CN110763918B - 一种牵引脉冲整流器输入阻抗及牵引网输出阻抗测量方法 - Google Patents

一种牵引脉冲整流器输入阻抗及牵引网输出阻抗测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种牵引脉冲整流器输入阻抗及牵引网输出阻抗测量方法，以高速列车单相牵引整流器为测量对象，设计了一种根据整流器稳定性运行情况实时闭环调节扰动谐波幅值的扰动注入装置，该装置可保证整流器稳定运行的前提下，同时准确测量车网dq坐标系下阻抗/导纳。本发明实现在牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器稳定运行的前提下，对整流器以牵引网阻抗进行准确测量。

Description

一种牵引脉冲整流器输入阻抗及牵引网输出阻抗测量方法
技术领域
本发明涉及电力牵引交流传动技术领域，具体为一种牵引脉冲整流器输入阻抗及牵引网输出阻抗测量方法。
背景技术
伴随着我国高速铁路的快速发展，基于交直交牵引传动系统的高速列车得到了越来越广泛的应用，在列车-牵引网耦合系统(以下简称“车-网系统”)中，由于多辆列车与牵引网之间的相互作用，导致了谐波共振、低频振荡和谐波不稳定性等各种不稳定问题的发生，此类不稳定问题不仅仅会在牵引供电系统中造成严重的安全隐患，同时会对高速列车牵引传动系统的稳定运行造成巨大影响。
低频振荡的频率范围通常是从一赫兹到几赫兹，经常发生在多车投入运行时，谐波共振则通常发生的频率范围为几百到几千赫兹，谐波不稳定性则通常在几百赫兹的频率范围内发生
针对于系统稳定性的分析研究，Middlebrook首先提出了基于电源的输出阻抗与负载的输入导纳的系统稳定性阻抗判据，对于电力电子系统基于源阻抗与负载导纳的交流系统稳定性判据研究亦得以发展，基于阻抗的稳定性分析方法被广泛应用于稳定性分析，因此获取电力电子系统端口输出阻抗以及输入导纳的研究成为热门，而通过阻抗测量的方式获取电力电子系统阻抗则是一种直接准确的方式。
电力系统的谐波阻抗测量技术研究较多，阻抗测量就注入扰动方式可分为两类：非干扰被动式与干扰主动式。非干扰式可以在没有任何干扰注入的情况下基于数学分析和数值处理来估计阻抗；然而，获得的阻抗通常不够准确，并且数学计算过程复杂，导致阻抗测量的速度很慢。干扰主动式是在系统正常运行情况下，往系统加入谐波电压或谐波电流扰动，通过对端口采集电压电流进而分析得到阻抗的一类方式。
对于接入电网的变流器阻抗测量技术研究是现在研究的热潮，三相并网变流器一直作为国际上的热点研究对象，在文献中提出了一种单个电流源注入的测量方式，其谐波注入采用单频注入方式，以测得三相变流器在dq坐标系下的输入阻抗。而使用多频注入进行阻抗测量技术的研究，由于变流器为非线性负载，以三相六脉冲全桥整流器为例，同时注入多个频率扰动信号，在交流侧产生的频率响应分量出现重叠，从而导致多频注入的测量结果与单频注入的测量结果有非常大的偏差。
由上述可知，针对于三相电力系统的阻抗测量技术研究较为全面，对于单相整流器阻抗测量技术研究较少，而单相整流器被广泛应用于高速列车牵引传动系统中，因此对其测量技术的研究是有必要的。在单相整流器所采用的控制方式中，dq解耦电流控制较为常见，因此单相整流器阻抗模型可以建立在dq坐标系下进行研究。现有在dq坐标系下单相系统的稳定性判据可用于车网稳定性分析，而测量dq坐标系下阻抗的方法较少，目前主要的测量方式是采用单频注入方式中的正弦扫频测量方式,通常为保证测量的准确性，谐波幅值取值需足够大以保证足够的信噪比，然而谐波注入幅值过大会干扰整流器系统的正常运行，而干扰谐波源幅值通常需要实验经验来进行选用，进行注入谐波测量后需要根据测量结果以及注入全程的整流器运行情况进行分析本次测量谐波幅值是否合适，进而对谐波幅值进行修正后，重新注入待测频率点谐波进行测量计算，如此造成测量准确度无法保证，同时测量效率较低。
