牵引供电系统谐波不稳定机理及抑制方法研究

Harmonic magnitude magnification phenomenon, have been frequently occurred in high-speed railway (HSR) traction power supply system (TPSS), degrades the stability of locomotive control system and results in traction closure and out of work of the high-speed trains and have the significant adverse impacts on safe and reliable operation of both TPSS and modern trains. However, their principles of harmonic magnification phenomenon are still not clear at all. This project, based on field measured data and phenomenon reflection, proposes the harmonic instability studies between multiple trains and TPSS. The project reappears the harmonic instability phenomenon through modeling the united harmonic impedance model and experiment system of "train-TPSS" system; studies generated mechanism and determination methods for harmonic instability in TPSS; and then reveals the dynamic interaction between train and train, multiple-train and TPSS, and work on the mechanism, critical parameters and stability margin for harmonic instability under multiple trains condition; finally, analyzes and correct the active and passive damping results of train controller to mitigate the harmonic instability. The research method is combining of field test data, theoretical studies and simulation experiments to comprehensively reveal the harmonic instability phenomenon in TPSS. The results and achievements in this project can play an important role in improving safety and reliability of the TPSS under the rapid development of China HSR.

高速铁路牵引供电系统常因谐波幅值持续放大导致动车组控制系统失稳，频发动车组牵引闭锁、趴窝停运事故，给牵引供电系统和动车组的安全稳定运行带来了十分不利影响，而目前这类问题的产生机理尚不明确。项目首次从现场实测数据与现象分析出发，提出多动车组与牵引网动态交互作用下的谐波不稳定机理研究。通过构筑“动车组—牵引网”系统的联合谐波阻抗模型与仿真实验系统，重现谐波不稳定现象；研究牵引供电系统的谐波不稳定产生机理与判定方法；揭示动态作用下的动车组与动车组、多动车组与牵引供电系统之间的相互作用机理，多谐波源下的谐波不稳定的产生机理、关键参数与稳定裕度等；最终通过研究和矫正系统与动车组控制器的有源/无源谐波阻尼实现谐波不稳定的抑制。项目采用实测数据、理论分析与仿真实验相结合的研究方法，有望揭示牵引供电系统的谐波不稳定机理，对保障牵引供电系统在高铁大发展背景下的安全、可靠、高效运行，具有十分重要的意义。

电气化铁路牵引供电系统常因谐波不稳定问题导致网压畸变、容性设备爆炸，机车/动车组控制系统失稳、牵引闭锁、趴窝停运等事故，严重扰乱铁路运输秩序甚至危及安全。谐波不稳定的发生频带范围宽，涉及的电气与控制参数多且交互关系复杂，使得谐波不稳定的产生机理难以掌握，治理困难。为此，本项目围绕牵引供电系统的谐波不稳定问题开展理论研究，以揭示和消除机车四象限变流器控制系统与牵引供电网交互作用产生的宽频带谐波不稳定问题为总体目标，通过揭示牵引供电系统谐波不稳定问题的发生规律、产生机理与影响因素，从而提出行之有效的抑制方案。.主要研究内容及结果包括：① 构建了车网联合的谐波与电能质量测试系统平台，提出了谐波与间谐波的快速识别算法，实现了对宽频带谐波不稳定现象特征在线识别与发生规律分析。② 发现了机车变流器的非对称控制环（电压环、锁相环）在低、中频带的频率耦合效应，PWM模块在高频带的频率耦合效应，提出了机车在宽频带的频域阻抗建模方法；提出了牵引网的等效阻抗建模方法，为定量分析宽频带下的谐波不稳定问题提供了理论手段。③ 解析了机车电压环在低频带负电阻特性的产生机制，开关调制过程及延时环节在中、高频带负电阻特性的产生机制，从阻抗分析的角度，揭示了牵引供电系统宽频带谐波不稳定现象的产生机理及影响因素。④ 提出了车网联合的有源/无源阻尼补偿方法，实现了宽频带谐波不稳定现象的综合治理。项目组通过广泛的分析、仿真及实验研究以说明和验证上述研究结论。结果证实，所提牵引供电系统谐波不稳定问题的分析及治理方法切实可行，优势明显。项目研究对保障牵引供电系统的安全、可靠、高效运行具有十分重要的意义，同时也为大规模风力/光伏等新能源并网，柔性直流输电等引起的谐波不稳定理论研究提供有益的补充与支撑。