高速鐵路高頻諧波諧振分析與抑制.pdf

1、高頻諧振是伴隨高速鐵路發(fā)展而產(chǎn)生的急需解決的問(wèn)題。由于無(wú)法合理解釋高頻諧振并給予有效抑制，高頻諧振給牽引供電系統(tǒng)與高速列車(chē)的運(yùn)營(yíng)帶來(lái)安全隱患，給保障旅客的安全和高鐵的準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)營(yíng)工作帶來(lái)了挑戰(zhàn)。本文以國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“高速動(dòng)車(chē)動(dòng)態(tài)非線(xiàn)性負(fù)荷建模及基于其特性?xún)?yōu)化的諧波諧振抑制研究（編號(hào):51207131）”為依托，以高速鐵路高頻諧振為研究對(duì)象，重點(diǎn)分析牽引傳動(dòng)系統(tǒng)高次諧波負(fù)荷特性、車(chē)網(wǎng)耦合系統(tǒng)諧波諧振特性及其抑制方法，為工程解決高速列車(chē)高

2、頻諧振提供理論支撐，具有重要的理論意義與現(xiàn)實(shí)價(jià)值。
　　本文首先基于正弦切割數(shù)學(xué)模型分析了高速列車(chē)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)四象限整流器脈沖電壓產(chǎn)生的機(jī)理，理論推導(dǎo)出對(duì)應(yīng)不同采樣技術(shù)四象限整流器輸入電流高次諧波頻譜計(jì)算公式;以CRH3為例，通過(guò)負(fù)荷頻譜計(jì)算公式計(jì)算得到負(fù)荷電流諧波頻譜，并將其與時(shí)域仿真及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果傅里葉變換得到的諧波頻譜進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果證明了計(jì)算公式的正確性，表明四象限整流器脈沖電壓是列車(chē)負(fù)荷的諧波源。在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)得出四重化

3、四象限整流器負(fù)荷諧波頻譜計(jì)算公式，分別對(duì)正常工況與故障工況下負(fù)荷電流諧波頻譜進(jìn)行了計(jì)算與對(duì)比;分析結(jié)果表明變流器多重化技術(shù)可增加變流器組等效開(kāi)關(guān)頻率，有效抑制低次諧波;但是，當(dāng)載波移相角度不合理時(shí)，負(fù)荷將產(chǎn)生更多的低次諧波。
　　牽引供電系統(tǒng)與牽引傳動(dòng)系統(tǒng)功率等級(jí)高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此高頻諧振現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及試驗(yàn)研究環(huán)境復(fù)雜、損耗大、效率低、危險(xiǎn)度高。若能建立牽引供電系統(tǒng)與牽引傳動(dòng)系統(tǒng)暫態(tài)仿真模型，即可通過(guò)仿真的方法，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下再現(xiàn)高頻

4、諧振，研究高頻諧振機(jī)理及抑制技術(shù)。因此，本論文描述了典型自耦變壓器供電牽引網(wǎng)與高速列車(chē)車(chē)載牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，針對(duì)高頻諧振問(wèn)題，給出了牽引網(wǎng)各元件的建模方法，介紹了牽引傳動(dòng)系統(tǒng)控制策略，作為開(kāi)展高頻諧振研究的基礎(chǔ)。以京滬高速鐵路先導(dǎo)段為例，對(duì)高速鐵路高頻諧波諧振展開(kāi)研究。首先基于高速列車(chē)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的工作機(jī)理，建立了牽引網(wǎng)與列車(chē)耦合諧波諧振分析模型，分析了高頻諧振產(chǎn)生的機(jī)理及其特性，揭示四象限整流器脈沖電壓中的諧波是高頻諧振的激勵(lì)源，轉(zhuǎn)

