- 頭條如何解決復興號動車組在靜調試驗中的直流母線電壓大幅振蕩問題？2023-01-19 作者：周雪松、胡一凡 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語為解決廠內靜調試驗中高速動車組牽引變流器模擬牽引工況下，其中間直流環節發生電壓大幅振蕩的問題，天津理工大學天津市復雜系統控制理論及應用重點實驗室、中車大連電力牽引研發中心有限公司、天津大學智能電網教育部重點實驗室的研究人員周雪松、胡一凡、馬幼捷、曲詩健、宋關羽，在2022年第14期《電工技術學報》上撰文，提出一種引入電壓補償環節的虛擬電阻控制方法，可提高牽引變流系統的穩定性。
近年來，我國軌道交通領域發展迅猛，高速動車組設計產品譜系化發展。牽引變流器作為電力電子裝置，是級聯系統動車組牽引供電的關鍵，保證其穩定可靠運行是首要目標。在中車唐山機車車輛有限公司廠內靜調工位試驗中，CR400BF-A-3096“復興號”長編動車組曾出現11車升弓后，設備啟動過程中，中間直流環節電壓異常，引起牽引控制單元（Transmission Control Unit, TCU）誤動，造成受電弓“頂網”的不利情況。
后來經鐵科院軟件監測，發現中間直流環節電壓出現了大幅度振蕩的情況。中間直流環節電壓振蕩失穩將對動車組供電系統乃至動車組安全穩定運行造成極大威脅。此外有研究表明，城軌車輛牽引系統直流側同樣存在耦合振蕩的情況。學者們對于提升電力電子變換器直流側穩定性進行了深入的研究，總結歸納出直流側電壓出現振蕩的原因與直流側濾波裝置、網側電壓電流波動、恒功率負載投切以及電力電子裝置級聯等因素有關。
現有研究多對直流微電網、VSC-HVDC系統和軌道交通牽引逆變器等領域的直流側電壓振蕩以及由于動車組與牽引網耦合交互所導致的低頻振蕩現象進行細致深入的分析研究，而對由于系統耦合交互而導致的動車組中間直流環節大幅振蕩的研究相對較少。在高速動車組設計“主輔一體化”和“輕量化”的背景下，通過研究針對源側整流器的控制策略來提高牽引變流器中間直流環節穩定性是很有意義的。
為解決廠內靜調試驗中高速動車組牽引變流器模擬牽引工況下，其中間直流環節發生電壓大幅振蕩的問題，天津理工大學天津市復雜系統控制理論及應用重點實驗室、中車大連電力牽引研發中心有限公司、天津大學智能電網教育部重點實驗室的研究人員周雪松、胡一凡、馬幼捷、曲詩健、宋關羽，在2022年第14期《電工技術學報》上撰文，提出一種引入電壓補償環節的虛擬電阻控制方法，可提高牽引變流系統的穩定性。
圖1 牽引變流系統實際運行狀態
他們指出，該項研究是基于以下假設，針對復興號動車組靜調試驗環節投入負載時，中間直流環節電壓可能出現大幅跌落至正常工作電壓值以下以及出現短時大幅振蕩的情況，在系統耦合交互層面探究出現振蕩的原因并提出改進措施。假設：（1）建模時忽略了中間直流環節接地故障模塊和保護模塊等非線性元件，上述元器件對直流電壓影響可忽略不計；（2）網側電壓穩定理想，未計及網側電壓擾動；（3）兩臺單相PWM整流器各項參數保持一致，視為完全相同。
圖2 半實物實驗平臺
研究人員在單相PWM整流器dq坐標系數學模型的基礎上，建立源側整流器與二次諧振電路并聯的等效輸出阻抗模型以及牽引逆變單元和輔助變流器的等效輸入阻抗模型，并基于上述模型，結合Bode圖和Nyquist曲線分析直流環節電壓出現振蕩的主要原因，即二次諧振電路與恒功率負載間的交互作用會引發中間直流環節電壓振蕩。
研究表明，所提的振蕩抑制方法利用虛擬電阻等效增加了負載側輸入阻抗，使得系統開環增益滿足禁區穩定判據，可提升系統的穩定裕度。
他們最后認為，1）負載電機功率和電壓補償系數的增加都會使得牽引變流系統的穩定性變差；2）虛擬阻值越大，等效于增大了負載輸入阻抗的大小，抑制了中間直流環節電壓振蕩，使系統開環傳函滿足禁區穩定判據，提升了系統穩定裕度；3）虛擬電阻控制會增大系統穩態誤差，而電壓補償環節能夠減小系統穩態誤差，但其補償效果有限，仍需后續進一步改進。
本文編自2022年第14期《電工技術學報》，論文標題為“動車組靜調試驗中直流母線電壓振蕩分析與抑制”。本課題得到國家自然科學基金面上項目和天津市自然科學基金項目的支持。
