CN113381423B - 可抑制电磁暂态过程的列车地面自动过分相方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了可抑制电磁暂态过程的列车地面自动过分相方法及系统，方法包括：获取列车运行位置，根据运行位置确定为列车供电的电源，具体为：当列车位于过渡区时，根据过渡区的电压、电流及四重化辅助变流装置的参数，确定过渡区内四重化辅助变流装置的输出电压解耦调制信号及过渡区对应的供电臂的输出电压调制信号；当列车位于电气隔离区，使用四重化辅助变流装置为列车供电。本发明采用四个单相H桥变流器与匹配变压器并联构成四重化辅助变流装置，在四重化辅助变流装置的基础上引入变压器等效折算原理对瞬时功率调控算法进行修正，能够从根本上消除燃弧及电压过冲现象，在有效抑制暂态冲击影响的同时，还解决了列车的速度损失问题。

Description

可抑制电磁暂态过程的列车地面自动过分相方法及系统

技术领域

本发明属于电气化铁路牵引供电技术领域，具体是涉及到一种可抑制电磁暂态过程的列车地面自动过分相方法及系统。

背景技术

基于我国电气化铁路的单相交流供电制式，牵引负荷通常具有单相性、随机性和非线性的特征。因此，通常采用由牵引变压器实现3/2系统变换后，分段向牵引网供电的方式来解决牵引供电系统的三相负载不平衡问题。然而，为防止相间短路而设置的电气隔离区段(即电分相区)作为牵引供电系统的薄弱环节，又造成了诸多潜在的安全隐患。一方面，在列车过分相运行时，存在频繁的弓网PC(Pantograph-Catenary)状态变化，其导致的PC离合现象会造成持续而剧烈的电磁暂态过程EMTP(Electromagnetic transient process)，进而对PC系统造成严重的瞬时过压和过流冲击。同时，暂态能量的短时严重聚积极易造成电力系统的失衡。另一方面，供电中断所造成的列车速度损失大幅降低了铁路运行效率。因此，如何在抑制EMTP影响的基础上实现电力机车安全、高效地过分相运行，成为了当前的研究热点。

车载自动过分相、柱上自动过分相和地面自动过分相是当前得到广泛应用的三类列车过分相形式。其中，前两类方法均属于惰行闯分相的运行模式，通常存在速度损失大、暂态冲击严重等缺陷，不符合高速、重载列车的发展需求，故该类方案正逐步被后者所取代。然而，机车在地面过分相带电运行模式下，仍存在PC离合时的EMTP影响。王小君等研究表明，过电压与自动分相开关的合闸相角有着紧密联系。Wang等在高速真空断路器VCB(Vacuum circuitbreaker)的研究基础上，提出针对不同情况的混合相控断路器拓扑。Zhang等通过控制电子开关在电流过零点的开闭，大幅缩短断电死区，降低暂态冲击的影响。Shin应用超导限流器对过分相开关系统进行改良，大幅抑制了浪涌电流水平。然而，在列车过分相运行过程中，PC接触时的电压叠加和PC分离时的电流突变均会导致严重的瞬态冲击问题，故上述机械开关过分相方法均不能从根本上有效抑制或消除EMTP影响。因此，自动过分相技术应运而生。但是现有的自动过分相方法多使用单重电路拓扑方案，其存在负载驱动能力不足的局限性。为适应电气化铁路的大容量工程应用背景，Xiong等采用将H桥变流器级联的方式来直接驱动机车负载，同时采用最近电平逼近法来实现NS供电电压的平滑切换，然而，过高的电路重数所导致的结构复杂和成本高昂问题，又限制了该类方法的普遍应用及推广。

发明内容

本发明要解决的是现有列车过分相过程存在持续而剧烈的电磁暂态冲击和列车速度损失的技术问题，因此提供了一种基于结构改良及控制算法优化的可抑制电磁暂态过程的列车地面自动过分相方法及系统。

本发明的第一方面公开了一种基于结构改良及控制算法优化的可抑制电磁暂态过程列车地面自动过分相方法，应用于地面自动过分相系统，所述系统包括用于为列车供电的供电臂A、供电臂B和四重化辅助变流装置，且所述列车由供电臂A驶向供电臂B；所述方法包括：

