CN105699779A - 一种级联h桥型牵引网阻抗测试谐波发生器及测试方法 - Google Patents

Abstract

一种级联H桥型牵引网阻抗测试谐波发生器及测试方法，属于电气化铁道技术领域。降压变压器TP的一次侧绕组与牵引网连接，二次侧绕组与电抗器Lc、级联变流器HG连接成回路。级联变流器由N(2≤N≤10,N为整数)个单相H桥模块级联构成；级联变流器发出幅值和频率可变的谐波电压，谐波电压频率范围为100Hz～5100Hz，幅值范围为0～1000V。本发明利用仿真建模方法无法准确获得牵引网阻抗频率特性和谐振频率，本发明级联H桥型牵引网阻抗测试谐波发生器为实际测量牵引网阻抗频率特性提供了高容量、大电压、宽频带、幅值可调的谐波源，有利于测量精度提高，得到更加准确的牵引网谐波阻抗特性。

Description

一种级联H桥型牵引网阻抗测试谐波发生器及测试方法

技术领域

本发明涉及一种级联H桥型牵引网阻抗测试谐波发生器及测试方法，属于电气化铁道技术领域。

背景技术

随着交-直-交牵引传动模式高速动车组和大功率电力机车广泛应用，牵引网中低次谐波含量降低，某些次数的高次谐波含量却可能增加。当高次谐波频率与牵引供电系统谐振频率相等或相近，并且幅值超过一定限值时，该谐波频率的电压、电流就会被放大，产生过电压，容易造成接触网(如避雷器)或变电设备(如27.5kV自用变)烧损及停电事故，影响铁路系统安全可靠运行。我国近年来多次发生此类事故，研究牵引网阻抗频率特性，预先评估牵引供电系统的谐振点对机车控制算法改进、铁路线路建设及维护、列车安全可靠运行有重要意义。

目前对牵引供电系统谐振问题的研究应用主要集中在两方面，一是对牵引供电系统进行建模分析，但牵引网结构复杂，实际参数很难精确获得，公用电网等效阻抗对牵引供电系统谐振的影响难以准确评估，机车的控制算法及控制参数不公开，建立牵引供电系统阻抗特性精确数学模型存在较大困难。另一方面借鉴电力系统谐波阻抗测量方法，采用干预式方法(谐波源注入法、电容投切法等)或非干预式方法(波动量法、回归法、统计法等)对牵引供电系统阻抗特性进行测量。非干预法需要对数据离线处理，结果精度依赖于处理算法。干预法的电容投切法，电容投切过程中产生的谐波大小不可控，影响测量精度。

目前，国内外都没有能用于电气化铁道牵引供电系统阻抗频率特性测试的专门谐波源发生装置，相关的技术研究也基本上是空白。

发明内容

为了克服现有技术的不足,本发明提供一种级联H桥型牵引网阻抗测试谐波发生器及测试方法。

一种级联H桥型牵引网阻抗测试谐波发生器，降压变压器TP的一次侧绕组与牵引网连接，二次侧绕组与电抗器Lc、级联变流器HG连接成回路；

降压变压器为单相单绕组变压器。

级联变流器由N(2≤N≤10,N为整数)个单相H桥模块级联构成；级联变流器发出幅值和频率可变的谐波电压，谐波电压频率范围为100Hz～5100Hz，幅值范围为0～1000V。

一种级联H桥型牵引网阻抗测试谐波发生器，包含单相单绕组降压变压器TP、级联变流器HG、变流器电抗器Lc；降压变压器一次侧绕组连接牵引网取能，二次绕组为级联变流器提供电源电压；级联变流器HG由电力电子开关器件构成，为N个H桥模块级联，通过PWM载波移相调制发出幅值和频率可变的谐波电压；变流器电抗器作为电路设计中必要元件，谐波电压经过电抗器产生谐波电流；

降压变压器TP一次侧绕组额定电压按牵引网标称电压取值，二次侧绕组额定电压取值与级联变流器HG相匹配，范围为200V～3000V，级联变流器HG主电路由单相H桥变流器级联构成，单相H桥变流器的功率开关器件采用IGBT或IGCT或MOSFET；

级联变流器由N(2≤N≤10,N为整数)个单相H桥模块级联构成，级联变流器采用载波移相调制；级联变流器发出的谐波电压频率范围为100Hz～5100Hz，幅值范围为0～1000V。

