基于谐波功率调节的高铁车网耦合系统低频振荡抑制方法

1.本发明属于高速铁路车网耦合系统的稳定性增强技术领域，具体涉及一种基于谐波功率调节的高铁车网耦合系统低频振荡抑制方法。


背景技术：

2.随着我国高速铁路的迅猛发展，“交
‑
直
‑
交”型动车组以及大功率电力机车高密度投入使用。电力电子器件在牵引供电系统中的渗透率越来越高，使其成为一个典型的单相电力电子化的电力系统。到目前为止，列车与牵引网间复杂的电气耦合关系引发了一系列车网稳定性问题，如低频振荡、谐波不稳定以及谐波谐振。车网低频振荡现象通常发生在多车升弓整备阶段，其伴随着电压/电流大幅度的波动，会导致大量的机车牵引封锁无法正常运行，严重威胁铁路系统的安全稳定运行。
3.目前，国内外很多学者针对车网系统低频稳定性问题开展了相关研究，包括牵引网和机车的数学建模、车网耦合系统低频不稳定产生机理以及低频振荡抑制措施与机理研究。y.liao等提出低频振荡是由于牵引网和列车阻抗不匹配导致的。z.geng等通过优化列车控制参数或列车控制策略有效地抑制了低频振荡现象。然而，牵引供电系统中存在大量带有不同控制器的不同型号的列车，一种改进的控制策略难以广泛应用于不同类型的列车以及不同的运行工况。