获取列车的运行位置，所述运行位置包括过渡区和电气隔离区；

根据所述运行位置，确定为所述列车供电的电源，具体为：

当所述列车位于所述过渡区时，根据所述过渡区的电压、电流及所述四重化辅助变流装置的参数，确定所述过渡区内所述四重化辅助变流装置的输出电压解耦调制信号及所述过渡区对应的供电臂的输出电压调制信号，实现所述过渡区对应的供电臂与所述四重化辅助变流装置为所述列车供电时能量的动态、平滑转移；

当所述列车位于所述电气隔离区时，使用所述四重化辅助变流装置为所述列车供电。

优选地，所述四重化辅助变流装置包括四组并联的变流单元，所述变流单元包括：一个降压变压器、一个升压变压器和一个单相H桥变流器；

所述单相H桥变流器的输入端与所述降压变压器耦合，输出端与所述升压变压器耦合。

优选地，所述根据所述过渡区的电压、电流及所述四重化辅助变流装置的参数，确定所述过渡区内所述四重化辅助变流装置的输出电压解耦调制信号及所述过渡区对应的供电臂的输出电压调制信号，具体为：

获取所述过渡区的电压和电流，根据所述电压和电流确定在d-q坐标系下所述过渡区的瞬时有功功率、瞬时无功功率和d轴电压基波分量；

获取所述四重化辅助变流装置的参数，所述参数包括输出有功功率给定值和输出无功功率给定值；

根据所述过渡区的瞬时有功功率、瞬时无功功率、d轴电压基波分量、输出有功功率给定值和输出无功功率给定值确定所述过渡区内所述四重化辅助变流装置的输出电压解耦调制信号；

根据所述四重化辅助变流装置的输出电压解耦调制信号确定所述过渡区对应的供电臂的输出电压调制信号。

优选地，根据所述电压和电流确定在d-q坐标系下所述过渡区的瞬时有功功率、瞬时无功功率和d轴电压基波分量，具体为：

根据第一公式确定在d-q坐标系下所述过渡区的瞬时有功功率、瞬时无功功率，所述第一公式为：

式中，P为所述过渡区的瞬时有功功率，Q为所述过渡区的瞬时无功功率，u_d和u_q分别为所述过渡区的电压u在d轴和q轴的电压分量，i_d和i_q分别为所述过渡区的电流i在d轴和q轴的电流分量。

优选地，所述确定所述过渡区内所述四重化辅助变流装置的输出电压解耦调制信号，具体为：

根据第二公式确定所述过渡区内所述四重化辅助变流装置的输出电压解耦调制信号，所述第二公式为：

式中，u_abd`和u<sub>abq</sub>`分别为所述四重化辅助变流装置在d轴和q轴的输出电压，K_PP`和K<sub>PI</sub>`分别代表有功PI调节器的比例和积分系数，K_QP`和K<sub>QI</sub>`分别代表无功PI调节器的比例和积分系数；P_c ^*和Q_c ^*分别代表所述四重化辅助变流装置的输出有功功率给定值和输出无功功率给定值，P_c和Q_c分别为所述过渡区的瞬时有功功率和瞬时无功功率，其中P、Q为功率的瞬时计算值(公式理论值)，P_c和Q_c是将瞬时功率计算理论应用到过分相情况时的中性区并网输出功率瞬时值。P与P_C值和含义相同，Q与Q_C的值和含义相同，S是原公式经拉普拉斯变换后的输入变量，u_ds`和u<sub>qs</sub>`根据第三公式确定，所述第三公式为：

式中，k为变压器一次绕组和二次绕组的变比，u_m为所述过渡区的电压的基波幅值，P和Q分别为所述过渡区的瞬时有功功率和所述过渡区的瞬时无功功率，ω_s为所述过渡区的电压角频率，R_eq和L_eq根据第四公式确定，所述第四公式为：

式中，L_C和R_C分别代表所述四重化辅助变流装置的等效电感和等效电阻，L_f和R_f分别代表滤波电路的等效电感和等效电阻，L_S和R_S分别代表过渡区的等效电感和等效电阻，n为子模块并联重数，k为变压器一次绕组和二次绕组的变比。

