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原文传递电气化铁路车网电气低频振荡研究

论文题名：	电气化铁路车网电气低频振荡研究
关键词：	电气化铁路;车网系统;低频振荡;稳定性分析;欠阻尼机理
摘要：	近年来，随着越来越多的交直交传动的电力机车与动车组上线运行，电气化铁路的牵引供电系统中出现了低频振荡这一新现象。低频振荡是复杂的车网电气匹配问题，本文以实测数据作为出发点，开展对这一问题的一系列研究。　　针对多个低频振荡案例的测试数据进行分析，把低频振荡分为3种状态。通过对大量的振荡的网压网流波形数据做信号分析，总结出发生低频振荡时，网压网流的统一数学表达式。对网压信号的表达式进行单相dq变换后发现，网压的d轴分量与网压瞬时波形的包络线近似重合，只含有低频振荡的交流分量。设计了一个将网压信号作为检测对象，以改进Prony算法为基础、加入数字滤波技术的低频振荡检测方法，并使用实测数据进行了验证。　　以青岛动车所多列CRH5型动车组引起的低频振荡现象为例，设计车网系统的仿真模型。先用实测数据证明了分析低频振荡现象时，牵引网模型可以简化为戴维南等效电路;再根据实测的CRH5动车组网侧整流器内部电气量的动态响应，通过传递函数参数辨识的方法，合理设定其控制参数;最后使用Matlab/Simulink工具箱搭建车网系统的时域仿真模型，较为真实地还原了CRH5动车组引起的低频振荡现象。　　在分析低频振荡问题时，机车的动态行为主要由网侧整流器(LSC)决定。讨论LSC的频域小信号建模思路，通过时域仿真分别验证将其建模为单相导纳和dq轴导纳矩阵的可行性。确立了dq轴建模思路后，指出并解决了单相交流系统在dq轴下建模的最大障碍，为推导解析模型奠定基础。通过对LSC的同步系统、电流内环和电压外环3部分的小信号分析，建立了LSC的2×2阶dq轴导纳矩阵模型，并设计仿真试验验证其频域响应的准确性。　　LSC作为线性周期性（LTP）系统，还可以使用谐波传递函数矩阵(HTM)法，在线性周期性的稳态运行轨迹附近直接建模。通过对LSC控制方程的分析，建立其3×3阶的HTM模型，并与dq轴导纳矩阵模型进行对比。LSC的2种模型都是使用频域小信号法建模得出，利用这些模型分析车网系统时，需要计算稳态运行点（轨迹）。以dq轴建模为例，计算青岛动车所案例的车网系统稳态运行点。然后，将车网系统按照电气关系表示为闭环传递函数矩阵的形式，得到车网系统频域模型。按照多输入多输出(MIMO)线性时不变(LTI)系统理论，提出车网系统主导极点的概念。通过车网时域仿真的结果可知，主导极点的阻尼比和自然振荡频率分别反映了车网系统的低频振荡状态和振荡频率。根据对车网系统主导极点阻尼比的分析，提出了欠阻尼机理来解释网压出现持续大幅振荡的原因。　　对电气化铁路低频振荡的抑制方法可以分别从牵引网侧和机车侧研究。根据欠阻尼机理可知，在牵引网侧减小牵引网等效阻抗和提供系统附加阻尼均可抑制低频振荡。然而，通过在机车侧修改LSC控制抑制振荡更为简单、经济也十分有效。复平面上车网系统主导极点随LSC控制参数变化的轨迹说明，通过修改LSC控制参数可以抑制低频振荡，在不改变牵引网电源条件时，能提高车网系统同时容纳的车数。另外，根据网压、网流在振荡时的波形分析，提出在控制器中加入功率振荡抑制(POD)的方法，根据国内低频振荡案例的实际情况设计POD参数，并通过时域和频域分析验证其抑制低频振荡的良好效果。
作者：	王晖
专业：	电气工程
导师：	吴命利
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文