技术实现要素：

4.这对上述问题，本发明提供一种基于谐波功率调节的高铁车网耦合系统低频振荡抑制方法。
5.本发明的一种基于谐波功率调节的高铁车网耦合系统低频振荡抑制方法，包括以下步骤：
6.步骤1：搭建单相级联h桥型多电平apf变换器仿真模型，其中每个子模块是一个单相全桥变流器。
7.步骤2：将接入牵引网的所有机车视为负载，检测负载吸收的谐波电流，进而形成级联h桥型多电平apf变换器输出补偿电流的参考值。
8.步骤3：基于电流反馈支路以及电流环pi控制器，得到级联h桥型多电平apf变换器调制的载波信号，进而控制apf变换器输出相应的补偿电流。
9.步骤4：对级联h桥型多电平apf直流侧电压进行均衡控制。
10.步骤5：比较级联h桥型多电平apf接入牵引网前后车网耦合系统的低频稳定性。
11.进一步的，步骤2具体为：
12.设负载电流i
c
为α轴分量，其表达式如下：
[0013][0014]
其中，n为负载电流中的谐波次数，ω为基频角频率，i
cn
和θ
n
为第n次电流的有效值
以及初相位角。
[0015]
将负载电流i
c
作为sogi控制器的输入，构造负载电流的β轴分量；sogi输出的电流i'
cα
和i'
cβ
在s域的表达式如下：
[0016][0017][0018]
其中，k
is
为sogi的比例增益系数，h
u
视为sogi的传递函数；i
cβ
中的各次电流的相位分别滞后i
cα
中各次电流相位90
°
。
[0019]
对sogi的输出电流进行park变换，得到dq坐标系下的负载电流表达式：
[0020][0021][0022]
其中，i
cdn
和θ
dn
为d轴上第n次谐波电流的有效值以及初相位角，i
cqn
和θ
qn
为q轴上第n次谐波电流的有效值以及初相位角；i
cd
与i
cd
分别为负载电流d轴和q轴分量。
[0023]
将park变换输出的电流i
cd
和i
cq
分别经过两个低通滤波器lpf进行滤波处理，得到：
[0024][0025][0026]
其中，i
cd1
与i
cq1
分别对应负载电流基频有功和无功直流分量。
[0027]
将i'
cd'
与i'
cq'
进行park反变换，得到检测出的负载电流的基频分量：
[0028][0029]
将实际负载电流i
c
减去检测出的负载电流的基频分量i
cα1
，即得到检测出的负载吸收的谐波电流，并将该谐波电流作为级联h桥型多电平apf变换器输出补偿电流的参考值。
[0030]
进一步的，步骤4具体为：
[0031]
首先，进行子模块直流电压排序；级联h桥型多电平apf变换器包含8个子模块，即8个直流电压，分别设为u
dc1
,u
dc2
,
…
,u
dc8
；利用冒泡法对8个子模块直流电压从小到大进行排序，排序的结果存入数组u[8]中。
[0032]
其次，对级联h桥型多电平apf变换器输出的电平数m进行评估：
[0033][0034]
其中，s
n
为第n个子模块的开关函数，其表达式如下：
[0035][0036]
其中，u
cn
为第n个子模块的交流侧电压，u
dcn
为第n个子模块的直流侧电压。
[0037]
最后，根据级联h桥型多电平apf变换器输出的电平数m的大小，生成各子模块的开关函数。
[0038]
当直流侧电容处于充电状态时：
[0039]
若m大于0，则优先将直流电压较低的m个子模块开通，即将其变流器的开关函数设为1，其余n
‑
m个子模块变流器开关函数设为0；若m小于0，则优先将直流电压较低的|m|个子模块开通，即将其变流器的开关函数设为
‑
1，其余n
‑
m个子模块变流器开关函数设为0。
[0040]
当直流侧电容处于放电状态时：
[0041]
若m大于0，则优先将直流电压较高的m个子模块开通，即将其变流器的开关函数设为1，其余n
‑
m个子模块变流器开关函数设为0；若m小于0，则优先将直流电压较高的|m|个子模块开通，即将其变流器的开关函数设为
‑
1，其余n
‑
m个子模块变流器开关函数设为0。
[0042]
均衡控制的周期设置为级联h桥变换器等效开关周期的整数倍。
[0043]
进一步的，步骤5具体为：
[0044]
首先将牵引网接入多辆高速列车，重现低频不稳定现象，然后将级联h桥型多电平apf接入牵引网进行谐波补偿，进而对低频不稳定现象进行抑制；通过对比补偿前后的牵引网电流电压波形以及基于快速傅里叶变换fft的频谱分析结果，实现级联h桥型多电平apf对高速铁路车网耦合系统低频振荡的抑制效果的验证。
[0045]
本发明的有益技术效果为：
[0046]
本发明从谐波功率调节的角度提出了一种车网耦合系统低频振荡抑制方法。所提出的单相级联h桥多电平有源滤波器(active power filter,apf)直接接入牵引网，免去了降压变压器的使用，可以在不改变系统其它结构的情况下，实现对车侧阻抗动态特性的优化，其不受系统运行工况的限制，可以有效地抑制车网系统低频振荡，大幅度提高系统的低频稳定性。此外，级联h桥型多电平apf变换器的等效开关频率低，且输出波形接近正弦波，总谐波失真率低。
附图说明
[0047]
图1为本发明的级联h桥型多电平apf接入牵引网的结构示意图。
[0048]
图2为本发明的级联h桥型多电平apf的控制框图。
[0049]
图3为本发明的级联h桥型多电平apf变换器直流侧电压均衡控制时的开关函数判定流图。
[0050]
图4为本发明的仿真模型示意图。
[0051]
图5为车网耦合系统低频振荡时的牵引网电压、电流以及车载整流器直流侧电压波形图。
[0052]
图6为车网耦合系统发生低频振荡时的牵引网电流的频率分布图。
[0053]
图7为本发明的级联h桥型多电平apf接入牵引网时的电压、电流波形图。
[0054]
图8为本发明的级联h桥型多电平apf接入牵引网时的牵引网电流的频率分布图。
具体实施方式
[0055]
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细说明。
[0056]
本发明中的级联h桥apf是基于多模块组合结构的单相直挂式的补偿变换器。本发明针对多车接入的牵引供电系统的低频稳定性问题展开。下面以多辆crh5型动车组接入的牵引供电系统为例进行验证说明。