优选地，所述过渡区包括位于所述电气隔离区两侧的过渡区A和过渡区B；

相应地，当所述列车位于所述过渡区时，根据所述过渡区的电压、电流及所述四重化辅助变流装置的参数，确定所述过渡区内所述四重化辅助变流装置的输出电压解耦调制信号及所述过渡区对应的供电臂的输出电压调制信号，实现所述过渡区对应的供电臂与所述四重化辅助变流装置为所述列车供电时能量的动态、平滑转移，具体为：

当所述列车位于所述过渡区A时，根据所述过渡区A的电压、电流及所述四重化辅助变流装置的参数，确定所述过渡区A内所述四重化辅助变流装置的输出电压解耦调制信号及所述供电臂A的输出电压调制信号，使所述四重化辅助变流装置逐步取代所述供电臂A为所述列车供电；

当所述列车位于所述过渡区B时，根据所述过渡区B的电压、电流及四重化辅助变流装置的参数，确定所述过渡区B内所述四重化辅助变流装置的输出电压解耦调制信号及所述供电臂B的输出电压调制信号，使得所述供电臂B逐步取代所述四重化辅助变流装置为所述列车供电。

本发明的第二方面公开了一种可抑制电磁暂态过程的列车地面自动过分相系统，该系统包括：

地面位置识别单元，所述地面位置识别单元用于获取列车的运行位置，并将所述运行位置发送至功率调节单元，所述运行位置包括过渡区A、电气隔离区和过渡区B；

功率调节单元，所述功率调节单元包括供电臂A、供电臂B、四重化辅助变流装置和断路器，用于实现相邻供电臂与中性区之间能量的动态、平滑转移；

所述四重化辅助变流装置包括四组并联的变流单元，所述变流单元包括：一个降压变压器、一个升压变压器和一个单相H桥变流器；

所述单相H桥变流器的输入端与所述降压变压器耦合，输出端与所述升压变压器耦合；

所述断路器包括第一断路器和第二断路器，所述第一断路器用于根据所述运行位置进行所述供电臂A与所述四重化辅助变流装置的切换，所述第二断路器用于根据所述运行位置进行所述供电臂B与所述四重化辅助变流装置的切换。

本发明的有益效果是：本发明立足于结构改良和控制算法优化两个方面，提出一种基于暂态抑制原理的列车四重化地面自动过分相方法及系统。采用四个单相H桥变流器与匹配变压器并联构成四重化辅助变流装置，在四重化辅助变流装置的基础上引入变压器等效折算原理对瞬时功率调控算法进行修正，能够从根本上消除燃弧及电压过冲现象，在有效抑制暂态冲击影响的同时，还解决了列车的速度损失问题。

与现有方法相比，本发明的方法和系统具备更优的系统响应和输出驱动能力，以及更为普遍的硬件适用范围，此外，本发明的方法还具备更强的暂态抑制及恢复能力，以及更优的电能供应水平。本发明从暂态抑制效果和抗外界环境干扰两个方面，通过一系列的功能验证和横向对比实验，对所提方法的可行性、优越性和鲁棒性进行验证，并取得了预期效果。

附图说明

附图1为本发明可抑制电磁暂态过程的列车地面自动过分相方法的流程图；

附图2为传统列车地面自动过分相方法的系统结构图；

附图3为本发明可抑制电磁暂态过程的列车地面自动过分相系统结构图及中性区的弓网动态耦合图；

附图4为附图3所示系统的阻感模型等效电路；

附图5为本发明可抑制电磁暂态过程的列车过分相过程中每一步骤对应的系统阻感模型等效电路；

附图6为本发明中四重化辅助变流装置的等效电路图；

附图7为本发明中含变压器电路的等效转换过程图；

附图8为本发明中修正后的前馈解耦瞬态功率控制框图；

附图9为本发明方法的在列车过分相能量转移控制实验结果图；

附图10为本发明中电流调控能力对比实验结果图；

附图11为本发明中输出驱动能力及子模块电流水平对比实验结果图；

附图12为本发明中电能质量对比实验；

附图13为本发明中针对线路参数、载波频率及负载水平的鲁棒性实验结果图。

具体实施方式

传统地面开关自动过分相方法及其暂态过程分析如图2所示，在列车即将进入中性区时，开关动作使供电臂A向中性区供电；当列车完全进入中性区后，供电臂B间隔一个极短的死区后接替供电臂A向机车供电；当列车完全驶离中性区后，开关系统复位，为下一次列车过分相做准备。

