CN111368713A - 一种基于同步压缩小波变换的车网系统谐波时频分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于同步压缩小波变换的车网系统谐波时频分析方法，在等效牵引网和CRH5型车整流器级联运行下，通过设置不同开关频率和牵引网等效参数，在考虑数字控制电路所产生的延时下，观测网侧电流电压信号，并利用同步压缩小波变换对该信号进行分析；本发明分析结果具有良好的时频分辨率，可以有效辨识系统发生谐波不稳定问题时，谐波放大的幅值和频率；本发明实施方便、适应性较高。
Description
技术领域
本发明属于高速铁路非平稳数据的时频分析处理技术领域，具体涉及一种基于同步压缩小波变换的车网系统谐波时频分析方法。
背景技术
近年来，随着HXD和CRH系列电力机车的广泛使用，牵引系统中引入了大量的电力电子设备。由于电力电子设备的非线性特性，当机车投入到牵引网后可能会和牵引网发生交互耦合作用而给牵引系统稳定性带来新的挑战。此外，不同车型中变流器开关频率相差较大，所以采用数字控制器而产生的延时也不尽相同。
为了研究动车组变流器开关频率对车网系统的影响规律，Assefa H Y等在文献1中指出了开关频率会对车网系统稳定性产生的影响。但是该文献仅仅阐述了该现象，并没有详细分析不同开关频率下的车网电气波形的时频谱特征。文献2,3指出，延时将会导致变流器等效导纳在高频段产生负阻尼效应，进而降低系统稳定性。文献4指出，由于动车组牵引功率较大，所以变流器开关频率设置的较低，这将会产生严重的控制延时。文献5通过对谐波不稳定波形进行傅里叶变换，指出该现象是一种特征次谐波放大现象。此外，针对非平稳信号，小波变换是一种常用的时频分析工具，通过构造合适的小波基可以有效分析非周期信号和含有奇异性的信号。但是小波分析结果的分辨率往往十分依赖与小波基的选取，而小波基函数的选择也没有固定规律，往往全凭经验进行选择。综合上述研究方法：
1)研究中对车网系统中所出现的谐波不稳定问题采用傅里叶变换和小波变换的分析方法，时频分辨率受限于窗函数或者小波基的选取，采用传统的时频分析方法无法达到理想的分析效果。
2)车网系统稳定性问题是一个强耦合系统，对变流器开关频率和牵引网参数变化较为敏感。
因此，有必要采用高时频分辨率的方法引入谐波不稳定问题的分析中。同步压缩小波变换不过分依赖于小波基的选择，可以准确分析非平稳信号的幅值和频率随时间变换的规律，有效判断变流器开关频率和牵引网参数对车网系统稳定性的影响。
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发明内容
本发明的目的是：在车网系统发生谐波不稳定现象时进行时频分析，分析动车组变流器开关频率和牵引网参数对车网系统稳定性的影响，为解决车网系统谐波不稳定问题提供新思路。为此，本发明提供了一种基于同步压缩小波变换的车网系统谐波时频分析方法。
本发明的一种基于同步压缩小波变换的车网系统谐波时频分析方法，在等效牵引网和CRH5型车整流器级联运行下，通过设置不同开关频率和牵引网等效参数，在考虑数字控制电路所产生的延时下，观测网侧电流电压信号，并利用同步压缩小波变换对该信号进行分析，具体包括以下步骤：
步骤1：给定变流器开关频率的初始值，计算当PWM调制电路为单倍频采样时数字控制器向车网系统中引入的延时；
步骤2：在仿真过程中加入控制电路中所产生的延时，观察并采集牵引网电压和电流；
步骤3：通过同步压缩小波变换对牵引网电压和电流信号进行分析，提取其时频变化规律；
步骤4：提取并追踪同步压缩变换结果的时频脊，对信号进行模态提取。
其中，步骤3具体过程为：
步骤a：选取解析的小波基，对牵引网电压和电流进行小波变换，将得到的结果记作WTf(a,b)，过程如下：
其中f(t)为待分析的信号，a为小波基ψa,b(t)中的尺度因子，b为其平移因子；
步骤b：将得到的小波变换结果WTf(a,b)对平移因子b求偏导数，得到
步骤c：将得到的偏导数结果除以对信号进行小波变换和i2π的乘积，得到信号瞬时频率值：
步骤d：将得到的瞬时频率值在小波变换所得到的时频区域进行重新分配，以提升时频分辨率：
其中Tf为同步压缩小波变换矩阵，ak是小波变换系数矩阵WTf进行压缩变换的计算区间，可根据式ω(ak,b)-ωl|≤Δω/2得到；压缩变换后时频分布的结果分布在中心频率ωl的附近。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明通过同步压缩小波变换可以精确分析当车网系统发生谐波不稳定时，牵引网谐振频率和幅值随时间变化的规律。
2、本发明实施方便，不需要严格选择小波基对谐波不稳定现象进行分析，该时频分析方法的适应性较高。
附图说明
图1为本发明的车网系统等效框图。
图2为本发明的车网系统等效电路。
图3为本发明车载整流器开关频率设置为1250Hz时的牵引网电压和电流波形。
图4为本发明车载整流器开关频率设置为800Hz时的牵引网电压和电流波形。
图5为本发明车载整流器开关频率设置为500Hz时的牵引网电压和电流波形。
图6为开关频率设置为1250Hz时牵引网电压的时频分析图。
图7为开关频率设置为800Hz时牵引网电压的时频分析图。
图8为开关频率设置为500Hz时牵引网电压的时频分析图。