[0057]
本发明的一种基于谐波功率调节的高铁车网耦合系统低频振荡抑制方法，包括以下步骤：
[0058]
步骤1：搭建单相级联h桥型多电平apf变换器仿真模型，其中每个子模块是一个单相全桥变流器。
[0059]
图1展示了级联h桥型多电平apf接入牵引网的示意图，在无降压变压器的条件下级联h桥型多电平apf可直接有效地作用于牵引供电系统中，对牵引网进行谐波补偿。该apf变换器包含了8个级联的子模块，每个子模块都是一个单相的全桥变流器。级联h桥型多电平apf变换器的等效开关频率低，且输出波形接近正弦波，总谐波失真率低。
[0060]
步骤2：将接入牵引网的所有机车视为负载，检测负载吸收的谐波电流，进而形成级联h桥型多电平apf变换器输出补偿电流的参考值。
[0061]
当多辆机车接入牵引网时会引发低频振荡等稳定性问题。当低频振荡发生时，牵引网电压、电流以及机车整流器直流侧电压均会出现大幅度的波动，意味着系统中产生了大量的谐波成分。本发明通过检测机车的谐波电流并实施补偿，从而抑制车网耦合系统的低频振荡现象，提高整个系统的低频稳定性。图2为本发明的级联h桥型多电平apf的控制框图，其工作原理及控制过程如下：
[0062]
设负载电流i
c
为α轴分量，其表达式如下：
[0063][0064]
其中，n为负载电流中的谐波次数，ω为基频角频率，i
cn
和θ
n
为第n次电流的有效值以及初相位角。
[0065]
将负载电流i
c
作为sogi控制器的输入，构造负载电流的β轴分量；sogi输出的电流i'
cα
和i'
cβ
在s域的表达式如下：
[0066][0067][0068]
其中，k
is
为sogi的比例增益系数，h
u
视为sogi的传递函数；i
cβ
中的各次电流的相位分别滞后i
cα
中各次电流相位90
°
。
[0069]
对sogi的输出电流进行park变换，得到dq坐标系下的负载电流表达式：
[0070][0071][0072]
其中，i
cdn
和θ
dn
为d轴上第n次谐波电流的有效值以及初相位角，i
cqn
和θ
qn
为q轴上第n次谐波电流的有效值以及初相位角；i
cd
与i
cd
分别为负载电流d轴和q轴分量。
[0073]
将park变换输出的电流i
cd
和i
cq
分别经过两个低通滤波器lpf进行滤波处理，得到：
[0074][0075][0076]
其中，i
cd1
与i
cq1
分别对应负载电流基频有功和无功直流分量。
[0077]
将i'
cd'
与i'
cq'
进行park反变换，得到检测出的负载电流的基频分量：
[0078][0079]
将实际负载电流i
c
减去检测出的负载电流的基频分量i
cα1
，即得到检测出的负载吸收的谐波电流，并将该谐波电流作为级联h桥型多电平apf变换器输出补偿电流的参考值。
[0080]
此外，如图2所示，直流电压控制器加在apf控制系统的d支路上，是为了通过控制牵引网与apf之间交换的有功功率来维持直流侧总电压的稳定。
[0081]
步骤3：基于电流反馈支路以及电流环pi控制器，得到级联h桥型多电平apf变换器调制的载波信号，进而控制apf变换器输出相应的补偿电流。
[0082]
步骤4：对级联h桥型多电平apf直流侧电压进行均衡控制。
[0083]
图2中的控制系统，除了通过步骤2和步骤3确保级联h桥型多电平apf变换器输出相应的谐波补偿电流外，还需实现变换器8个子模块的直流侧电压的均衡。本发明的直流电压均衡控制过程如下：
[0084]
首先，进行子模块直流电压排序；级联h桥型多电平apf变换器包含8个子模块，即8个直流电压，分别设为u
dc1
,u
dc2
,
…
,u
dc8
；利用冒泡法对8个子模块直流电压从小到大进行排序，排序的结果存入数组u[8]中。
[0085]
其次，对级联h桥型多电平apf变换器输出的电平数m进行评估：
[0086][0087]
其中，s
n
为第n个子模块的开关函数，其表达式如下：
[0088][0089]
其中，u
cn
为第n个子模块的交流侧电压，u
dcn
为第n个子模块的直流侧电压。
[0090]
最后，根据级联h桥型多电平apf变换器输出的电平数m的大小，生成各子模块的开
关函数。
[0091]
当直流侧电容处于充电状态时：
[0092]
若m大于0，则优先将直流电压较低的m个子模块开通，即将其变流器的开关函数设为1，其余n
‑
m个子模块变流器开关函数设为0；若m小于0，则优先将直流电压较低的|m|个子模块开通，即将其变流器的开关函数设为
‑
1，其余n
‑
m个子模块变流器开关函数设为0。
[0093]
当直流侧电容处于放电状态时：
[0094]
若m大于0，则优先将直流电压较高的m个子模块开通，即将其变流器的开关函数设为1，其余n
‑
m个子模块变流器开关函数设为0；若m小于0，则优先将直流电压较高的|m|个子模块开通，即将其变流器的开关函数设为
‑
1，其余n
‑
m个子模块变流器开关函数设为0。
[0095]
均衡控制的周期设置为级联h桥变换器等效开关周期的整数倍。
[0096]
步骤5：比较级联h桥型多电平apf接入牵引网前后车网耦合系统的低频稳定性。
[0097]
在matlab/simulink中搭建车网耦合系统及级联h桥型多电平apf的仿真模型，如图4所示，用以验证级联h桥型多电平apf对车网耦合系统低频振荡现象的抑制效果。图5展示了apf引入前8辆crh5型动车组依次接入牵引网时的网侧电压、网侧电流以及车载整流器直流侧电压的波形图，可以看出随着第8辆车的接入，车网耦合系统出现了低频振荡现象，电气量均呈现大幅度的波动。图6为低频振荡时牵引网电流的频谱图，可见此时电流的thd高达60.09％。图7为apf引入后，8辆crh5型动车组依次接入牵引网时的电气量波形图，可见系统始终保持稳定，未出现低频振荡现象。图8为第8辆车接入后，牵引网电流的频谱图，可以看出本发明的级联h桥型多电平apf可以有效地抑制车网耦合系统的低频振荡现象，大幅度降低牵引网电流的thd，提高牵引供电系统的电能质量。