传统地面开关自动过分相方法，当列车驶离过渡区时，含感性元件的接触网与受电弓在大电流环境下分离极易产生拉弧现象，甚至烧毁受电弓。此外，具有阻感负载特性的电力机车在过分相电路切换过程中，通常会受电压残差、变压器剩磁、合闸相角等因素的影响而产生不同程度的浪涌电流，其暂态冲击影响将严重威胁车网系统的安全，同时降低各线路元器件的平均使用寿命。

为解决上述问题，本发明的实施例公开了一种基于结构改良及控制算法优化的列车地面自动过分相方法，其流程图见图1，该方法应用于地面自动过分相系统，系统包括用于为列车供电的供电臂A、供电臂B和四重化辅助变流装置，且列车由供电臂A驶向供电臂B；方法包括：

步骤1、获取列车的运行位置，运行位置包括过渡区和电气隔离区；

步骤2、根据运行位置，确定为列车供电的电源，具体为：

当列车位于过渡区时，根据过渡区的电压、电流及四重化辅助变流装置的参数，确定过渡区内四重化辅助变流装置的输出电压解耦调制信号及过渡区对应的供电臂的输出电压调制信号，实现过渡区对应的供电臂与四重化辅助变流装置为列车供电时能量的动态、平滑转移；

当列车位于电气隔离区时，使用四重化辅助变流装置为列车供电。

本发明实施例中，四重化辅助变流装置包括四组并联的变流单元，每组变流单元均包括：一个降压变压器、一个升压变压器和一个单相H桥变流器；

其中单相H桥变流器的输入端与降压变压器耦合，输出端与升压变压器耦合。

上述根据过渡区的电压、电流及四重化辅助变流装置的参数，确定过渡区内四重化辅助变流装置的输出电压解耦调制信号及过渡区对应的供电臂的输出电压调制信号，具体为：

获取过渡区的电压和电流，根据电压和电流确定在d-q坐标系下过渡区的瞬时有功功率、瞬时无功功率和d轴电压基波分量；

获取四重化辅助变流装置的参数，参数包括输出有功功率给定值和输出无功功率给定值；

根据过渡区的瞬时有功功率、瞬时无功功率、d轴电压基波分量、输出有功功率给定值和输出无功功率给定值确定过渡区内四重化辅助变流装置的输出电压解耦调制信号；

根据四重化辅助变流装置的输出电压解耦调制信号确定过渡区对应的供电臂的输出电压调制信号。

优选地，根据电压和电流确定在d-q坐标系下过渡区的瞬时有功功率、瞬时无功功率和d轴电压基波分量，具体为：

根据第一公式确定在d-q坐标系下过渡区的瞬时有功功率、瞬时无功功率，第一公式为：

式中，P为过渡区的瞬时有功功率，Q为过渡区的瞬时无功功率，u_d和u_q分别为过渡区的电压u在d轴和q轴的电压分量，i_d和i_q分别为过渡区的电流i在d轴和q轴的电流分量。

本发明实施例中，确定过渡区内四重化辅助变流装置的输出电压解耦调制信号，具体为：

根据第二公式确定过渡区内四重化辅助变流装置的输出电压解耦调制信号，第二公式为：

式中，u_abd`和u<sub>abq</sub>`分别为四重化辅助变流装置在d轴和q轴的输出电压，K_PP`和K<sub>PI</sub>`分别代表有功PI调节器的比例和积分系数，K_QP`和K<sub>QI</sub>`分别代表无功PI调节器的比例和积分系数；P_c ^*和Q_c ^*分别代表四重化辅助变流装置的输出有功功率给定值和输出无功功率给定值，P_c和Q_c分别为所述过渡区的瞬时有功功率和瞬时无功功率，其中P、Q为功率的瞬时计算值(公式理论值)，P_c和Q_c是将瞬时功率计算理论应用到过分相情况时的中性区并网输出功率瞬时值。P与P_C值和含义相同，Q与Q_C的值和含义相同，S是原公式经拉普拉斯变换后的输入变量，u_ds`和u<sub>qs</sub>`根据第三公式确定，第三公式为：