图9为开关频率设置为1250Hz时牵引网电压的模态分解图。
图10为开关频率设置为800Hz时牵引网电压的模态分解图。
图11为开关频率设置为500Hz时牵引网电压的模态分解图。
图12为半实物平台下开关频率设置为1250Hz时牵引网电压和电流的示波器图。
图13为半实物平台下开关频率设置为800Hz时牵引网电压和电流的示波器图。
图14为半实物平台下开关频率设置为500Hz时牵引网电压和电流的示波器图。
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。
本实例以牵引网和CRH5型动车组级联系统为例。图1为牵引供电系统AT供电方式下，车网系统等效模型。牵引供电系统由牵引变电所和牵引网组成，电力机车由车载整流器、逆变器和电机组成。图2为车网系统等效电路图，其中Us为牵引网电压，Ls、Rs、Cs分别是牵引网等效电感、电阻和电容。Lg为车载变压器等效电感，Cd为直流侧滤波电容，Rd为机车等效负载。简化后的车载整流器的控制环路由采样环节、控制电路、PWM调制电路和延时电路所组成。其中延时主要是在PWM调制过程中所产生的。当采用单倍频调制时，延时时长和开关频率大小相同。
本实施例的同步压缩小波变换车网系统谐波不稳定时频谱分析由以下各步组成。
1、通过在Matlab/Simulink中设置不同车载变流器开关频率，并考虑数字控制器所产生的延时，观察并采集牵引网电压、电流的波形；
图3、4、5分别为开关频率为1250Hz、800Hz、500Hz时的牵引网电压和电流波形。当开关频率为1250Hz时，在第5秒考虑控制电路所产生的延时，之后，牵引网上电压和电流出现谐波放大现象。在实际运行中，当牵引网电压超过29kV时，会触发机车保护装置使机车闭锁，机车停止运行。当开关频率为800Hz时，在加入延时之后，车网系统并没有出现谐波不稳定现象，且于0.15秒之后牵引网电压和电流恢复到正常运行状态。当开关频率为500Hz时，在加入延时之后，车网系统无法稳定，电压和电流失去同步。
2、利用同步压缩小波变换不同开关频率下牵引网电压时频分布图；
图6、7、8分别是对图3、4、5中5～5.1秒间电压波形进行小波变换和同步压缩小波变换后的结果。从图6可以明显看出，同步压缩小波变换的分析结果相较于小波变换具有更好的时频分辨率。小波变换无法精确分析谐波频率以及谐波幅值，但是同步压缩小波变换却可以做到精确定位。由同步压缩小波变换分析结果可知，在第5秒加入延时后，牵引网电压出现了461Hz谐波电压幅值放大现象，这一结果也和图3相吻合。经表Ι中数据可知，461Hz也正好为牵引网并联谐振频率。故当发生谐波不稳定时，牵引网固有谐振频率下电压的幅值会被放大。
图7、8是当开关频率为800Hz、500Hz时牵引网电压波形的时频分析结果。可以看出，此时，车网系统电压并没有出现特定次谐波放大现象。
3、提取并追踪对谐波不稳定波形同步压缩变换结果的时频脊，对信号进行模态提取；
为了进一步分析发生谐波不稳定时牵引网电压的波形，对图3中电压波形进行了模态提取，分析该波形的成分组成，以及各个成分的频率和幅值随时间变化的规律。
图9为当开关频率为1250Hz时电压波形模态分解结果，其中S(t)为5～5.1秒内所截取的谐波不稳定电压信号，IMF为信号S(t)的固有模态成分。可以发现，当发生谐波不稳定时，波形是由50Hz基波和幅值不断增大的谐波成分组成。图10、11分别为当开关频率为800Hz、500Hz时电压波形模态分解结果。可以发现，当开关频率为800Hz时，电压波形是由50Hz基波和幅值在较小范围内变化的谐波成分组成，并没有出现因为谐波放大而出现的不稳定现象。而当开关频率降低为500Hz时，电压波形却是由50Hz基波和无明显变化规律的谐波成分组成。此时对比图5可以发现，由于开关频率过低，导致当考虑了延时之后，牵引网电压和电流信号失去同步。
4、在半实物平台上进行试验，观察开关频率对车网系统系统稳定性的影响；
为了验证开关频率对车网系统稳定性的影响，搭建硬件在环车网系统半实物实验平台。其中控制器装载控制电路，仿真器装载主电路，在PC端运行StarSim软件使二者形成闭环系统。图12、13、14为当开关频率设置为1250、800、500Hz时，从示波器截取牵引网电压和电流的波形。可以发现半实物平台上的实验结果和Matlab\Simulink仿真结果一致。
车网级联系统参数如表Ι所示。
表Ι车网系统模型参数
利用同步压缩小波变换对牵引网电压和电流信号进行分析，分析结果具有良好的时频分辨率，可以有效辨识系统发生谐波不稳定问题时，谐波放大的幅值和频率。
Claims (2)
1.一种基于同步压缩小波变换的车网系统谐波时频分析方法，其特征在于，在等效牵引网和CRH5型车整流器级联运行下，通过设置不同开关频率和牵引网等效参数，在考虑数字控制电路所产生的延时下，观测网侧电流电压信号，并利用同步压缩小波变换对该信号进行分析，具体包括以下步骤：
步骤1：给定变流器开关频率的初始值，计算当PWM调制电路为单倍频采样时数字控制器向车网系统中引入的延时；
步骤2：在仿真过程中加入控制电路中所产生的延时，观察并采集牵引网电压和电流；
步骤3：通过同步压缩小波变换对牵引网电压和电流信号进行分析，提取其时频变化规律；
步骤4：提取并追踪同步压缩变换结果的时频脊，对信号进行模态提取。
