流系統在dq軸下建模的最大障礙，為推導解析模型奠定基礎。通過對LSC的同步系統、電流內環(huán)和電壓外環(huán)3

4、部分的小信號分析，建立了LSC的2×2階dq軸導納矩陣模型，并設計仿真試驗驗證其頻域響應的準確性。
　　LSC作為線性周期性（LTP）系統，還可以使用諧波傳遞函數矩陣(HTM)法，在線性周期性的穩(wěn)態(tài)運行軌跡附近直接建模。通過對LSC控制方程的分析，建立其3×3階的HTM模型，并與dq軸導納矩陣模型進行對比。LSC的2種模型都是使用頻域小信號法建模得出，利用這些模型分析車網系統時，需要計算穩(wěn)態(tài)運行點（軌跡）。以dq軸建模為例，計算青

5、島動車所案例的車網系統穩(wěn)態(tài)運行點。然后，將車網系統按照電氣關系表示為閉環(huán)傳遞函數矩陣的形式，得到車網系統頻域模型。按照多輸入多輸出(MIMO)線性時不變(LTI)系統理論，提出車網系統主導極點的概念。通過車網時域仿真的結果可知，主導極點的阻尼比和自然振蕩頻率分別反映了車網系統的低頻振蕩狀態(tài)和振蕩頻率。根據對車網系統主導極點阻尼比的分析，提出了欠阻尼機理來解釋網壓出現持續(xù)大幅振蕩的原因。
　　對電氣化鐵路低頻振蕩的抑制方法可以分別從

6、牽引網側和機車側研究。根據欠阻尼機理可知，在牽引網側減小牽引網等效阻抗和提供系統附加阻尼均可抑制低頻振蕩。然而，通過在機車側修改LSC控制抑制振蕩更為簡單、經濟也十分有效。復平面上車網系統主導極點隨LSC控制參數變化的軌跡說明，通過修改LSC控制參數可以抑制低頻振蕩，在不改變牽引網電源條件時，能提高車網系統同時容納的車數。另外，根據網壓、網流在振蕩時的波形分析，提出在控制器中加入功率振蕩抑制(POD)的方法，根據國內低頻振蕩案例的實際情