因此，设计根据整流器稳定性运行情况实时调节扰动谐波幅值的扰动注入装置，保证整流器稳定运行的前提下，同时准确测量车网dq坐标系下阻抗/导纳的测量方法，并根据测得阻抗/导纳进行稳定性分析的研究具有重要意义。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器输入阻抗及牵引网输出阻抗测量方法，实现在牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器稳定运行的前提下，对整流器以牵引网阻抗进行准确测量。技术方案如下：
一种牵引脉冲整流器输入阻抗及牵引网输出阻抗测量方法，包括以下步骤：
步骤1：对整流器网侧输入电压us、网侧输入电流is以及直流侧电压ud进行数据采集，进行快速傅里叶变换得到网侧输入电压幅值US；
步骤2：设置整流器正常工作范围所对应的网侧输入侧电压幅值阈值为[U1,U2]，直流侧电压阈值为[Ud1，Ud2]；当Us∈[U1，U2]，ud∈[Ud1，Ud2]均满足，则整流器处于正常工作状态，进入步骤3；否则调节谐波注入电路谐波幅值大小，返回步骤1；
步骤3：控制扰动源开始产生幅值为Ur，角频率为ωn，n∈[1,N]为待测频率点序号，初相角为θ1的正弦扰动信号注入到整流器交流侧，扰动信号持续时长为t；
步骤4：重复执行步骤1-2，当整流器处于正常工作状态时，进入步骤5，否则修改扰动幅值，返回步骤3；
步骤5：将扰动信号持续时间之后的时长t内所采集的网侧输入电压usn和网侧输入电流isn分别作为静止坐标系下α轴电压uαn和电流iαn通过二阶广义积分器分别得到虚拟值β轴电压uβn、iβn，再进行DQ同步旋转坐标系变换：
Figure GDA0002571177370000031
Figure GDA0002571177370000032
将集网侧输入电压和网侧输入电流的dq分量udn、uqn、idn、iqn进行FFT得到频率点ωn及初相角θ1所对应的电压分量Ud1(jωn)、Uq1(jωn)以及电流分量Id1(jωn)、Iq1(jωn)；
步骤6：控制扰动源开始产生幅值为Ur，角频率为ωn，初相角为θ2，的正弦扰动信号注入到整流器交流侧，扰动信号持续时长为t；θ2≠θ1；
步骤7：重复执行步骤1-2，当整流器处于正常工作状态时，进入步骤5，得到频率点ωn及初相角θ2所对应的电压分量Ud2(jωn)、Uq2(jωn)以及电流分量Id2(jωn)、Iq2(jωn)，则频率点ωn对应的dq坐标系下阻抗为：得到频率点ωn及初相角θ2所对应的电压分量Ud2(jωn)、Uq2(jωn)以及电流分量Id2(jωn)、Iq2(jωn)，则频率点ωn对应的dq坐标系下阻抗为：
Figure GDA0002571177370000033
否则修改扰动幅值，返回步骤6；
步骤8：将步骤3中角频率ωn替换成下一个频率点ωn+1重复执行步骤3-7，直至所有频率点完成测量。
本发明的有益效果是：本发明通过测量整流器网侧电压、电流，直流侧电压可以实时监测整流器运行工况，并根据整流器稳定性运行情况实时调节注入扰动谐波幅值，在两相旋转dq坐标系下实现对车-网系统阻抗/导纳矩阵的更省时、更准确的测量。
附图说明
图1是交直交牵引传动系统主电路图。
图2单相两电平脉冲牵引整流器主电路拓扑。
图3牵引供电网-某型动车组级联示意图。
图4两组线性不相关的扰动信号示意图。
图5阻抗测量模块工作示意图。
