高速列车再生制动工况时牵引供电系统谐波传输特性分析

电气化铁路牵引负荷是电力系统中的主要谐波源之一,再生制动时高速动车组作为特殊情况下的牵引负荷带来的谐波问题更加突出。在建立高速动车组和全并联自耦变压器牵引网模型的基础上,仿真分析了高速动车组牵引工况和再生制动工况时牵引供电系统中的谐波特性及其传输情况,并从理论上分析了谐波传输的机制。结果表明,高速列车再生制动工况时会在牵引网供电系统中引起更大的谐波畸变,但谐波的放大趋势与动车组的工况无关,当某次谐波的频率与牵引网的结构相匹配时,则会在系统中出现谐振现象。     

永磁同步牵引电机高速运行时再生制动研究

列车为防止在中性区趴窝,一般以较高速度驶入中性区。为确保辅助系统在中性区不断电,牵引电机需在高速区快速由牵引工况转换为再生制动工况。这里分析了永磁同步牵引电机高速区弱磁控制原理,给出了基于负直轴电流补偿弱磁控制框图,研究了列车进出中性区时永磁同步牵引电机交直轴电流工作区域。基于负直轴电流补偿弱磁控制策略研究了同步旋转d,q坐标系前馈/反馈解耦比例积分(PI)电流调节器和d,q坐标系复矢量电流调节器的控制器在高速弱磁区的再生制动性能。理论分析和仿真结果验证了d,q坐标系复矢量电流调节器在高速弱磁区具有更优异的控制性能。     

基于Matlab的高速动车组牵引电机控制仿真研究

高速动车组牵引电机控制是确保动车组平稳运行的关键,研究了模糊PID控制技术在其中的应用。分析了高速动车组的牵引原理和高速动车组牵引电机的基本原理。设计了高速动车组牵引电机模糊PID控制器。最后,利用Matlab软件编制程序进行高速动车组牵引电机的控制仿真研究,结果表明模糊PID控制系统能够有利于高速动车组的平稳运行,具有较为广阔的发展前景。     

高速动车组再生制动下网侧电流谐波特性分析

电气化铁路牵引负荷是电力系统中的主要谐波源之一,再生制动下的动车组所带来的谐波问题表现突出。根据高速动车组CRH2工作原理,建立动车组再生制动工况时网侧电流谐波模型,利用双边傅里叶级数法,给出了负荷再生制动时网侧电流谐波与再生功率之间的关系。并基于Matlab/Simulink建立CRH2仿真模型,通过对不同再生制动功率下列车电流频谱仿真分析,验证了理论分析结果,并得到了谐波分布随再生制动功率的变化规律。     

高速动车组牵引变流器热容量

在分析高速动车组牵引变流器冷却系统结构及工作原理的基础上,利用ANSYS软件构建了冷却系统中空气—水热交换器的有限元仿真模型,对热交换器温度场及空气流场进行了仿真研究;为了验证更高运行速度下高速动车组牵引变流器冷却系统能否满足散热需求,设计并搭建了牵引变流器热容量测试平台,利用该测试平台在武广客运专线对CRH3型高速动车组牵引变流器温升参数及冷却系统通风量进行了动态测试研究。试验结果表明在高速运行工况下,牵引变流器冷却系统进风量将减小,但CRH3型高速动车组牵引变流器冷却系统仍然能满足动车组以330km/h高速持续运行的要求,试验测试结果验证了仿真结果的正确性。在国内首次对高速动车组牵引变流器热容量进行了实车测试研究,为新一代时速380km/h高速动车组的设计奠定了一定的理论和实践基础。     

高速动车组三电平PWM变流器控制策略的研究

本文以CRH2型高速动车组多电平牵引变流器为研究对象,将单相四象限变流器的瞬间电流控制策略和PWM控制方法相结合,提出了三电平逆变器空间矢量脉宽调制控制策略。通过Matlab/Simulink仿真平台来研究三电平牵引变流器在不同操作条件下的稳定性能,旨在验证该控制策略的正确性。     

转矩脉动触发的牵引逆变器模型预测控制

针对高速列车主要运行于高速区域的特点,结合高速区域牵引逆变器电压矢量的作用机理,提出一种由转矩滞环判定后触发的模型预测控制方法.在转矩脉动允许的范围之内,优先使用传统直接转矩控制,减小计算量.当需要提高转矩控制精度时,采用两矢量模型预测控制选择最优电压矢量,减小转矩脉动,通过综合2种控制方法的优点,改善控制性能.仿真和实验均表明本文提出的方法具有良好的稳态和动态性能,能够满足牵引逆变器运行需求.     