式中，k为变压器一次绕组和二次绕组的变比，u_m为过渡区的电压的基波幅值，P和Q分别为过渡区的瞬时有功功率和过渡区的瞬时无功功率，ω_s为过渡区的电压角频率，R_eq和L_eq根据第四公式确定，第四公式为：

式中，L_C和R_C分别代表四重化辅助变流装置的等效电感和等效电阻，L_f和R_f分别代表滤波电路的等效电感和等效电阻，L_S和R_S分别代表过渡区的等效电感和等效电阻，n为子模块并联重数，k为变压器一次绕组和二次绕组的变比。

优选地，过渡区包括位于电气隔离区两侧的过渡区A和过渡区B；

相应地，当列车位于过渡区时，根据过渡区的电压、电流及四重化辅助变流装置的参数，确定过渡区内四重化辅助变流装置的输出电压解耦调制信号及过渡区对应的供电臂的输出电压调制信号，实现过渡区对应的供电臂与四重化辅助变流装置为列车供电时能量的动态、平滑转移，具体为：

当列车位于过渡区A时，根据过渡区A的电压、电流及四重化辅助变流装置的参数，确定过渡区A内四重化辅助变流装置的输出电压解耦调制信号及供电臂A的输出电压调制信号，使四重化辅助变流装置逐步取代供电臂A为列车供电；

当列车位于过渡区B时，根据过渡区B的电压、电流及四重化辅助变流装置的参数，确定过渡区B内四重化辅助变流装置的输出电压解耦调制信号及供电臂B的输出电压调制信号，使得供电臂B逐步取代四重化辅助变流装置为列车供电。

本发明的第二方面公开了一种可抑制电磁暂态过程的列车地面自动过分相系统，该系统包括：

地面位置识别单元，地面位置识别单元用于获取列车的运行位置，并发送至功率调节单元，其中运行位置包括过渡区A、电气隔离区和过渡区B；

功率调节单元包括供电臂A、供电臂B、四重化辅助变流装置和断路器，用于实现相邻供电臂与中性区之间能量的动态、平滑转移；

四重化辅助变流装置包括四组并联的变流单元，每组所述变流单元均包括：一个降压变压器、一个升压变压器和一个单相H桥变流器；

单相H桥变流器的输入端与降压变压器耦合，输出端与升压变压器耦合；

断路器包括第一断路器和第二断路器，第一断路器用于根据运行位置进行供电臂A与四重化辅助变流装置的切换，第二断路器用于根据运行位置进行供电臂B与四重化辅助变流装置的切换。

下面将对本发明所提出的可抑制电磁暂态过程的列车地面自动过分相系统及方法进行详细说明。

本发明的可抑制电磁暂态过程的列车地面自动过分相系统其结构示意图见图3。该系统包括中性区四重化辅助变流装置(以下称为辅助变流器)、轨道电路辅助设备和电力机车负载三个主要部分。其中，中性段可划分为两个过渡区(过渡区A和过渡区B)和一个电气隔离区，QF₁、QF₂为主断路器，用于实现供电臂切换；T₁、T₂为匹配变压器(降压/升压)，用于实现各单重子模块的四重化并联拓展，其与变流桥一同构成辅助变流器的主体；P₁～P₅为地面位置传感器，用于实现列车的实时定位。设列车以单弓模式由供电臂A驶向供电臂B方向(A→B)，SS_A/B代表牵引变电所的供电方向。

图3(a)中的中性区NS可划分为两个过渡区A/B(T_A/B)和一个电气隔离区(E_I)，从图3(b)可以看出，当列车运行于T_A/B时，供电臂A/B末端与NS平行悬挂，受电弓同时跨接两线。因此，在列车过分相运行过程中，必然存在PC接触(对应图中位置P_{A/B_in})和PC分离(P_{A/B_out})所对应的4次电路拓扑转换过程，以及相邻供电臂电压的切换过程。当列车运行于开关过分相线路时，受电路结构突变及线路感容器件储能特性等因素的影响，必然会在PC离合及电压切换过程中产生过压、过流及燃弧现象，从而对车网系统产生严重的暂态冲击影响。