图6谐波源发生电路图。
图7阻抗测量过程流程图。
图8采用固定扰动幅值扰动与采用幅值自调节扰动对直流侧电压影响对比图；图8-11中浅色数据点对应采用固定扰动幅值扰动，深色数据点对应采用幅值自调节扰动。
图9采用固定扰动幅值扰动与采用幅值自调节扰动对交流侧FFT提取的电压幅值影响对比图。
图10采用固定扰动幅值扰动与采用幅值自调节扰动时交流侧扰动信号占空比对比图。
图11采用固定扰动幅值扰动与采用幅值自调节扰动所测得交流侧输入阻抗结果对比图。
图12是动车组牵引传动系统接入牵引网时，对牵引传动系统及牵引网阻抗进行测量的工作模型系统框架图。
图13是根据本发明测得6辆动车组交流侧输入阻抗与牵引网输出阻抗所绘制的稳定性分析幅值-频率特性图。
图14是根据本发明测得7辆动车组交流侧输入阻抗与牵引网输出阻抗所绘制的稳定性分析幅值-频率特性图。
图15是在硬件在环测试平台中6辆动车组接入牵引网测得交流电压电流及直流侧电压图，与图13稳定性分析结果所对应。
图16是在硬件在环测试平台中7辆动车组接入牵引网测得交流电压电流及直流侧电压图，与图14稳定性分析结果所对应。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器输入阻抗及牵引网输出阻抗测量可按照本发明所叙述方法进行：
第1步：在RT-LAB平台上搭建牵引网以及牵引变压器、两电平单相四象限脉冲整流器作为主要部分的动车组牵引传动系统正常工作模型如图12所示，设定PWM开关频率为500Hz，中间直流侧电压3600V；在DSP上编写的脉冲整流器控制程序，实现两电平单相四象限脉冲整流器的正常工作。
第2步：RT-LAB平台上搭建扰动阻抗测量模块中的谐波源发生电路如图6所示，其中分压电阻R2的阻值为100欧姆，程控可调电阻R1的阻值范围为0-100欧姆；通过调节步进调节R1的阻值来调节注入谐波幅值Ur的大小DSP控制程控断路器闭合，则谐波源发生电路短路视为一根导线；程控断路器打开，则谐波源发生电路串入待测端如图5所示。
第3步：对整流器网侧输入电压us、网侧输入电流is以及直流侧电压ud进行数据采集，进行快速傅里叶变换(FFT)得到网侧输入电压幅值US。
第4步：阈值判断：设置整流器正常工作范围所对应的网侧输入侧电压幅值阈值为[U1,U2],直流侧电压阈值为[Ud1,Ud2]，当Us∈[U1,U2],ud∈[Ud1,Ud2]均满足，整流器处于正常工作状态如图8中深色波形所示；阈值判断未均满足如图8中15-20秒所对应浅色波形所示，则调节谐波注入电路谐波幅值Ur从而步进调节扰动信号占空比如图10中深色数据点所示，重复步骤3、4至阈值判断均满足。
第5步：在整流器处于正常工作的条件下，控制扰动源开始产生幅值为Ur,角频率为ωn(n从1至N为所有待测频率点，第一个测量点时n＝1)初相角为θ1的正弦扰动信号注入到整流器交流侧，扰动信号持续时长为t。
第6步：重复步骤3、4，当整流器处于正常工作状态，将执行步骤5之后(即扰动信号持续时间之后)时时长t内所采集网侧输入电压usn，网侧输入电流isn分别作为uαn、iαn通过二阶广义积分器(SOGI)分别得到虚拟值uβn、iβn再进行DQ同步旋转坐标系变换：
Figure GDA0002571177370000051
Figure GDA0002571177370000052
将udn、uqn；idn、iqn进行FFT得到频率点ωn及初相角θ1所对应的电压分量Ud1(jωn)、Uq1(jωn)以及电流分量Id1(jωn)、Iq1(jωn)，
