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高速铁路高频谐波谐振分析与抑制

崔恒斌  
【摘要】:高频谐振是伴随高速铁路发展而产生的急需解决的问题。由于无法合理解释高频谐振并给予有效抑制,高频谐振给牵引供电系统与高速列车的运营带来安全隐患,给保障旅客的安全和高铁的准点运营工作带来了挑战。本文以国家自然科学基金项目“高速动车动态非线性负荷建模及基于其特性优化的谐波谐振抑制研究(编号:51207131)”为依托,以高速铁路高频谐振为研究对象,重点分析牵引传动系统高次谐波负荷特性、车网耦合系统谐波谐振特性及其抑制方法,为工程解决高速列车高频谐振提供理论支撑,具有重要的理论意义与现实价值。本文首先基于正弦切割数学模型分析了高速列车牵引传动系统四象限整流器脉冲电压产生的机理,理论推导出对应不同采样技术四象限整流器输入电流高次谐波频谱计算公式;以CRH3为例,通过负荷频谱计算公式计算得到负荷电流谐波频谱,并将其与时域仿真及现场试验结果傅里叶变换得到的谐波频谱进行了对比。结果证明了计算公式的正确性,表明四象限整流器脉冲电压是列车负荷的谐波源。在此基础上推导得出四重化四象限整流器负荷谐波频谱计算公式,分别对正常工况与故障工况下负荷电流谐波频谱进行了计算与对比;分析结果表明变流器多重化技术可增加变流器组等效开关频率,有效抑制低次谐波;但是,当载波移相角度不合理时,负荷将产生更多的低次谐波。牵引供电系统与牵引传动系统功率等级高、结构复杂,因此高频谐振现场测试及试验研究环境复杂、损耗大、效率低、危险度高。若能建立牵引供电系统与牵引传动系统暂态仿真模型,即可通过仿真的方法,在实验室环境下再现高频谐振,研究高频谐振机理及抑制技术。因此,本论文描述了典型自耦变压器供电牵引网与高速列车车载牵引传动系统的结构,针对高频谐振问题,给出了牵引网各元件的建模方法,介绍了牵引传动系统控制策略,作为开展高频谐振研究的基础。以京沪高速铁路先导段为例,对高速铁路高频谐波谐振展开研究。首先基于高速列车牵引传动系统的工作机理,建立了牵引网与列车耦合谐波谐振分析模型,分析了高频谐振产生的机理及其特性,揭示四象限整流器脉冲电压中的谐波是高频谐振的激励源,转移车网耦合系统谐振频率或消除谐波源中谐振谐波均可达到抑制谐振的目的;基于MATLAB/Simulnk搭建了京沪高速铁路先导段自耦变压器供电牵引网与CRH380AL型高速列车牵引传动系统联合仿真系统,并基于试验结果对仿真模型进行了验证;提出可实现谐振频率与强度辨识的特征方程,基于特征函数,分析了牵引网传输线长度变化时及列车工作在不同功率、不同位置、不同工况时车网耦合系统的谐波谐振特性,并结合车网输入阻抗给予了解释说明。为转移车网耦合系统谐振频率,抑制高频谐振对牵引供电系统的危害,针对多导体传输线构成的自耦变压器供电牵引网,提出一种牵引网输入阻抗理论计算方法,结合车载变压器阻抗,进而得到车网输入阻抗。基于车网输入阻抗,计算得到给定车网耦合系统谐振频率与谐振幅值相对耦合系统关键元件参数的敏感度。结果表明V/X牵引变压器原边漏感对谐振的影响最大,副边漏感影响次之;车载变压器漏感对谐振仅产生微弱的影响;自耦变压器漏感对谐振的影响可忽略。由于系统关键元件参数可调节范围小,它们对谐振幅值与谐振频率的影响有限,因此元件参数的调节并不一定能保证高频谐振的有效抑制。进一步,基于最小总车网输入阻抗提出了一种高频谐振抑制用滤波器参数的设计方法;通过考察联合仿真系统中列车网压总谐波畸变率,证明本文设计滤波器不仅可实现谐振抑制,且其性能优于传统方法设计的滤波器。为消除谐波源中的谐振谐波,实现高频谐振抑制,将特定次谐波消除脉宽调制技术引入到多重化四象限整流器,提出一种谐振谐波消除脉宽调制技术。基于载波移相正弦脉宽调制技术,确定谐振谐波消除脉宽调制技术的初始开关角;以指定的低次谐波及谐振频率附近高次谐波的同步消除为目标建立优化目标方程;并采用Levenberg-Marquard方法计算出调制度范围内所有调制度对应的优化开关角。基于RT-Lab实时仿真器搭建了车网联合实时仿真系统,当列车运行在不同工况(牵引与制动)、不同功率、不同位置时,分别采用两种调制策略,通过对比两种调制策略对应网压、网流的谐波频谱,验证了谐振谐波消除脉宽调制技术抑制高频谐振的能力。


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