5、移車(chē)網(wǎng)耦合系統(tǒng)諧振頻率或消除諧波源中諧振諧波均可達(dá)到抑制諧振的目的;基于MATLAB/Simulnk搭建了京滬高速鐵路先導(dǎo)段自耦變壓器供電牽引網(wǎng)與CRH380AL型高速列車(chē)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)合仿真系統(tǒng)，并基于試驗(yàn)結(jié)果對(duì)仿真模型進(jìn)行了驗(yàn)證;提出可實(shí)現(xiàn)諧振頻率與強(qiáng)度辨識(shí)的特征方程，基于特征函數(shù)，分析了牽引網(wǎng)傳輸線(xiàn)長(zhǎng)度變化時(shí)及列車(chē)工作在不同功率、不同位置、不同工況時(shí)車(chē)網(wǎng)耦合系統(tǒng)的諧波諧振特性，并結(jié)合車(chē)網(wǎng)輸入阻抗給予了解釋說(shuō)明。
　　為轉(zhuǎn)移車(chē)

6、網(wǎng)耦合系統(tǒng)諧振頻率，抑制高頻諧振對(duì)牽引供電系統(tǒng)的危害，針對(duì)多導(dǎo)體傳輸線(xiàn)構(gòu)成的自耦變壓器供電牽引網(wǎng)，提出一種牽引網(wǎng)輸入阻抗理論計(jì)算方法，結(jié)合車(chē)載變壓器阻抗，進(jìn)而得到車(chē)網(wǎng)輸入阻抗。基于車(chē)網(wǎng)輸入阻抗，計(jì)算得到給定車(chē)網(wǎng)耦合系統(tǒng)諧振頻率與諧振幅值相對(duì)耦合系統(tǒng)關(guān)鍵元件參數(shù)的敏感度。結(jié)果表明V/X牽引變壓器原邊漏感對(duì)諧振的影響最大，副邊漏感影響次之;車(chē)載變壓器漏感對(duì)諧振僅產(chǎn)生微弱的影響;自耦變壓器漏感對(duì)諧振的影響可忽略。由于系統(tǒng)關(guān)鍵元件參數(shù)可調(diào)節(jié)范圍

7、小，它們對(duì)諧振幅值與諧振頻率的影響有限，因此元件參數(shù)的調(diào)節(jié)并不一定能保證高頻諧振的有效抑制。進(jìn)一步，基于最小總車(chē)網(wǎng)輸入阻抗提出了一種高頻諧振抑制用濾波器參數(shù)的設(shè)計(jì)方法;通過(guò)考察聯(lián)合仿真系統(tǒng)中列車(chē)網(wǎng)壓總諧波畸變率，證明本文設(shè)計(jì)濾波器不僅可實(shí)現(xiàn)諧振抑制，且其性能優(yōu)于傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的濾波器。
　　為消除諧波源中的諧振諧波，實(shí)現(xiàn)高頻諧振抑制，將特定次諧波消除脈寬調(diào)制技術(shù)引入到多重化四象限整流器，提出一種諧振諧波消除脈寬調(diào)制技術(shù)。基于載波移相

8、正弦脈寬調(diào)制技術(shù)，確定諧振諧波消除脈寬調(diào)制技術(shù)的初始開(kāi)關(guān)角;以指定的低次諧波及諧振頻率附近高次諧波的同步消除為目標(biāo)建立優(yōu)化目標(biāo)方程;并采用Levenberg-Marquard方法計(jì)算出調(diào)制度范圍內(nèi)所有調(diào)制度對(duì)應(yīng)的優(yōu)化開(kāi)關(guān)角?；赗T-Lab實(shí)時(shí)仿真器搭建了車(chē)網(wǎng)聯(lián)合實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，當(dāng)列車(chē)運(yùn)行在不同工況（牽引與制動(dòng)）、不同功率、不同位置時(shí)，分別采用兩種調(diào)制策略，通過(guò)對(duì)比兩種調(diào)制策略對(duì)應(yīng)網(wǎng)壓、網(wǎng)流的諧波頻譜，驗(yàn)證了諧振諧波消除脈寬調(diào)制技術(shù)抑制高