城轨交通混合型再生制动能量利用系统及其控制策略

针对城轨交通再生制动能量利用问题,结合城轨交通供电系统负荷特性,提出一种含能馈系统与储能系统的混合型再生制动能量利用系统及其控制策略。结合城轨交通供电系统架构与负荷特性,提出混合型再生制动能量利用系统拓扑结构并分析其运行原理。以充分利用再生制动能量为目标制定系统能量管理策略,实现在多种运行模式和运行工况下的功率潮流管理。提出计及牵引网母线电压控制和系统动态功率分配的分层控制策略。通过仿真分析验证所提系统及其控制策略的正确性和有效性,并借助相关技术指标和经济性指标对不同再生制动能量利用方案进行对比。结果表明,所提分层控制策略能协调控制系统按需回馈、存储/释放再生制动能量,实现城轨交通再生制动能量高效利用,并有效抑制牵引网母线电压波动;同时,所提混合型再生制动能量利用方案能较好地兼顾技术效果和经济性,相比储能方案和能馈方案有一定优势,可作为城轨交通再生制动能量利用方案的选择之一。     

长大下坡运行下动车组牵引仿真算法研究及系统开发

针对线路仿真中缺少符合动车组制动特点的长大下坡道运行策略问题，提出复杂运行工况下动车组牵引仿真计算方法。基于误差评价的位移逼近算法和变步长迭代逼近算法求解精确的制动点，将传统空气制动的“惰行+制动”运行策略进行拓展，得到适合处理高速电制动长大下坡问题的牵引仿真算法。开发系统运用于实际线路。结果表明，系统提升了制动点求解精确性，能为牵引工程精细化设计提供数据支持。     

列车再生制动能量管理及控制系统研究

为回收利用交流电气化铁路列车产生的再生制动能量,研究了再生制动能量管理及控制系统。提出一种基于牵引负荷状态的能量综合管理策略,以牵引变压器两供电臂负荷功率为信息载体表示系统的不同工作模式,多种工作模式可相互切换。在混合储能装置内部功率分配中,通过引入锂电池荷电状态SOC（state of charge）及超级电容中间调节电压,保证了储能单元能够根据各自储能特性运行。设计了铁路功率调节器RPC（railway power conditioner）变换器和储能接口双向DC/DC变换器的控制算法。仿真结果表明该系统的正确性和有效性。     

高速动车组大功率永磁牵引电机研制

随着动车组(EMU)速度等级的不断提高,要求牵引电机的功率更大、质量更轻、效率更高。为此,主要从高速动车组永磁牵引电机参数选取、结构设计等方面展开研究,并进行仿真分析计算,在现有安装空间内,研制出更高转速、更大功率密度的永磁牵引电机,以满足EMU运行要求。     

高速铁路牵引供电系统谐波及其传输特性研究

随着高速铁路的高速度、大容量、高密集网络化发展,高速机车引起的牵引网谐波放大、谐振问题越发严峻.为考察牵引网谐波传输特性,在分析谐波传输理论的基础上,利用Matlab/Simulink建立通用的高速动车组(electric multiple unit,EMU)与牵引网的联合仿真模型,通过对高速动车组的不同工况和不同出力下的谐波特性进行仿真分析,验证了模型的正确性.在联合仿真模型的基础上,分别针对机车位置固定、不同机车位置和不同牵引网长度3种情况下的谐波电流传输特性进行仿真分析,结果表明:联合仿真模型较恒电流源模型、恒功率源模型更符合牵引供电系统的实际.该研究结果对降低和避免牵引网谐振带来的危害有一定的参考价值.     

高速动车组轮径差与牵引电机功率及温升耦合性研究

针对高速动车组不同轮对间的轮径差引起牵引电机实际发挥功率不一致并由此产生牵引电机温升显著差异的问题,设计了一种采用车控方式的牵引电机"轮径差-功率温升"分析方法,对高速动车组运用过程中牵引电机报温度高等问题进行有效规避。该方法可以准确评估出由于不同轮径差带来的牵引电机发挥功率差异和温升差异的结果。同时,针对不同轮径差搭建滚动台,试验结果与仿真吻合,验证了该"轮径差-功率温升"分析方法的准确性和可信性,为动车组检修运用规程优化和轮对镟修标准评估方法提供了一种新思路。     

高速铁路车网耦合系统网压振荡模态分析与对策

高速铁路车网耦合系统出现电压低频振荡现象,导致多个动车所的多台动车组牵引封锁,目前对其机理研究处于初期阶段。首先根据赫尔维茨稳定判据以及瞬态能量平衡方程判定车网开环系统的稳定性,并采用小增益定理分析电压振荡的影响因素。接着,基于十导体链式电路搭建精确的高速铁路全并联AT(autotransformer)供电系统模型,并基于瞬态电流控制建立CRH3型动车组电气模型。在此基础上,实现车网系统的互联,并仿真再现电压振荡现象。随后,采用FFT、小波分析及Prony分析的方法实现了振荡电压低频成份的辨识。     

