徐州北铁路枢纽牵引网低频振荡研究

摘要

牵引网低频振荡是随着交直交电力机车投运而发生的一种新现象。与以往发生的低频振荡不同，2014年1月在徐州北铁路枢纽发生的低频振荡引起了牵引供电电压异常波动，影响了牵引供电系统的供电质量和机车的正常运行。因此，有必要对徐州北铁路枢纽低频振荡的诱发原因、形成机理进行深入分析，并提出切实可行的抑制措施。基于实测数据和仿真模型，针对上述问题进行了一系列研究。
　　列举了以往发生的多个低频振荡案例的电压、电流实测波形，并进行了分析。这些案例中，在车数达到临界值时，牵引网电压、电流信号呈现持续稳定的低频振荡，振荡频率为4-7Hz，电压波动范围一般在±4kV内。然后针对徐州北铁路枢纽低频振荡进行现场测试，捕捉到了牵引网电压、电流低频振荡数据。为了更有效率地对测试数据进行分析，编写了用于数据处理的软件TDPS(Test DataProcessing Software)。运用TDPS对测试数据进行分析，发现徐州北铁路枢纽低频振荡是牵引网电压、电流的不稳定振荡，牵引网电压出现了异常波动，波动范围较大，徐州北变电所母线电压最低8.94kV（有效值，下同），最高36.1kV;徐州北开闭所最低5.29kV，最高37.8kV。计算徐州北牵引变电所和开闭所两地母线之间的电压损失，并分别计算两母线的无功功率、有功功率，根据计算结果分析得出徐州北铁路枢纽低频振荡是由HXD2B型电力机车电流波动引发的。
　　牵引网低频振荡现象属于车网匹配问题，在PSCAD/EMTDC仿真软件中建立牵引供电系统和HXD2B型电力机车网侧变流器组成的车网系统模型。牵引供电系统的模型简化为戴维南等效电路。采用单相dq解耦控制策略对机车6个并联的网侧变流器建模，并根据控制系统技术指标要求对各控制模块的参数进行整定。分别对机车数目不同的车网系统模型进行仿真，仿真结果再现了由HXD2B型电力机车引发的致使牵引网电压异常波动的低频振荡现象。
　　运用FFT(Fast Fourier Transform)对实测数据进行拟合，建立单相dq解耦闭环控制数学模型研究低频振荡机理。拟合结果表明牵引网发生低频振荡时，电压、电流信号在50Hz基波的基础上叠加了基波频率附近的间谐波;闭环控制数学模型雅克比矩阵的特征值随控制器PI参数变化的规律表明PI参数对系统稳定性的影响程度不同:电流环比例系数KiP影响程度最大，电压环积分系数KvI影响程度次之，电压环比例系数kvP稍弱，电流环积分系数KiI的影响程度最弱。
　　从牵引网和机车两方面提出了抑制措施，并分别对减小机车与牵引变电所（或开闭所）的等效电气距离、修改网侧变流器PI参数的抑制效果进行了仿真验证。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 传统机理研究

1．2．2 理论分析方法

1．3 本文主题内容和结构安排

2 电气化铁路低频振荡现象

2．1 低频振荡概述

2．1．1 电力系统低频振荡现象

2．1．2 电气化铁路低频振荡现象

2．2 电气化铁路低频振荡案例

2．2．1 典型低频振荡波形

2．2．2 低频振荡特点归纳

2．2．3 低频振荡原因分析

2．3 本章小结

3 徐州北铁路枢纽牵引网低频振荡现象测试及分析

3．1 测试概况

3．1．1 测试内容

3．1．2 测试电气量及接线

3．2 测试结果及数据分析

3．2．1 相关电气量的低频振荡波形

3．2．2 低频振荡原因分析

3．2．3 电压波动原因分析

3．3 测试数据分析软件

3．3．1 功能要求

3．3．2 设计流程

3．3．3 使用范围及方法介绍

3．4 本章小结

4 低频振荡现象建模仿真与分析

4．1 牵引供电系统模型的搭建

4．1．1 牵引供电系统参数计算

4．1．2 牵引供电系统模型

4．2 电力机车模型的搭建

4．2．1 电力机车牵引传动系统

4．2．2 HXD2B型电力机车牵引传动系统参数

4．2．3 单相VSR控制策略的建模与仿真

4．2．4 HXD2B型电力机车仿真模型的搭建及参数整定

4．3 车网联合系统仿真模型的搭建

4．4 仿真结果及分析

4．4．1 单车系统仿真

4．4．2 多车系统仿真

4．5 本章小结

5 低频振荡机理分析及抑制措施

5．1 低频振荡机理分析

5．1．1 FFT拟合

5．1．2 闭环控制数学模型

5．2 低频振荡的抑制措施

5．2．1 改善牵引网

5．2．2 改善机车网侧变流器控制参数

5．3 本章小结

6 总结与展望

参考文献

附录

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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