第7步：通过控制注入扰动谐波的初相角，注入与步骤5中扰动线性不相关的扰动如图4所示；将步骤5中初相角更换成与θ2(θ2≠θ1)执行之后，执行步骤6得到频率点ωn及初相角θ2所对应的电压分量Ud2(jωn)、Uq2(jωn)以及电流分量Id2(jωn)、Iq2(jωn)，则频率点ωn对应的dq坐标系下阻抗为：
Figure GDA0002571177370000053
第8步：将步骤5中角频率ωn(n＝1)替换成下一个频率点ωn(n＝2)重复执行步骤5到7，直至所有频率点完成测量，本次实施例测量频率0-100Hz，步骤3-8流程图如图7所示。
第9步：将测量动车组牵引传动系统输入导纳YLdq及牵引网阻抗ZSdq进行稳定性分析，计算返回比矩阵Ldq、Ldq1
Figure GDA0002571177370000061
Figure GDA0002571177370000062
将返回比矩阵Ldq、Ldq1代入稳定性子判据得到八个子判据f1-f8,
Figure GDA0002571177370000063
Figure GDA0002571177370000064
Figure GDA0002571177370000065
Figure GDA0002571177370000066
绘制判据幅值-频率特性曲线绘制于一图如图13-14所示；稳定性分析结果与图15-16中动车组接入牵引网测得交流电压电流及直流侧电压所对应。

Claims (1)

1.一种牵引脉冲整流器输入阻抗及牵引网输出阻抗测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：对整流器网侧输入电压us、网侧输入电流is以及直流侧电压ud进行数据采集，进行快速傅里叶变换得到网侧输入电压幅值US；
步骤2：设置整流器正常工作范围所对应的网侧输入侧电压幅值阈值为[U1,U2]，直流侧电压阈值为[Ud1，Ud2]；当Us∈[U1，U2]，ud∈[Ud1，Ud2]均满足，则整流器处于正常工作状态，进入步骤3；否则调节谐波注入电路谐波幅值大小，返回步骤1；
步骤3：控制扰动源开始产生幅值为Ur，角频率为ωn，n∈[1,N]为待测频率点序号，初相角为θ1的正弦扰动信号注入到整流器交流侧，扰动信号持续时长为t；
步骤4：重复执行步骤1-2，当整流器处于正常工作状态时，进入步骤5，否则修改扰动幅值，返回步骤3；
步骤5：将扰动信号持续时间t内所采集的网侧输入电压usn和网侧输入电流isn分别作为静止坐标系下α轴电压uαn和电流iαn通过二阶广义积分器分别得到虚拟值β轴电压uβn、电流iβn，再进行DQ同步旋转坐标系变换：
Figure FDA0002571177360000011
Figure FDA0002571177360000012
将网侧输入电压和网侧输入电流的dq分量udn、uqn、idn、iqn进行FFT得到频率点ωn及初相角θ1所对应的电压分量Ud1(jωn)、Uq1(jωn)以及电流分量Id1(jωn)、Iq1(jωn)；
步骤6：控制扰动源开始产生幅值为Ur，角频率为ωn，初相角为θ2的正弦扰动信号注入到整流器交流侧，扰动信号持续时长为t；θ2≠θ1；
步骤7：重复执行步骤1-2，当整流器处于正常工作状态时，进入步骤5，得到频率点ωn及初相角θ2所对应的电压分量Ud2(jωn)、Uq2(jωn)以及电流分量Id2(jωn)、Iq2(jωn)，则频率点ωn对应的dq坐标系下阻抗为：
Figure FDA0002571177360000021
否则修改扰动幅值，返回步骤6；
步骤8：将步骤3中角频率ωn替换成下一个频率点ωn+1重复执行步骤3-7，直至所有频率点完成测量。
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