高铁车网耦合系统谐波不稳定机理及抑制方法

摘要

高速铁路牵引供电系统常因谐波不稳定问题导致网压畸变、容性设备爆炸，动车组控制系统失稳、牵引闭锁、趴窝停运等事故，严重扰乱铁路运输秩序甚至危及安全，而目前谐波不稳定问题的产生机理尚不明确。从不稳定的电压、电流波形中包含的频率分量来区分，谐波不稳定问题主要可分为三类：①与电网基频耦合的谐波不稳定问题(包含fx和2f0-fx的频率分量，fx是扰动频率，f0是电网基频)；②无频率耦合的谐波不稳定问题(包含fx的频率分量)；③与采样频率耦合的谐波不稳定问题(包含fx和kfsa±fx的频率分量，fsa是采样频率)。从不稳定发生的频段上看，问题①主要发生在几赫兹至十几赫兹的低频域，问题②主要发生在100Hz至1/2开关频率的中频域，问题③主要发生在高于1/2开关频率后的高频域。因此，车网耦合系统中的谐波不稳定问题包含了一系列小信号不稳定现象，在宽频域范围内均可能发生。如何建立车网耦合系统在宽频域(尤其是在超过1/2开关频率后的高频域)的阻抗模型，如何评估和抑制发生在不同频域内的谐波不稳定问题是需要重点关注的内容。　　为此，本文围绕高铁牵引供电系统的谐波不稳定问题开展理论研究，以揭示和消除动车组四象限变流器控制系统与牵引供电网交互作用产生的宽频带谐波不稳定问题为总体目标，通过分析高铁牵引供电系统谐波不稳定问题的发生规律、产生机理与稳定判据，从而提出行之有效抑制方案。论文主要工作可归纳为：　　(1)建立了车网耦合系统小信号平均模型。对于牵引供电网，考虑外部电网、牵引变电所、接触网等组件，建立了牵引供电网的简化参数模型和详细参数模型。对于动车组，考虑电压环、电流环、锁相环、PWM等模块，建立了dq坐标系(旋转坐标系)和αβ坐标系(静止坐标系)下动车组输入阻抗的小信号平均模型，并通过频率扫描法验证了车网耦合系统小信号平均模型的正确性，为定量分析低频、中频域下的谐波不稳定问题提供了理论手段。　　(2)建立了车网耦合系统多频率平均模型。随着频率的增加，控制环对动车组输入阻抗特性的影响会逐渐减弱，而A/D采样和PWM调制过程产生的边带谐波分量的影响会逐渐增强，准确评估采样边带谐波分量的影响是提升数学模型在高频域精度的关键。因此，本文考虑将数学模型的有效频率上限扩展至采样频率，建立了2阶和4阶的多频率平均模型来分别评估采样边带谐波分量和PWM边带谐波分量的影响，并通过频率扫描法来验证车网系统多频率平均模型的正确性，为定量分析高频域下的谐波不稳定问题提供了理论手段。　　(3)揭示了谐波不稳定诱发机理与影响因素。当牵引网输出阻抗和动车组输入阻抗的交互点落入动车组输入阻抗的负阻尼区域时，车网耦合系统有发生谐波不稳定的风险，准确评估动车组输入阻抗的负阻尼特性是谐波不稳定分析的关键。基于所建立的车网耦合系统小信号平均模型和多频率平均模型，推导动车组输入阻抗分别在低频、中频和高频域下负阻尼特性的解析表达式，进而可根据动车组输入阻抗的负阻尼表达式直观地找出控制参数对谐波不稳定的影响规律，揭示宽频带的谐波不稳定诱发机理，仿真和实验结果验证了理论分析。　　(4)提出了基于虚拟阻抗控制的谐波不稳定抑制方法。谐波不稳定是由于动车组输入阻抗的负阻尼特性引起，因此抑制谐波不稳定的关键在于减小动车组输入阻抗的负阻尼区域。基于动车组输入阻抗的负阻尼解析表达式，设计了基于电压前馈变量和基于电流反馈变量的虚拟阻抗控制策略，可用于减小低频、中频和高频域下动车组输入阻抗的负阻尼区域。此外为了减小控制器的时间延时特性对高频域虚拟阻抗控制效果的影响，设计了一个与虚拟阻抗控制器串联的时间延时补偿环节，能有效提升虚拟阻抗控制器在高频域的控制效果。仿真和实验结果验证了所提虚拟阻抗控制策略能够有效抑制宽频带的谐波不稳定问题，为消除车网耦合系统的谐波不稳定问题提供了解决方案。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状分析

1.2.1 电力电子化电力系统谐波不稳定研究现状

1.2.2 高铁牵引供电系统谐波不稳定研究现状

1.2.3 谐波不稳定抑制方法研究现状

1.3.1 研究对象

1.3.2 主要研究内容

1.4 论文章节安排

第2章 高铁车网耦合系统小信号平均建模

2.1 引言

2.2 牵引网频域阻抗建模

2.2.1 牵引网阻抗的等效建模方法

2.2.2 牵引网阻抗的详细建模方法

2.3.1 dq控制型动车组的等效拓扑结构

2.3.2 dq坐标系下动车组的小信号平均建模

2.3.3 αβ坐标系下动车组的小信号平均建模

2.4 基于频率扫描法的车网阻抗模型验证

（1）仿真模型与小功率实验平台

（2）牵引网阻抗频率特性验证

（3）动车组阻抗频率特性验证

2.5 本章小结

第3章 高铁车网耦合系统多频率平均建模

3.1 引言

3.2 瞬态电流控制型动车组的等效拓扑结构

3.3.1 动车组控制系统的多频率特性分析

3.3.2 PWM模块的多频率建模

3.3.3 动车组输入导纳的多频率建模

3.3.4 非线性PWM边带谐波分量对动车组多频率平均模型的影响

3.4.1 开环PWM模型验证

3.4.2 动车组输入导纳多频率平均模型验证

3.5 本章小结

第4章 谐波不稳定诱发机理及影响因素分析

4.1 引言

4.2 谐波不稳定现场测试分析

4.3 谐波不稳定诱因及判定方法

4.3.1 基于广义Nyquist判据的谐波不稳定判定方法

4.3.2 谐波不稳定诱因

4.4 与电网基频耦合的谐波不稳定机理及影响因素

4.5 无频率耦合的谐波不稳定机理及影响因素

4.6 与采样频率耦合的谐波不稳定机理及影响因素

4.7 本章小结

第5章 基于虚拟阻抗控制的谐波不稳定抑制方法

5.1 引言

5.2 与电网基频耦合的谐波不稳定抑制方法

5.3 无频率耦合的谐波不稳定抑制方法

5.4 与采样频率耦合的谐波不稳定抑制方法

5.5 统一的谐波不稳定抑制方法

5.6.1 小结

5.6.2 谐波不稳定抑制建议

第6章 结论

致 谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果

作者简历