一种级联H桥型牵引网阻抗测试谐波发生器测试方法，含有以下步骤；

步骤1，把谐波发生器通过降压变压器连接牵引网，采集降压变压器一次侧电压电流、二次侧电压电流、级联变流器端口输出电压；谐波发生器工作在PWM整流模式，各个模块的电容电压稳定在给定值附近，谐波发生器未向牵引网发出谐波；

步骤2，人工指定所要发出谐波的频率和幅值，启动发出谐波命令，级联变流器通过载波移相调制发出指定频次和幅值谐波电压分量；此谐波电压分量经过电抗器和降压变压器转化为谐波电流分量，注入到牵引网中；同时采集降压变压器一次侧电压电流、二次侧电压电流、级联变流器端口输出电压，实时算出此频率下的牵引网谐波阻抗；

步骤3，更换指定谐波频率，重复步骤2过程，计算新的谐波频率下的牵引网谐波阻抗；直至测试频率包含100-5100Hz范围；

步骤4，综合步骤2和步骤3中所有的谐波频率测试结果画出牵引网谐波阻抗-频率特性图，即得到一个测试点的牵引网谐波特性；更换谐波发生器接入牵引网的接入点重复步骤1至步骤3，就得到第二个测试点的牵引网谐波阻抗特性；直至把所有需要测试点的牵引网谐波阻抗特性测试完毕，此次测试过程结束。

本发明的有益效果：

利用仿真建模方法无法准确获得牵引网阻抗频率特性和谐振频率，本发明级联H桥型牵引网阻抗测试谐波发生器为实际测量牵引网阻抗频率特性提供了高容量、大电压、宽频带、幅值可调的谐波源，有利于测量精度提高，得到更加准确的牵引网谐波阻抗特性。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，如图其中：

图1为级联H桥型牵引网阻抗测试谐波发生器构成原理图。

图2为级联H桥型牵引网阻抗测试谐波发生器模块连接关系图。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

具体实施方式

显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。

实施例1：如图1所示，一种级联H桥型牵引网阻抗测试谐波发生器(简称谐波发生器)，由以下部分组成：降压变压器TP、级联变流器HG、采变流器电抗器Lc。降压变压器TP的一次侧绕组与牵引网串联，降压变压器TP的二次侧主绕组通过变流器电抗器Lc连接级联变流器HG，为级联变流器HG提供电源电压。

如图2所示，级联变流器HG由电力电子开关器件构成，为N个H桥模块级联，任意两个相邻模块单元(分别为M_m模块和M_m+1模块)之间的连接关系如图2所示。每个模块由第一支路臂L1、第二支路臂L2组成，如图2中红色虚线框所示。第一支路臂L1、第二支路臂L2的中点为电路连接点。M_m模块第二支路臂L2的中点和下一相邻模块M_m+1的第一支路臂L1中点相连。如此重复，直至N个模块全部连接起来。

图1、图2中C₁-C_N表示模块直流侧电容，R₁-R_N表示等效负载电阻，Lc表示变流器支路电感，Ze表示牵引网等效阻抗，Cm代表第m个模块直流侧电容，C_m+1代表与第m个模块相邻下一模块的直流侧电容，R_m代表第m个模块等效负载电阻,R_m+1代表与第m个模块相邻下一模块的等效负载电阻。

本发明的工作原理：

级联H桥型牵引网阻抗测试谐波发生器工作原理可由图1说明。图1中C₁-C_N表示模块直流侧电容，R₁-R_N表示等效负载电阻，Lc表示变流器支路电感，Ze表示牵引网等效阻抗，。级联H桥型牵引网阻抗测试谐波发生器的核心部分级联变流器HG由N级H桥模块级联组成，其中2≤N≤10。

级联变流器通过载波移相调制技术输出电压u_c包含一个50Hz基波分量电压，与降压变压器二次侧电压u_s共同作用下，回路电流i_c包含基波有功电流分量，为级联变流器提供维持系统损耗的有功功率。

同时通过控制，u_c包含指定次谐波电压分量，幅值变化范围为0V～0.25NU_dcV，其中U_dc表示单个单元模块的电容电压稳态值。变流器端口电压的谐波成分经过电抗器、降压变压器，产生谐波电流注入到牵引网中。

