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近年来,电气化铁路的安全稳定运营越来越受到人们的关注,尤其以车-网高频谐振(HFR)和低频振荡(LFO)现象为重点的车-网耦合稳定性问题,成为研究的热点。本文针对电气化铁路车-网耦合稳定性问题,围绕牵引网及列车动力系统阻抗建模、车-网耦合稳定性及机理分析、网侧变流器控制策略抑制措施、调制策略抑制措施四个角度,展开深入的研究与探讨,主要研究成果如下:
首先,本文提出了适合全频率范围分析的基于旋转坐标系(AF-RCS)车-网阻抗小信号模型。该模型考虑了d、q轴阻抗耦合效应,反映了列车和牵引网的各个变量对系统的影响,解决了已有模型因忽略耦合项及参数不全而导致的模型不准确问题;同时,本文通过简化逆变器及牵引电机阻抗模型,提升了模型的完整性;并且,AF-RCS模型统一了高频段和低频段的阻抗形式,解决了已有模型因高低频形式不统一而导致的车-网耦合不稳定机理分析不全面的问题。
其次,基于AF-RCS车-网阻抗小信号模型,分析了车-网耦合稳定性及机理。针对某新型动车组,研究了牵引网参数变化对系统稳定性的影响机理,并综合列车位置、网侧变流器电压环、电流环控制参数及列车数量对车-网系统稳定性的影响,提出并总结了HFR和LFO的产生原因;基于以上分析,明确了系统阻尼不足是车-网系统不稳定的重要影响因素,为全频率范围的车-网耦合不稳定抑制措施的研究提供了理论基础。
再次,基于AF-RCS车-网阻抗小信号模型和车-网耦合不稳定的产生机理,提出了对HFR和LFO均有抑制作用的网侧变流器控制策略。首先,为了提高系统阻尼,提出了主动振荡补偿(AOC)抑制措施,解决了因系统阻尼不足而导致的车-网耦合不稳定问题;其次,针对AOC抑制HFR调节时间略长的问题,进一步提出了电压常量暂态(VCT)抑制措施,快速降低HFR对系统的危害;最后,结合AOC和VCT的特点,针对车-网耦合不稳定的类型及程度,提出了VCT-AOC综合抑制策略,在快速保护系统的同时提高了阻尼比,增强了系统的稳定性。
最后,基于车-网耦合不稳定的产生机理,从网侧变流器调制策略角度,进一步提出了两种抑制HFR的措施。基于常用调制策略的改进,提出了基于周期控制的载波移相脉宽调制策略(PCCPS-PWM),解决了因网侧变流器之间移相角不准确而导致开关特征频率谐波引发的HFR问题;针对牵引网中谐波频带较宽的问题,进一步提出了窗口化谐振谐波消除-总谐波失真最小化脉宽调制策略(WT-PWM)。通过固定窗口和滑动窗口的配合,实现了非固定频率谐振抑制;在此基础上,提出了THDM算法,全面降低了电压总谐波畸变(THD),尽可能减少发生HFR的可能性。
本文通过大量的仿真和实验,充分验证了所提理论和方法的正确性及有效性。
首先,本文提出了适合全频率范围分析的基于旋转坐标系(AF-RCS)车-网阻抗小信号模型。该模型考虑了d、q轴阻抗耦合效应,反映了列车和牵引网的各个变量对系统的影响,解决了已有模型因忽略耦合项及参数不全而导致的模型不准确问题;同时,本文通过简化逆变器及牵引电机阻抗模型,提升了模型的完整性;并且,AF-RCS模型统一了高频段和低频段的阻抗形式,解决了已有模型因高低频形式不统一而导致的车-网耦合不稳定机理分析不全面的问题。
其次,基于AF-RCS车-网阻抗小信号模型,分析了车-网耦合稳定性及机理。针对某新型动车组,研究了牵引网参数变化对系统稳定性的影响机理,并综合列车位置、网侧变流器电压环、电流环控制参数及列车数量对车-网系统稳定性的影响,提出并总结了HFR和LFO的产生原因;基于以上分析,明确了系统阻尼不足是车-网系统不稳定的重要影响因素,为全频率范围的车-网耦合不稳定抑制措施的研究提供了理论基础。
再次,基于AF-RCS车-网阻抗小信号模型和车-网耦合不稳定的产生机理,提出了对HFR和LFO均有抑制作用的网侧变流器控制策略。首先,为了提高系统阻尼,提出了主动振荡补偿(AOC)抑制措施,解决了因系统阻尼不足而导致的车-网耦合不稳定问题;其次,针对AOC抑制HFR调节时间略长的问题,进一步提出了电压常量暂态(VCT)抑制措施,快速降低HFR对系统的危害;最后,结合AOC和VCT的特点,针对车-网耦合不稳定的类型及程度,提出了VCT-AOC综合抑制策略,在快速保护系统的同时提高了阻尼比,增强了系统的稳定性。
最后,基于车-网耦合不稳定的产生机理,从网侧变流器调制策略角度,进一步提出了两种抑制HFR的措施。基于常用调制策略的改进,提出了基于周期控制的载波移相脉宽调制策略(PCCPS-PWM),解决了因网侧变流器之间移相角不准确而导致开关特征频率谐波引发的HFR问题;针对牵引网中谐波频带较宽的问题,进一步提出了窗口化谐振谐波消除-总谐波失真最小化脉宽调制策略(WT-PWM)。通过固定窗口和滑动窗口的配合,实现了非固定频率谐振抑制;在此基础上,提出了THDM算法,全面降低了电压总谐波畸变(THD),尽可能减少发生HFR的可能性。
本文通过大量的仿真和实验,充分验证了所提理论和方法的正确性及有效性。