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原文传递电气化铁路多车-网耦合系统的电压波动问题研究

论文题名：	电气化铁路多车-网耦合系统的电压波动问题研究
关键词：	电气化铁路;牵引供电系统;电气耦合;电压波动
摘要：	随着我国电气化铁路的飞速发展，越来越多的动车组、和谐大功率机车（无特指情况下，文中统称为机车）接入牵引供电系统，车网电气耦合性问题日益严重，如多区域机车大面积出现牵引封锁现象。牵引供电系统网络结构、相关电气量的动态特性，负荷的非线性及多车-网系统复杂的电气耦合关系等构成了多车接入牵引供电系统的核心问题。　　本论文以多车接入牵引供电系统引发的机车牵引封锁问题为研究对象，依据“不稳定电气量再现→车网系统稳定性分析→系统电气量的时变特性分析与不稳定模态提取→计及非线性控制策略的负荷特性优化与动态无功补偿”的研究路线，开展了多车-网系统电气量不稳定问题产生机理及抑制方法研究，主要工作如下: 　　1)结合机车出现牵引封锁路段的实际情况，建立了“机车-牵引网”系统（车网系统）的联合仿真模型。考虑实际牵引供电系统存在高架桥、隧道等特殊路段，结合四周无限隧道模型及电磁场理论，计算隧道中导线的自阻抗、互阻抗和分布电容，并求取牵引网供电回路和高架桥桥墩间的耦合系数，实现了牵引供电系统的仿真建模，并通过分析短路阻抗、网压水平及钢轨电位验证了模型的正确性;基于瞬态电流控制搭建机车整流器模型;实现车网系统的联合仿真，再现了多车接入牵引供电系统电气量的不稳定现象，分析了主要影响因素。　　2)针对机车牵引封锁问题，研究了车网系统的稳定性。建立了车网耦合系统的数学模型，推导了造成车网系统不稳定的主要影响因素为车网系统的阻抗比;分析了Nyquist稳定性判据存在的缺陷，基于Bode图分析提出了牵引网电压波动抑制方案:通过改变机车整流器控制回路反馈信号的采样周期，即改变负载模块阻抗，使其与源模块阻抗匹配。　　3)针对车网系统不稳定电气量的时变特性，辨识了引发牵引供电系统电气量不稳定的模态成份。采用调制理论推导了调制信号在整流器中传播机理，通过模态分析与信号重构，明确了该电气量不稳定问题为电能质量电压波动问题;针对等幅-变频、变幅-变频调制下牵引网电压的时变特性，基于ELMD(Ensemble Local Mean Decomposition)对牵引网电压信号包络进行准确提取;采用Teager能量算子对信号包络线变频时刻进行了精确划分;采用EEMD(Ensemble Empirical Mode Decomposition)对各分段信号进行模态分解实现了电压波动细节的详细分析和频率估计，仿真、实测信号分析结果表明该方法能够较好的评估不稳定电压信号发生的时刻、持续时间、调制幅值及频率。　　4)针对机车的非线性电气特性，设计基于ADRC(Auto Disturbance Rejection Control)的非线性控制器达到优化机车的负荷特性的目的。在建立车网电气耦合系统数学模型的基础上，基于ADRC理论，从控制器结构、性能分析和参数整定角度，提出了机车整流器电压外环控制器设计方法，并设计了用于状态观测和扰动估计的非线性状态观测器，构建了一个新的非线性状态误差反馈控制律克服了传统ADRC的抖动问题。仿真结果表明ADRC能够很好处理PI控制器超调和快速性的矛盾;此外，相比于多变量控制器，ADRC能够从本质上抑制牵引网的电压波动现象。　　5)针对机车短时、集中式接入引发的牵引网电压波动问题，采用MMC_STATCOM(Modular Multilevel Converter STATCOM)动态补偿了牵引供电系统无功缺额。建立其单桥臂的数学建模，分析了主回路电流频率成份;分析了MMC_STATCOM子模块电容电压控制策略，并利用Hurwitz判据对其进行稳定性分析;随后，分析了适于MMC_STATCOM的dq交叉解耦控制策略;利用Matlab/simulink搭建了MMC_STATCOM仿真模型，通过接入阻感负载确定了该模型稳压控制及单位功率因数控制的有效性;最后仿真分析MMC_STATCOM接入多车-网系统后系统的整体动态性能，验证了该动态补偿方案对多车接入牵引网引发电压波动现象抑制的有效性。
作者：	张桂南
专业：	电气工程
导师：	刘志刚
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文