- 頭條牽引供電網-多臺機車耦合系統的低頻振蕩分析與抑制2020-06-16 作者：鄧睿、劉碧、宋文勝 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語西南交通大學電氣工程學院的研究人員鄧睿、劉碧、宋文勝，在2019年《電工技術學報》增刊1上撰文指出，目前我國電氣化鐵路交直交機車與牽引網構成的車網耦合系統時常發生低頻振蕩（LFO），嚴重威脅鐵路的安全穩定運行。 為了研究低頻振蕩產生機理，該文首先基于阻抗比判據和Bode圖對車網耦合系統進行穩定性理論分析，給出影響穩定性的主要因素；然后基于Matlab/ Simulink搭建車網耦合仿真模型并進行聯合仿真，仿真結果再現低頻振蕩現象，并驗證理論分析的正確性；最后根據阻抗比判據和Bode圖的穩定性理論分析結果，給出基于機車網側變流器控制參數修正的低頻振蕩抑制措施，并通過計算機仿真和硬件在環實時仿真證明了該抑制措施的正確性與有效性。
近年來我國電氣化鐵路多個機務段陸續出現低頻振蕩現象，即在供電臂下的同一位置處多臺機車同時起動時，牽引網電壓、電流，牽引變壓器二次電壓、電流及中間直流電壓會發生10Hz頻率以內的低頻振蕩，若其電壓、電流波動較大，則會導致機車牽引封鎖無法正常起動。
表1給出了近年來國內鐵路系統發生低頻振蕩的實際案例，這些案例均造成機車無法正常入庫或駛出，嚴重影響鐵路運輸秩序，對高速鐵路的安全穩定運行帶來了極大危害。因此為了避免低頻振蕩發生，亟需對低頻振蕩產生機理進行深入研究，提出有效的抑制措施，從而實現牽引供電系統與交直交機車的良好電氣匹配，確保我國高速鐵路的安全穩定運行。
表1 國內發生低頻振蕩的實際案例
目前針對低頻振蕩問題，主要從以下三方面進行研究：
（1）車網耦合系統的仿真建模
文獻[3]針對機務段發生的低頻振蕩，采用集中參數模型對牽引網進行仿真建模，以CRH5為研究對象，成功再現了低頻振蕩現象，同時提出了相應的抑制方法，并用仿真模型證明了該方法的有效性，但該集中參數模型并不是高精度的牽引網模型。
為解決這一缺點，文獻[4]把牽引網等效為以1km為單位的鏈式網絡◆?型模型，以CRH3為研究對象，對機車數量、接觸網分布參數、變流器控制參數等進行了仿真分析。
（2）低頻振蕩產生機理的分析方法
文獻[5]采用小信號分析方法，利用赫爾維茲判據和阻抗比判據分析多臺機車同時穩定運行條件。通過現場實測數據分析，牽引網參數與網側變流器控制參數不匹配是導致變流器控制系統進入不穩定域的主要原因。
（3）低頻振蕩的抑制措施
低頻振蕩涉及車網兩大子系統參數匹配問題，故其抑制措施可從牽引網側和機車側兩方面著手。文獻[5]通過減小牽引網側等效輸出阻抗來抑制低頻振蕩，該方法雖能快速抑制低頻振蕩，但增加了額外設備且實施較為困難。
為解決這一缺點，文獻[6]通過增大機車側等效輸入阻抗來抑制低頻振蕩，實驗證明該措施能快速有效抑制低頻振蕩，但隨著機車數量大幅增加，低頻振蕩仍會出現。
為解決車網耦合系統存在的低頻振蕩問題，本文首先根據單相PWM整流器的雙環控制系統數學模型，給出其車網耦合系統傳遞函數；然后結合阻抗比判據和Bode圖分析多臺機車同時運行的穩定性，給出影響低頻振蕩的參數因子并借此給出了低頻振蕩的抑制措施；最后對該算法進行計算機仿真及硬件在環實時仿真驗證。
圖16 硬件在環實時仿真平臺
總結
本文以多臺列車與牽引供電網耦合系統為研究對象，基于Matlab/Simulink仿真平臺搭建耦合系統仿真模型，再現低頻振蕩現象。利用阻抗比判據和Bode圖分析影響穩定性的關鍵因素，借此給出基于機車整流器控制參數修正的低頻振蕩抑制措施，并通過計算機仿真和硬件在環實時仿真證明該抑制措施的正確性與有效性。研究結果表明：
- 1）牽引變壓器等效漏感Ln、直流電阻R、直流側支撐電容Cd、機車數量n對穩定性均有影響。如增大Ln，耦合系統容易穩定；機車輕載或空載，耦合系統容易振蕩；增大Cd，耦合系統容易穩定；減少同時整備的機車數量n，耦合系統穩定。
- 2）整流器雙環控制系統中電流內環比例系數Kip及電壓外環比例系數對車網耦合系統穩定性有影響，而電壓外環積分系數Kvi則不敏感。其中系數Kvp對系統穩定影響最大，降低Kvp會使耦合系統快速穩定。
- 3）所提基于機車整流器控制參數修正的低頻振蕩抑制方法可在不增加額外設備的情況下，通過改變機車控制參數就能使系統快速恢復穩定。