测量记录牵引网侧电压u_gi_g，用u_g特定频次谐波电压除以i_g对应频次谐波电流，得到牵引网该频率的谐波阻抗。

实施例2：如图1所示，一种级联H桥型牵引网阻抗测试谐波发生器测试方法，含有以下步骤；

步骤1，如图1所示，把此谐波发生器连接牵引网。采集降压变压器一次侧电压电流、二次侧电压电流、级联变流器端口输出电压，经过控制系统，谐波发生器工作在PWM整流模式，各个模块的电容电压稳定在给定值附近，谐波发生器未向牵引网发出谐波。

步骤2，人工输入指定所要发出谐波的频率和幅值，启动发出谐波命令，级联变流器通过载波移相调制发出指定频次和幅值谐波电压分量。此谐波电压分量经过电抗器和降压变压器转化为谐波电流分量，注入到牵引网中。同时采集系统采集的数据送到监控系统中的测量模块，测量模块可以实时算出此频率下的牵引网谐波阻抗。

步骤3，更换制定谐波频率，可以是手工输入指定也可以是监控系统自动变更，重复步骤2过程，计算新的谐波频率下的牵引网谐波阻抗。直至测试频率包含100-5100Hz范围。

步骤4，综合步骤2和步骤3中所有的谐波频率测试结果画出牵引网谐波阻抗-频率特性图，即得到一个测试点的牵引网谐波特性。更换谐波发生器接入牵引网的接入点重复步骤1至步骤3，就得到第二个测试点的牵引网谐波阻抗特性。直至把所有需要测试点的牵引网谐波阻抗特性测试完毕，此次测试过程结束。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种级联H桥型牵引网阻抗测试谐波发生器，其特征在于降压变压器TP的一次侧绕组与牵引网连接，二次侧绕组与电抗器Lc、级联变流器HG连接成回路。

2.根据权利要求1所述的一种级联H桥型牵引网阻抗测试谐波发生器，其特征是：级联变流器由N(2≤N≤10,N为整数)个单相H桥模块级联构成；级联变流器发出幅值和频率可变的谐波电压，谐波电压频率范围为100Hz～5100Hz，幅值范围为0～1000V。

3.根据权利要求1所述的一种级联H桥型牵引网阻抗测试谐波发生器，其特征是：降压变压器为单相单绕组变压器。

4.根据权利要求1所述的一种级联H桥型牵引网阻抗测试谐波发生器，其特征是：二次绕组为级联变流器提供电源电压；级联变流器HG由电力电子开关器件构成，为N个H桥模块级联，通过PWM载波移相调制发出幅值和频率可变的谐波电压；变流器电抗器作为电路设计中必要元件，谐波电压经过电抗器产生谐波电流；

降压变压器TP一次侧绕组额定电压按牵引网标称电压取值，二次侧绕组额定电压取值与级联变流器HG相匹配，范围为200V～3000V，级联变流器HG主电路由单相H桥变流器级联构成，单相H桥变流器的功率开关器件采用IGBT或IGCT或MOSFET；

级联变流器由N(2≤N≤10,N为整数)个单相H桥模块级联构成，级联变流器采用载波移相调制；级联变流器发出的谐波电压频率范围为100Hz～5100Hz，幅值范围为0～1000V。

5.一种级联H桥型牵引网阻抗测试谐波发生器测试方法，其特征在于含有以下步骤；

步骤1，把谐波发生器通过降压变压器连接牵引网，采集降压变压器一次侧电压电流、二次侧电压电流、级联变流器端口输出电压；谐波发生器工作在PWM整流模式，各个模块的电容电压稳定在给定值附近，谐波发生器未向牵引网发出谐波；

步骤2，人工指定所要发出谐波的频率和幅值，启动发出谐波命令，级联变流器通过载波移相调制发出指定频次和幅值谐波电压分量；此谐波电压分量经过电抗器和降压变压器转化为谐波电流分量，注入到牵引网中；同时采集降压变压器一次侧电压电流、二次侧电压电流、级联变流器端口输出电压，实时算出此频率下的牵引网谐波阻抗；

步骤3，更换指定谐波频率，重复步骤2过程，计算新的谐波频率下的牵引网谐波阻抗；直至测试频率包含100-5100Hz范围；

步骤4，综合步骤2和步骤3中所有的谐波频率测试结果画出牵引网谐波阻抗-频率特性图，即得到一个测试点的牵引网谐波特性；更换谐波发生器接入牵引网的接入点重复步骤1至步骤3，就得到第二个测试点的牵引网谐波阻抗特性；直至把所有需要测试点的牵引网谐波阻抗特性测试完毕，此次测试过程结束。