采用辅助变流器对中性区电压进行定量控制，辅之地面传感器所采集的列车位置信息和主断路器的开闭配合，即可在过渡区段内(P₂和P₄)实现系统供应能量在相邻供电臂与中性区之间的平滑转移，为PC离合提供最优的电气环境；通过功率及电压匹配控制，在抑制暂态冲击影响的同时，避免了断电或降级运行而带来的列车速度损失问题。

为方便定量分析，现以供电臂A/B和辅助变流器的输出电压，以及线路、机车的等效阻感负载为量化参数，将图3中(a)所示系统进行等效转换，可得到如图4所示的过分相系统阻感模型等效电路。其中，K₁～K₃为等效开关，用于模拟动态过分相过程；u_ab、u_A和u_B分别代表辅助变流器和供电臂A/B的末端输出电压；R_i和X_i分别代表线路或机车负载的等效电阻和电抗(i＝A，B，C orL；依次代表供电臂A/B，中性区线路和机车负载)。

根据EMTP的产生机理及其对应的抑制思路，结合图3和图4分析，假设列车以单弓模式由供电臂A驶向供电臂B方向(A→B)，则根据列车运行位置及其对应时段的电气量控制需求，可将系统工作过程大致划分为如下5个步骤。通过控制K₁～K₃的开闭操作来模拟电路拓扑的实时切换，可得到5个步骤对应的所对应的PC耦合关系及系统的阻感等效电路如图5所示，其中，靠近u_ab侧的虚线框代表辅助变流器的供电回路，靠近u_A的虚线框代表供电臂A的供电回路，靠近u_B的虚线框代表供电臂B的供电回路。

(1)Step1：预并网阶段。结合图3、4分析，当列车即将进入NS之前(P₁)，QF₁闭合，QF₂断开并保持该状态，为抑制PC并网时刻(P_{A_in})由于电压残差所导致的暂态冲击，需控制辅助变流器的输出电压以保证u与u_A相匹配(幅、相)。闭合K₁，K₂，断开K₃，即可得到预并网阶段的等效电路如图5)所示，此阶段内，机车由供电臂A独立供电(P_A＝P_L，Q_A＝Q_L，P_A为供电臂A的有功功率，Q_A为供电臂A的无功功率，P_L为列车负载的有功功率，Q_L为列车负载的无功功率)，辅助变流装置的输出功率约等于0(P_C＝Q_C≈0，P_C为辅助变流装置的输出有功功率，Q_C为辅助变流装置的输出无功功率)。

(2)Step2：第一次功率调整阶段。参见图3，当列车受电弓进入T_A后(P₂)，供电臂与中性段平行悬挂，机车受电弓在此区域内同时跨接两线。为防止PC分离时刻(P_{A_out})由于双线大电流环境所导致的燃弧现象，需控制辅助变流器的输出功率以保证供应能量在供电臂A与NS之间交替转移(由于u被供电臂限制在额定值附近，故能量的转移就体现为电流的变化)。Step2内，驱动辅助变流器的输出功率P跟随给定值P*以斜率k_P线性增大至机车功率额定值，在保持负载端电压不变的前提下，供电臂A的输出功率P_A则会以-k_P的斜率被动减小至接近于0。且机车的额定运行功率在这一能量转移过程中基本保持不变。

(3)Step3：电压预调制阶段。当受电弓进入E_I后(P₃)，QF₁与QF₂伺机切换状态，机车由辅助变流器独立供电。

(4)Step4：第二次功率调整阶段。当受电弓进入T_B后(P₄)，需防止PC分离时刻(P_{B_out})发生燃弧，其供应能量的转移趋势与Step2对称，分析方法同理即可。

(5)Step5：出分相复位阶段。当列车完全驶离NS后(P₅)，QF₁和QF₂均断开，列车由供电臂B独立供电，系统复位，等待下一次过分相操作。

在上述步骤2和步骤4中所使用的控制算法具体为：

单相H桥变流器的输入端为一个与降压变压器匹配的四象限脉冲整流电路，其主要功能是为逆变输入端提供一个稳定的直流源。本发明采用瞬态电流控制算法，基于电压、电流双闭环的前馈控制策略，实现直流侧的稳压输出功能。

