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  • 頭條高速鐵路車網(wǎng)電氣耦合系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析方法
    2020-11-10 作者:母秀清、王英、陳思彤、王迎晨、何正友  |  來源:《電工技術(shù)學報》  |  點擊率:
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    導語西南交通大學電氣工程學院、蘭州交通大學電氣與自動化工程學院甘肅省軌道交通電氣自動化工程實驗室的研究人員母秀清、王英、陳思彤、王迎晨、何正友,在2019年第15期《電工技術(shù)學報》上撰文指出(論文標題為“基于改進sum-范數(shù)判據(jù)的高速鐵路車網(wǎng)電氣耦合系統(tǒng)穩(wěn)定性研究”),近年來國內(nèi)相繼出現(xiàn)多起高速鐵路車網(wǎng)電氣耦合系統(tǒng)電氣量低頻振蕩,振蕩嚴重時甚至導致動車組發(fā)生牽引封鎖。 針對這一問題,對產(chǎn)生低頻振蕩的高速鐵路多CRH5動車組接入牽引供電網(wǎng)絡(luò)耦合系統(tǒng)進行穩(wěn)定性研究。首先,對我國AT牽引供電網(wǎng)和CRH5動車組四象限脈沖整流器進行了數(shù)學建模,并獲得了該級聯(lián)系統(tǒng)的回比矩陣;其次,提出了一種針對該系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的改進的sum-范數(shù)判據(jù);然后,深入分析了提出判據(jù)的保守性;最后,通過與不同的范數(shù)判據(jù)比較,進行了高速鐵路多CRH5動車組接入牽引供電網(wǎng)絡(luò)耦合系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析,結(jié)果驗證了提出的改進sum-范數(shù)判據(jù)分析的準確性和可靠性。

    隨著重載電氣化鐵路和高速鐵路的快速發(fā)展,HXD系列電力機車、CRH系列和諧號動車組、CR系列復興號動車組在改造既有線、新建高速鐵路上大密度、高速度運行,系統(tǒng)各種耦合問題日益突出,尤其近年來多區(qū)域出現(xiàn)多車同時升弓接入牽引網(wǎng)出現(xiàn)的車網(wǎng)耦合低頻振蕩現(xiàn)象。

    不同于電力系統(tǒng)低頻振蕩,電氣化鐵路車網(wǎng)電氣耦合系統(tǒng)低頻振蕩屬于運營中出現(xiàn)的車網(wǎng)電氣匹配問題。

    • 針對車網(wǎng)低頻振蕩的系統(tǒng)控制和抑制研究,有學者利用主導極點,分析機車數(shù)量、電壓環(huán)、電流環(huán)參數(shù)對車網(wǎng)系統(tǒng)低頻振蕩的影響;
    • 有學者設(shè)計二自由度內(nèi)模控制器,改進后的方法能有效抑制高速鐵路牽引網(wǎng)低頻振蕩;
    • 有學者構(gòu)建四象限脈沖整流器狀態(tài)空間模型和閉環(huán)小信號模型傳遞函數(shù),分析了多車接入牽引網(wǎng)的穩(wěn)定性及控制參數(shù)、動車數(shù)量等因素的影響;
    • 有學者通過非線性模式分析方法Hopf分叉理論研究了脈沖整流器及其構(gòu)成系統(tǒng)非線性特性,分析了脈沖整流器的非線性特性對低頻振蕩的影響;
    • 有學者利用單相系統(tǒng)dq解耦理論,通過主導極點和欠阻尼機理分析了機車數(shù)量、負荷大小、供電臂長度、積分器與控制器參數(shù)對系統(tǒng)低頻振蕩的影響。
    • 針對車網(wǎng)發(fā)生低頻振蕩的系統(tǒng)穩(wěn)定性研究,有學者在車網(wǎng)耦合系統(tǒng)狀態(tài)方程基礎(chǔ)上判定了車網(wǎng)系統(tǒng)開環(huán)穩(wěn)定性,并用小增益原理對車網(wǎng)系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定性進行分析;
    • 有學者結(jié)合阻抗比判據(jù)分析車網(wǎng)互聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,定性分析了機車接入牽引網(wǎng)需考慮前級系統(tǒng)與后級系統(tǒng)的阻抗匹配關(guān)系;
    • 有學者指出車網(wǎng)耦合系統(tǒng)穩(wěn)定性分析屬于電氣參數(shù)匹配問題;
    • 有學者設(shè)計實驗測量了實際機車的輸入導納矩陣各元素的幅值、相位;
    • 有學者提出了改進的禁區(qū)準則來分析列車-電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,并對經(jīng)典準則進行了比較。

    綜上,針對多車網(wǎng)耦合低頻振蕩現(xiàn)象多從抑制措施分析,針對系統(tǒng)穩(wěn)定性研究還不是很多,目前針對車網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性研究多直接采用Middlebrook阻抗比判據(jù)。國內(nèi)從發(fā)生低頻振蕩臨界系統(tǒng)穩(wěn)定性角度研究較多的是HXD1B、HXD2B、HXD3B型機車和CRH1、CRH3動車組等負載,而對大量投入的CRH5型動車組和牽引網(wǎng)耦合的低頻振蕩研究也不多。

