详情

原文传递动车组厂内静调试验中直流母线电压振荡分析与抑制

论文题名：	动车组厂内静调试验中直流母线电压振荡分析与抑制
关键词：	牵引变流器;电压振荡;阻抗匹配法;奈奎斯特判据;虚拟阻抗控制;动车组
摘要：	随着我国轨道交通的飞速发展，大量适应实际需求的动车组列车逐渐投入运营，以“复兴号”为代表的我国标准动车组谱系正朝着轻量化、主辅一体化的方向发展。近年来，国家大力建设铁路源-网-车-储一体化系统。在综合系统中，必须保证动车组这一最基本、最重要的组成部分的稳定性。然而有记录显示，动车组中间直流环节电压在主机厂内静调试验时曾多次发生振荡失稳的情况。电压振荡失稳不仅会影响动车组自身的安全稳定运行，还可能会对动车组-牵引网的耦合系统的正常运行造成严重威胁。　　为此，本文围绕厂内试验时动车组牵引变流系统中间直流环节电压的振荡失稳问题开展理论研究，以揭示和抑制“复兴号”长编动车组牵引变流系统出现的直流侧电压振荡失稳问题为总体目标，通过对四象限变流器直流侧电压振荡失稳问题的产生规律、物理机理与稳定性分析进行研究，从而提出适应当前动车组设计的可行性抑制方案。论文主要工作可归纳为：　　（1）建立了牵引变流系统内部频域阻抗模型。考虑电压环控制器、电流环控制器、系统延迟等模块，建立了dq坐标系下牵引变流系统的输出阻抗模型和不同负载功率下的动车组负载输入阻抗模型，为后文分析牵引变流系统内部耦合所致的电压振荡及系统稳定性问题提供了理论手段。　　（2）建立了动车组-牵引网耦合系统阻抗模型。考虑电压环控制器、电流环控制器、系统延迟等模块，建立了同步旋转坐标系下牵引网侧的输出阻抗模型和动车组侧输入阻抗模型，为后文分析动车组-牵引网耦合所致的电压振荡及系统稳定性问题提供了理论手段。　　（3）揭示了电压振荡失稳发生机理与不同影响因素对系统稳定性的影响。厂内静调试验中所出现的电压振荡失稳是由于动车组牵引逆变器等恒功率负载和动车组接入牵引网时所表现的的负阻尼特性引起。由于恒功率负载所表现的负阻尼特性及二次谐振电路的影响，可能造成动车组内部耦合系统失稳出现电压振荡，直观的表现在其等效阻抗比不满足相关稳定判据，使得系统稳定裕度不足。当由牵引网输出阻抗及动车组输入阻抗所构成的系统环路增益不满足广义奈奎斯特判据时，车网耦合系统有发生耦合点电压振荡失稳的风险。基于所建立的同步旋转坐标系下的小信号平均模型可分析系统失稳机理，进而可根据动车组输入阻抗的负阻尼表达式分析不同的影响因素对系统稳定性的影响规律。　　（4）提出了基于虚拟阻抗控制策略的电压振荡抑制方法。抑制电压振荡失稳的关键在于等效改变动车组牵引变流系统输入输出特性。对于动车组牵引变流系统内部阻抗不匹配所引起的电压振荡失稳，设计了含补偿环节的虚拟电阻控制策略，虚拟电阻可等效调节四象限变换器输出阻抗。并且，为防止电流前馈所造成的稳态误差变大的情况，设计了采用积分控制器的补偿环节，可令直流侧电压有效跟踪给定值。对于车网耦合系统阻抗不匹配所引起的直流侧电压振荡失稳，设计了引入带通滤波环节的有源阻尼控制策略，可等效调节动车组侧输入阻抗，进而使系统环路增益满足稳定判据。其中，带通滤波器的引入是为了选取施加虚拟阻抗的频率范围，减小所提控制策略对动车组其他频段动态性能的影响。考虑到实际工程应用，将上述两种策略进行了合并，并优化了部分参数。仿真和实验结果验证了所提控制策略能够有效抑制中间直流环节电压的振荡失稳问题，为增强动车组及车网耦合系统稳定性提供了解决方案。
作者：	胡一凡
专业：	电气工程
导师：	周雪松;丰美丽
授予学位：	硕士
授予学位单位：	天津理工大学
学位年度：	2023