2.根据权利要求1所述的一种基于同步压缩小波变换的车网系统谐波时频分析方法，其特征在于，所述步骤3具体过程为：
步骤a：选取解析的小波基，对牵引网电压和电流进行小波变换，将得到的结果记作WTf(a,b)，过程如下：
其中f(t)为待分析的信号，a为小波基ψa,b(t)中的尺度因子，b为其平移因子；
步骤b：将得到的小波变换结果WTf(a,b)对平移因子b求偏导数，得到
步骤c：将得到的偏导数结果除以对信号进行小波变换和i2π的乘积，得到信号瞬时频率值：
步骤d：将得到的瞬时频率值在小波变换所得到的时频区域进行重新分配，以提升时频分辨率：
其中Tf为同步压缩小波变换矩阵，ak是小波变换系数矩阵WTf进行压缩变换的计算区间，可根据式|ω(ak,b)-ωl|≤Δω/2得到；压缩变换后时频分布的结果分布在中心频率ωl的附近。
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| Hu et al. | A novel controlled frequency band impedance measurement approach for single-phase railway traction power system | |
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| Abdelsalam et al. | A generalized approach for power quality disturbances recognition based on Kalman filter | |
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| Wang et al. | Analysis of partial discharge signal using the Hilbert-Huang transform | |
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| Borisov et al. | A computationally efficient RDFT-based reference signal generator for active compensators | |
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| Kumar et al. | S-Transform based detection of multiple and multistage power quality disturbances | |
| Duan et al. | Differential mode conducted EMI prediction in three phase SiC inverters | |
| Asman et al. | Fault signature analysis for medium voltage overhead line based on new characteristic indices | |
| Li et al. | Analysis of harmonic resonance for locomotive and traction network interacted system considering the frequency-domain passivity properties of the digitally controlled converter | |
| Chen et al. | Extraction of common-mode impedance of an induction motor by using all-phase FFT with intermediate-frequency filtering | |
| CN106771850A (zh) | 基于级联双稳态系统的配电网故障选线方法 | |
| Ferrigno et al. | Measurement of Passive $ R $, $ L $, and $ C $ Components Under Nonsinusoidal Conditions: The Solution of Some Case Studies | |
| CN110082642A (zh) | 基于全相位微分滤波的电网工况故障时刻检测方法及装置 | |
| Yu et al. | Research on modal parameter identification method of power transformer winding | |
| Ghaemi et al. | Voltage notch indices determination using wavelet transform |
Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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