高速列车动态非线性负荷建模及基于其特性优化的谐波谐振抑制研究

As a dynamic nonlinear mobile power load, the precise model of high-speed train (HST) is beneficial to characteristics analysis and suppression method design of harmonic resonant in traction electric network, the accurate demand capacity design of the traction power system, the precise calculation and evaluation of traction energy consumption. Among them, the harmonic resonance suppression in traction network is the key problem, which is badly in need of being solved. Therefore, this project puts forward the dynamic nonlinear HST load modeling and harmonic resonance suppression via optimizing the load characteristics. The detailed contents are shown as follows: the influence of dynamic nonlinear HST load characteristics is analyzed, which caused by operating conditions, traction power, traction voltage, topology of traction drive system ,control strategies and so on. The model is studied based on vector machines , which can reflect dynamic nonlinear HST load characteristics accurately. In order to suppress harmonic resonance, HST load characteristics are adjusted through optimizing control and modulation strategies of the traction drive system. This project is to analyze the key influence factor related with HST dynamic nonlinear characteristics, to build a dynamic nonlinear HST load model, to propose an optimization control strategy of traction drive system for suppression and prevention of harmonic resonance by optimizing the HST load characteristics. Therefore, the project can provide theoretical guidance for HST operation safety.

高速列车作为动态非线性的移动式电力负荷，其精确模型有益于有效研究牵引网谐波谐振特性与抑制方法，有益于对牵引网需求容量准确设计，有益于牵引能耗的精确计算与评估。其中牵引网谐波谐振抑制是高速铁路安全运营急需解决的关键问题。为此，本课题提出高速列车动态非线性负荷建模及基于其特性优化的谐波谐振抑制方法研究。研究内容包括：研究高速列车负荷特性随列车功率、网压与速度的变化规律，与列车运行工况、牵引传动拓扑结构和控制调制技术等因素的关系；基于遗传支持向量机算法，研究能够准确反映高速列车负荷动态非线性特征的模型；基于负荷特性优化，研究如何调整牵引传动系统控制与调制策略实现谐波谐振的抑制。课题旨在分析表征与影响高速列车动态非线性特性的关键因素，建立高速列车动态非线性负荷模型；通过优化高速列车负荷特性，提出具有抑制和预防谐波谐振能力的车载牵引传动系统优化控制策略，为高速列车安全运营提供理论指导。

本项目以高速铁路高频谐振为研究对象，重点开展了牵引传动系统高次谐波负荷特性建模、车网耦合系统联合仿真建模、牵引传动系统优化控制算法、车网耦合系统谐波谐振特性及其抑制方法等方面的研究。研究目标在于对高速铁路高频谐振现象进行有效的理论分析及抑制。项目主要完成了以下几个方面的具体工作：1）基于正弦切割数学模型分析了高速列车牵引传动系统四象限整流器脉冲电压产生的机理，理论推导出了整流器输入端高次谐波频谱计算公式，建立了高速列车谐波负荷等效的模型；2）在研究内容1的基础上，研究搭建了牵引供电系统与牵引传动系统暂态仿真模型，针对高频谐振问题，给出了牵引网各元件的建模方法，同时，为了提高传动系统的动态控制性能和控制精度，分别提出了一种单相脉冲整流器无差拍预测功率控制、模型预测功率控制和模型预测电流控制算法。此外，在此基础上，为了提高单相脉冲整流器在网压畸变情况的鲁棒性，提出了一种单相无锁相环的瞬时功率估算方法。3）基于内容2的车网耦合系统，分析了高频谐振产生的机理及其特性，提出可实现谐振频率与强度辨识的特征方程，基于特征函数，分析了列车工作在不同位置时车网耦合系统的谐波谐振特性，并结合车网输入阻抗给予了解释说明。4）为抑制高频谐振对牵引供电系统的危害，分别提出了基于最小总车网输入阻抗的一种高频谐振抑制用的滤波器参数设计方法和基于谐振谐波消除（RHEPWM）的一种谐振谐波消除脉宽调制技术；然后还提出了基于单相LCL型脉冲整流器的高次谐波抑制方案。本项目的研究成果，可为我国解决高速列车高频谐振问题提供一定的理论借鉴和参考，为高速列车安全运营提供理论指导。