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基于SHE-PWM的流-大功率直流电源-交流供电系统车网耦合谐振主动抑制策略研究

中国高速铁路交流-大功率直流电源-交流机车采用脉宽调制(PWM)技术,该技术造成谐波分布较为广泛,可能导致车网谐振现象,影响牵引交流-大功率直流电源-交流供电系统的正常工作,该文针对车网谐振现象进行了研究并提出了可行的谐振抑制策略。


首先分析了谐振机理,进一步引入特定谐波消除技术(SHE-PWM),消除注入牵引网的固有谐振频率的谐波来抑制谐振。由于多开关角的SHE-PWM构成的多元超越方程求解困难,采用有效集二次寻优的方式,进行超越方程求解。

该算法具有初值依赖度低,收敛速度快,求解精度高的优势。最终通过RT-lab硬件在环实验分析验证了该谐振抑制算法的可行性以及方程算法的准确性。


在电气化铁路中,正弦脉宽调制技术已经应用超过20年。该技术在列车牵引传动系统中会产生高频谐波,通过受电弓注入牵引网。由于牵引交流-大功率直流电源-交流供电系统可以等效为一个分布参数系统,当注入牵引网的谐波电流频率刚好是牵引网谐振频率时,会导致车网耦合现象的发生,引起网压畸变[1-4]。

目前抑制车网谐振主要从改变牵引网阻抗和改善注入牵引网中的谐波电流两方面入手。文献[5,6]通过在线路上加装阻抗器改变阻抗特性,取得了一定效果,但该方法会增加线路成本,改变线路原有的电气特性。文献[7]在进行电气化铁路功率调节时,也对电气化铁路阻抗特性进行了调解。文献[8,9]利用有源滤波器改善线路电流情况,优化电气化铁路电能质量,但未针对谐振进行分析。


在改善牵引网注入电流方法上,文献[10]采用改变变流器开关频率的方法来回避谐振频率,但实际工况中,列车变流器开关频率不能大范围变化,因此该方法无法在实际中应用。文献[3,11]提出了采用特定谐波消除技术(Specific Harmonic Elimination-Pulse Width Modulation, SHE-PWM)改善注入牵引网的谐波。

SHE-PWM技术是H.S.Patel[12]于1973年提出的,可以控制波形的基波分量和消除特定次谐波。由于其对谐波的精确控制,该方法迅速应用于交流调速[13-15]、多电平变换等领域。SHE-PWM方法的问题在于开关角求解过程的难度随着开关角数目增加而增加。文献[3,11]中未对SHE-PWM的超越方程求解过程进行详细叙述。


在求解SHE-PWM方程时,文献[16]对现有的求解方法进行了综述,但目前方法存在对初值设定依赖严重或求解过程复杂等问题。文献[17,18]针对多维余弦超越方程进行了求解,但对本文的多开关角、消除谐波复杂条件设定不适用。


本文以有效算法[19]为基础,采用二次寻优迭代的方式,对SHE-PWM方程进行求解,可以摆脱求解过程中对初值的依赖,加快迭代收敛速度,同时获得高精确度的解。


图15  实验台示意图

基于SHE-PWM的流-大功率直流电源-交流供电系统车网耦合谐振主动抑制策略研究



结论

本文首先从原理上分析了发生车网耦合谐振的机理。然后将SHE-PWM方法与现有的四象限变流器瞬态直接电流控制相结合,采用特定次谐波分组消除的策略,以覆盖高频谐振区,对注入牵引网电流的谐波进行改善,避开牵引网的谐振频率,达到谐振车网抑制的目的,并通过硬件在环实验验证了算法的可行性。

同时,提出了采用有效集二次寻优的方式对余弦函数构成的超越方程求解的方法,该方法有精确度高、收敛速度快的优势,且对初值依赖度小,为四象限变流器多重化及复杂SHE-PWM的应用奠定了基础。

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