    基于阻抗的穩(wěn)定性分析是目前廣泛應用的級聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法。我國不同列車采用變流器的電路拓撲、控制策略也存在一定差異,為車側(cè)阻抗建模帶來了一定的難度。不同于HXD1B、HXD2B、HXD3B型機車和CRH1、CRH3動車組等負載,CRH5型動車組整流器直流環(huán)節(jié)無LC濾波,采用dq電流控制。dq系阻抗建模方法是將系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)電壓、電流電氣量旋轉(zhuǎn)到dq坐標系下進行建模,該控制獲得的交流阻抗為一個不同于現(xiàn)有大多運營車系的多輸入多輸出(Multi-Input Multi-Output,MIMO)系統(tǒng)阻抗。

    若系統(tǒng)阻抗模型為MIMO系統(tǒng),則需要采用MIMO系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法,包括廣義Nyquist穩(wěn)定性判據(jù)、特征值分析法、奇異值判據(jù)、范數(shù)判據(jù)、d通道判據(jù)等。

    后面幾種方法相比廣義Nyquist穩(wěn)定性判據(jù)和特征值法計算更加簡便;但奇異值判據(jù)和傳統(tǒng)范數(shù)判據(jù)屬于MIMO系統(tǒng)的小增益判據(jù),具有較大保守性,在分析穩(wěn)定性過程中的分析結(jié)果不夠準確;d通道判據(jù)只適用于具有高功率因數(shù)的系統(tǒng)穩(wěn)定性分析,適用性較為有限。

    針對多CRH5動車組升弓正被接入牽引網(wǎng),有學者針對CRH5型動車組-牽引網(wǎng)耦合系統(tǒng)的高密-青島站區(qū)間出現(xiàn)低頻振蕩進行了實測。有學者提出了一種MIMO級聯(lián)系統(tǒng)禁區(qū)判據(jù)進行系統(tǒng)穩(wěn)定性分析,可以較好并實測準確地分析車網(wǎng)系統(tǒng)低頻振蕩臨界條件。

    通過對國內(nèi)外近年來文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn),針對MIMO的CRH5多車網(wǎng)電氣耦合系統(tǒng)穩(wěn)定性研究還比較少,目前研究主要集中在阻抗回比判據(jù)的使用上,也未從本質(zhì)上推導研究具體判據(jù)針對不同車網(wǎng)級聯(lián)系統(tǒng)分析的實用性。

    本文提出一種針對多CRH5動車組接入AT牽引供電網(wǎng)級聯(lián)系統(tǒng)的改進sum-范數(shù)穩(wěn)定性分析方法,并與已有幾種范數(shù)判據(jù)比較,所提出判據(jù)保守性更小,很適合高速鐵路車網(wǎng)電氣耦合系統(tǒng)穩(wěn)定性分析。

    本文首先進行多車網(wǎng)電氣耦合源-負荷等效系統(tǒng)建模;然后進行sum-范數(shù)判據(jù)改進的詳細推導;接著對該判據(jù)進行保守性分析;最后將該判據(jù)應用于多CRH5動車組投入AT牽引網(wǎng)級聯(lián)系統(tǒng)進行穩(wěn)定性分析,并與已有范數(shù)判據(jù)和測試結(jié)果進行對比,驗證了所提判據(jù)的可靠性和有效性。

    學術(shù)簡報︱高速鐵路車網(wǎng)電氣耦合系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析方法

    圖3 CRH5型動車組牽引傳動結(jié)構(gòu)

    學術(shù)簡報︱高速鐵路車網(wǎng)電氣耦合系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析方法

    圖4 CRH5型動車組整流器控制

    總結(jié)

    本文提出了一種基于改進sum-范數(shù)的多車網(wǎng)電氣耦合系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù),并對改進sum-范數(shù)判據(jù)的穩(wěn)定性進行了保守性分析。

    首先對全并聯(lián)復線AT牽引網(wǎng)進行數(shù)學建模,并建立基于dq解耦電流控制策略的CRH5型動車組整流器數(shù)學模型,最終得到該車網(wǎng)級聯(lián)系統(tǒng)回比矩陣。然后提出改進sum-范數(shù)判據(jù),分析多CRH5型動車組同時整備投入牽引供電網(wǎng)的電氣耦合系統(tǒng)的穩(wěn)定性,得出車網(wǎng)電氣耦合系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩時升弓整備的CRH5型動車組的臨界數(shù)量為7列。在7列動車組同時升弓整備時,車網(wǎng)耦合系統(tǒng)不穩(wěn)定。

    最終,本文提出的基于改進sum-范數(shù)的MIMO系統(tǒng)阻抗穩(wěn)定性判據(jù),降低了MIMO系統(tǒng)原范數(shù)穩(wěn)定性判據(jù)的保守性,很適合分析電氣化鐵路多車同時升弓接入牽引供電網(wǎng)的多車網(wǎng)電氣級聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

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