最少拍电流控制在海口动车牵引系统中的应用

在动车牵引系统中,逆变器输入电压较高（1800 V）,为了降低功率模块开关损耗和减少散热,牵引逆变器的开关频率通常较低,只有几百赫兹,而动车牵引异步电机的调速范围较宽,输出频率可达200 Hz,转速较高时的载波比较低。在这种情况下,由于每个电周期内的电流调节次数减少,常规电流PI控制器性能变差,无法达到系统要求。为此,将异步电机电压、电流等方程进行复矢量处理,建立了包含延时影响的离散数学模型,在此基础上,设计无差拍电流控制器。通过Simulink仿真及在海口动车线装车进行试验,试验结果表明基于复矢量的最少拍电流控制器在动车牵引异步电机运行过程中具有较好的动态及稳态性能,转矩/励磁反馈电流均能较好地跟随转矩/励磁给定电流。并且在牵引/制动过程中,电压和电流变化平稳,无明显振荡。     

高速动车组中PWM整流器谐波抑制方法研究

针对CRH3型动车组牵引系统的主谐波源——单相电压型PWM整流器,采用平均状态等效模型分析其谐波产生机理,在此基础上分别从主电路参数、控制策略两方面研究其谐波抑制方法,并进行相关仿真验证。仿真结果表明,载波移相技术可有效抑制牵引系统输入端电流谐波,配合其它谐波抑制措施可得到较为理想的输入电流波形,降低高速铁路对公共电网的污染。     

电力牵引传动系统的三电平直接转矩控制算法的半实物实验研究

针对高速动车组中三电平二极管中性点钳位(NPC)逆变器供电的牵引传动系统,探讨了一种基于PI控制器和60°坐标系空间矢量调制算法(SVPWM)的异步牵引电机低速域的直接转矩控制(DTC)驱动方案。直接转矩控制性能好坏的决定因素之一就是磁链观测器的准确性,为了获得较好的转矩控制性能,本文首先采用了一种改进U-I积分模型为定子磁链观测器,并给出了基于PI控制器的转矩控制器和磁链控制器设计方案;然后给出了60°坐标系下SVPWM算法的详细设计方案,与传统的SVPWM相比,该SVPWM能够有效地减小计算时间,并在此基础上,通过调节中点电位平衡因子的大小来分配冗余小矢量的作用时间,以达到平衡直流侧两电容上电压的目的;最后,通过基于Maltab/Simulink软件的仿真研究和TMS320F2812与dSPACE的高速动车组牵引传动半实物实验台的实验研究,验证了基于PI控制和60°坐标系SVPWM的三电平直接转矩控制算法的有效性和可行性。     

基于IADRC的多CRH5型车网耦合系统低频振荡抑制方法

近年来国内相继出现多起高速铁路车网耦合系统低频振荡,振荡严重时甚至导致动车组牵引封锁。针对多列CRH5型动车组升弓整备投入牵引网时发生低频振荡提出了一种有效抑制方法。首先,分析了多列CRH5型动车组同时升弓接入牵引网的多车网电气耦合系统特性。其次,基于改进自抗扰控制策略对车网系统负载CRH5型动车组整流器的控制器进行优化设计来抑制系统低频振荡。最后,相比原有动车整流器PI控制和传统自抗扰控制技术,在Matlab/Simulink平台下测试验证了基于改进自抗扰控制的多CRH5动车组升弓整备投入牵引网的车侧电气量发生低频振荡抑制的正确性和有效性。     

双凸极电机励磁回路控制模式的研究

电励磁双凸极起动/发电机在恒转矩起动阶段为使输出转矩最大,通常将恒定电压直接加在励磁绕组上,使励磁电流工作在最大饱和值,并认为维持不变。但在实际过程中由于励磁磁场与相绕组磁场的耦合,导致励磁电流受相电流、转速影响而被削弱,引起输出转矩的降低。该文通过理论与仿真分析了起动过程恒励磁电压控制模式下励磁电流的变化规律,并通过实验验证了起动过程相电流、转速对励磁电流的影响,在此基础上对电励磁双凸极电机恒转矩起动阶段提出励磁电流控制的方法,仿真与实验结果均表明电励磁双凸极起动/发电机励磁回路在恒转矩起动阶段必须在恒励磁流控制模式下以保证输出转矩恒定。     

单相三电平整流器d-q坐标系下的控制与SVPWM方法

为了减弱高速动车组与牵引供电网压之间的相互耦合关系,以电力牵引变流器中的单相三电平中点钳位(NPC)整流器为对象,分析了其工作原理,建立了其在d-q坐标系下基于开关函数的数学模型;然后给出了一种基于d-q变换的有功无功电流控制算法.并在此基础上,提出了一种单相三电平空间矢量调制( SVPWM)方法.与传统的正弦脉宽调制方法相比,该调制方法不但能够有效地降低牵引变压器的绝缘等级和电压突变的耐受能力,并且还具备中点电位控制能力.最后,计算机仿真和小功率样机实验验证了该控制方法和调制方法的有效性和可行性.