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)生的急需解決的問題。由于無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)與高速列車的運營帶來安全隱患，給保障旅客的安全和高鐵的準(zhǔn)點運營工作帶來了挑戰(zhàn)。本文以國家自然科學(xué)基金項目“高速動車動態(tài)非線性負荷建模及基于其特性優(yōu)化的諧波諧振抑制研究（編號:51207131）”為依托，以高速鐵路高頻諧振為研究對象，重點分析牽引傳動系統(tǒng)高次諧波負荷特性、車網(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高

2、頻諧振提供理論支撐，具有重要的理論意義與現(xiàn)實價值。
　　本文首先基于正弦切割數(shù)學(xué)模型分析了高速列車牽引傳動系統(tǒng)四象限整流器脈沖電壓產(chǎn)生的機理，理論推導(dǎo)出對應(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算公式;以CRH3為例，通過負荷頻譜計算公式計算得到負荷電流諧波頻譜，并將其與時域仿真及現(xiàn)場試驗結(jié)果傅里葉變換得到的諧波頻譜進行了對比。結(jié)果證明了計算公式的正確性，表明四象限整流器脈沖電壓是列車負荷的諧波源。在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)得出四重化

3、四象限整流器負荷諧波頻譜計算公式，分別對正常工況與故障工況下負荷電流諧波頻譜進行了計算與對比;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，負荷將產(chǎn)生更多的低次諧波。
　　牽引供電系統(tǒng)與牽引傳動系統(tǒng)功率等級高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此高頻諧振現(xiàn)場測試及試驗研究環(huán)境復(fù)雜、損耗大、效率低、危險度高。若能建立牽引供電系統(tǒng)與牽引傳動系統(tǒng)暫態(tài)仿真模型，即可通過仿真的方法，在實驗室環(huán)境下再現(xiàn)高頻

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

5、移車網(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型高速列車牽引傳動系統(tǒng)聯(lián)合仿真系統(tǒng)，并基于試驗結(jié)果對仿真模型進行了驗證;提出可實現(xiàn)諧振頻率與強度辨識的特征方程，基于特征函數(shù)，分析了牽引網(wǎng)傳輸線長度變化時及列車工作在不同功率、不同位置、不同工況時車網(wǎng)耦合系統(tǒng)的諧波諧振特性，并結(jié)合車網(wǎng)輸入阻抗給予了解釋說明。
　　為轉(zhuǎn)移車

6、網(wǎng)耦合系統(tǒng)諧振頻率，抑制高頻諧振對牽引供電系統(tǒng)的危害，針對多導(dǎo)體傳輸線構(gòu)成的自耦變壓器供電牽引網(wǎng)，提出一種牽引網(wǎng)輸入阻抗理論計算方法，結(jié)合車載變壓器阻抗，進而得到車網(wǎng)輸入阻抗?；谲嚲W(wǎng)輸入阻抗，計算得到給定車網(wǎng)耦合系統(tǒng)諧振頻率與諧振幅值相對耦合系統(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諧振的影響最大，副邊漏感影響次之;車載變壓器漏感對諧振僅產(chǎn)生微弱的影響;自耦變壓器漏感對諧振的影響可忽略。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。進一步，基于最小總車網(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)計方法;通過考察聯(lián)合仿真系統(tǒng)中列車網(wǎng)壓總諧波畸變率，證明本文設(shè)計濾波器不僅可實現(xiàn)諧振抑制，且其性能優(yōu)于傳統(tǒng)方法設(shè)計的濾波器。
　　為消除諧波源中的諧振諧波，實現(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方法計算出調(diào)制度范圍內(nèi)所有調(diào)制度對應(yīng)的優(yōu)化開關(guān)角。基于RT-Lab實時仿真器搭建了車網(wǎng)聯(lián)合實時仿真系統(tǒng)，當(dāng)列車運行在不同工況（牽引與制動）、不同功率、不同位置時，分別采用兩種調(diào)制策略，通過對比兩種調(diào)制策略對應(yīng)網(wǎng)壓、網(wǎng)流的諧波頻譜，驗證了諧振諧波消除脈寬調(diào)制技術(shù)抑制高