1.1并网辅助变流器的瞬时功率控制

1.1.1并网辅助变流器的等效解耦数学模型

EMTP中电气量的非周期变化规律使得传统的平均功率控制算法不再适用于过分相情况，故本发明在瞬态功率控制算法的基础上，结合变压器耦合拓扑结构，提出一种适用于并联四重化逆变电路结构的解耦型瞬态功率改良控制算法，从根本上消除PC分离时产生的燃弧现象。本发明方法将辅助变流器视作一个整体(包含变压器)，则该组合系统的等效电路如图6所示。其中，u_ab为并网辅助变流器的输出电压；L_C和R_C分别代表线路等效电感和电阻；u和i分别代表中性区并网电压和电流。

由KVL可得

设u和i的基波幅值分别为u_m和i_m，

为功率因数角。为便于解耦控制，得到u、i在同步旋转d-q坐标系下的基波分量如下。

u＝u_msin(ω_st) (2)

其中

同理，u_ab可解耦表示为

其中

式中，

为u_ab与并网处电压u的夹角，ω_s为并网电压角频率。

将式(2)、(3)和(5)带入式(1)中，基于微分偏导算法可得

将式(7)中含sin(ω_st))与cos(ω_st)的项分离并化简，可得并网辅助变流系统的解耦数学模型如下。

1.1.2基于变压器等效变换原理的算法优化

在并联结构的辅助变流装置中，算法的控制对象必须具体到每一个单重子模块电路。故基于上一节中以组合变流系统为对象的研究方法，必须进一步考虑匹配变压器对电路结构及控制算法的影响，进而对算法进行相应的修正。值得指出的是，在辅助变流装置内部，各并联子模块的输出电压相等，系统输出总电流为各子模块输出电流之和，且各子模块的控制算法完全一致。故在满足电流叠加倍数n修正的前提下(理想情况下，n等于电路重数)，图6和式(8)所代表的等效电路分析方法和解耦数学模型同样适用于带变压器的单重拓扑电路。

为便于数学分析，需对变压器模块进行等效变换。设变压器一次绕组(N₁)、二次绕组(N₂)的变比为k，E₂`和I<sub>2</sub>`分别为二次侧绕组折算到一次侧的等效电压值和电流值，则应满足如下等效关系

根据折算前后一、二次绕组的铜损不变原则和漏磁、无功损耗不变原则，可分别得到二次绕组的电阻、电抗及阻抗的等效折算关系如下

由折算结果，得到匹配变压器的简化等效电路如图7中的(a)所示。

单重模块的输出端并网模型如图7中(b)所示，为简化分析，本方法仅考虑线路的阻感特性，故电抗值只需分析感性参量即可，图中，L_f、R_f分别代表滤波电路等效阻感。可得如下伏安关系：

结合上述等效原理，可将图7中(b)转换为图7中(c)所示的简化等效电路，其中，u_ab`为算法修正后的逆变输出电压。7中(c)虚线框所包含的变压器等效电路满足如下关系

其中，n为子模块并联重数，用于修正子模块的电流值(本发明中，n＝4)。参考图7中(c)和上一节的分析方法，可建立u_ab`与u_ab的关系如下：

在考虑k和n的基础上，对式(8)所表示的系统级解耦数学模型进行修正，由式(9)～(13)可得修正后的解耦数学模型如下

为方便表示，做如下定义

则可得到基于变压器等效变换原理修正后的并网辅助变流器的解耦数学模型如下：

1.1.3并网辅助变流器的瞬时功率计算

在d-q坐标系中，将d轴定位至u处，则有：

由于单相系统的瞬时功率仅为三相系统的1/3。故可得瞬时有功和无功功率表达式如下

根据控制系统的反馈参数，对i和u的表达式进行简化数学处理，可得

基于式(19)，使用低通滤波器滤除高频成分，即可建立u、i与u_m、i_m的对应关系，从而实现瞬时功率的计算。

将式(16)两端同乘u_m，再结合式(18)可得

为方便表示，做如下定义

将式(21)带入(20)可得

将式(22)转换为PI控制形式如下

其中，K_PP`、K<sub>PI</sub>`和K_QP`、K<sub>QI</sub>`分别代表有功和无功PI调节器的比例和积分系数；P_c*和Q_c*分别代表辅助变流器的输出有功和无功功率给定值。综上分析，可得修正后的并网辅助变流器的瞬时功率控制算法框图如图8所示。

