高速铁路车网耦合系统网压振荡研究

摘要

随着中国高速铁路的迅猛发展，由于对牵引供电系统及高速列车特性的认识不够透彻和全面，高速列车和牵引供电系统之间的电气匹配不当所引起的高频谐振和低频振荡问题也日益突出，给高速铁路系统设备和列车运行带来安全隐患，对牵引供电系统的供电质量和列车的准点运营产生严重影响。本文以高速铁路车网耦合系统网压振荡为研究对象，针对牵引网高频谐振过电压和网压低频波动两种现象展开研究，重点分析这两种现象的产生机理、影响因素及其抑制措施，为实际治理高速铁路车网耦合系统网压振荡问题提供理论支撑。
　　本文首先介绍了采用AT供电方式的牵引供电系统的各个组成部分和CRH3型动车组的构成及调控方法，并基于Matlab/Simulink仿真软件搭建了高速铁路车网互联仿真模型，为仿真分析高频谐振和低频振荡问题提供了仿真平台。基于仿真平台，仿真再现了高频谐振过电压和网压低频波动现象。为了弄清高频谐振和低频振荡时网压中所含的信号成分，采用Prony算法和傅里叶算法对牵引网发生高频谐振和低频振荡时的网压信号进行了检测和分析，发现牵引网出现谐振过电压时的网压信号中含有含量较高的高次谐波成分，牵引网发生低频振荡时的网压信号中含有间谐波成分且网压波动频率为间谐波与邻近谐波或基波的差值。
　　针对高频谐振问题，首先对列车谐波特性和牵引网阻频特性进行了理论计算和仿真分析，弄清了列车变流器交流侧谐波电压和牵引网阻频特性的分布规律。通过理论计算和仿真分析发现当列车变流器交流侧电压谐波含量较大的频率与牵引网谐振点频率重合时车顶网压谐波含量较大，且网压谐波含量随牵引网阻抗幅值增大而增大，而当车顶网压谐波含量较高时将导致牵引网谐振过电压的出现。
　　针对低频振荡问题，通过对波形的分析发现低频振荡时列车变流器没有实现网侧单位功率因数和稳定直流侧电压两大控制目标，系统稳定性遭到了破坏。理论分析了影响车网耦合系统稳定性和列车变流器控制系统稳定性的因素，仿真发现当同一供电臂下运行的列车数量增多、列车距变电所距离越远或列车变流器电流内环控制参数KiP取值越小、电压外环控制参数KvP取值越大、KvI取值越小时牵引网网压越易发生低频振荡。
　　对于高频谐振问题，介绍了改变列车变流器载波频率、改变供电臂长度和加装阻尼滤波器三种抑制方法;对于低频振荡问题，设计了一种滑模变结构控制来替换传统PI控制的列车变流器控制方法。通过仿真验证，抑制效果良好。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 选题背景及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文的主要内容

2 牵引供电系统与高速列车简介及仿真建模

2．1 牵引供电系统

2．1．1 外部电源

2．1．2 牵引变压器

2．1．3 牵引网

2．1．4 自耦变压器

2．2 高速列车

2．2．1 列车牵引传动系统拓扑结构

2．2．2 列车变流电路工作原理

2．2．3 列车变流器控制技术

2．2．4 列车变流器的PWM技术

2．3 车网联合仿真模型搭建

2．3．1 牵引供电系统仿真建模

2．3．2 列车仿真建模

2．3．3 车网联合仿真模型

2．4 本章小结

3 牵引网网压信号检测与分析

3．1 网压信号检测

3．1．1 牵引网谐波检测

3．1．2 网压低频振荡检测

3．2 检测数据的分析

3．3 本章小结

4 高频谐振研究

4．1 牵引网谐振过电压产生机理

4．1．1 高速列车谐波特性及等效模型

4．1．2 牵引网阻频特性及等效模型

4．1．3 谐波谐振过电压机理研究

4．2 牵引网高频谐振仿真分析

4．2．1 列车变流器交流侧电压谐波特性仿真结果

4．2．2 牵引网阻频特性仿真结果

4．2．3 列车变流器交流侧谐波电压对谐振过电压的影响

4．2．4 牵引网阻抗幅值对谐振过电压的影响

4．3 本章小结

5 低频振荡研究

5．1 低频振荡现象分析

5．2 网压低频振荡产生机理

5．2．1 车网耦合系统稳定性分析

5．2．2 列车变流器控制系统稳定性分析

5．3 网压低频振荡仿真分析

5．3．1 列车数量对网压振荡的影响

5．3．2 牵引网与列车的阻抗比对网压振荡的影响

5．3．3 列车变流器电流内环控制参数KiP值对网压振荡的影响

5．3．5 列车变流器电压外环控制参数KvI值对网压振荡的影响

5．4 本章小结

6 网压振荡抑制措施研究

6．1 牵引网高频谐振抑制措施

6．1．1 改变列车变流器载波频率

6．1．2 改变供电臂长度

6．1．3 加装阻尼滤波器

6．2 网压低频振荡抑制措施

6．2．1 选择滑模变结构控制原因

6．2．2 滑模变结构控制概论

6．2．3 基于滑模变结构的变流器控制系统的设计

6．2．4 系统仿真与分析

6．3 本章小结

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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