如图8所示，从中性区并网处实时反馈的u、i经瞬时功率模块计算后输出功率反馈值P_c、Q_c和d轴电压基波分量u_m，结合P_c*、Q_c*作为瞬时功率解耦模块的输入。同时，通过引入k和n的变压器等效变换修正模块对解耦算法进行参数修正，得到并网辅助变流器的输出电压解耦调制信号u_abd`和u<sub>abq</sub>`，再通过坐标变换得到SPWM模块在三相坐标系下的调制信号u_A`，进而控制逆变输出，最终实现瞬时功率动态调控的目标。

2试验验证

本节借助MATLAB/Simulink仿真实验平台，通过控制开关逻辑电路动作来模拟过分相等效电路的动态切换过程，并对所提方法进行如下方面的验证：

(1)方法可行性验证；

(2)相较于现有方法的优化效果对比验证；

(3)系统的鲁棒性验证。

电路关键参数设置如表1所示，为简化分析，采用等效阻感负载代替机车负载(7800kW)，载波频率为3.75kHz。

表1自动过分相系统中的关键参数

设列车运行于额定工况，并以160km/h的时速匀速通过总长约为230m的中性区，其中，T_A/B各占75m，E_I为80m，各工作阶段的时序如表2所示。

表2列车地面自动过分相时序

2.1方法可行性验证

基于表1、2中的电路关键参数和列车动态运行时序，参照图5所示的柔性过分相过程(A→B)，可得到各主要电气参数实验结果如图9所示。

如图9中的(a)所示，U_dc在0.1s跃升并快速回落，且全程稳定在1.8kV左右，表明瞬态电流控制算法具有较好的直流稳压能力。

电流交替转移控制及瞬态功率控制结果如图9中的(b)、(c)所示。由于NS并网电压被供电臂钳位在额定值附近，故各模块的输出电流将正比于功率变化。在Step2～Step4内，控制输出功率P跟随给定值P*精确变化，则在辅助变流器输出功率主动调整与供电臂输出功率被动变化的相互配合下，过渡区并网电流(供应能量)将在两相邻供电臂A/B与NS之间实现了平滑的动态交替转移，从图9(b)中可以看出，在2.2s和5.7s所对应的两次PC分离时刻(P_{A_out}和P_{B_out})，辅助变流器与供电臂A/B之间的输出电流差值ΔPC_1st/2st均与负载电流额定值相近，表明此时平行线路中必有其一的电流接近于0，而非双线大电流环境，因而可有效消除PC带电分离时刻的燃弧问题，抑制因电流突变而引发的暂态电流冲击影响。

2.2性能优化效果对比验证

如图10中的(a)所示，在传统的机械开关带电过分相方案中，不包含任何功率转移及电压匹配控制电路，仅采用机械开关组实现供电臂A/B电压的直接切换，故其电流值会随电路拓扑的转换而发生瞬时突变，且不能为PC离合及电压切换过程提供适宜的电气环境，故其不具有EMTP抑制能力，正逐步被调制方案所取代，因而本发明不对该方案做深入分析。

单重拓扑方案受其结构的限制，具有响应速度慢、系统稳定性差以及输出驱动能力不足等局限性。如图10中(b)所示，在控制参数相同的情况下，单重拓扑方案的i及i_A&B调制过程均存在明显的响应滞后(T_Error)和数据波动(跃升、跌落)现象。本节以第二次PC并网时刻(P_{B_in})的i_B波形为例进行EMTP对比分析，从虚线框所包含区段的局部放大图可以看出，本发明所提方法的暂态恢复时间ΔT₁(≈0.41s)仅为单重拓扑方案ΔT₂(≈0.8s)的一半，且暂态波形的畸变程度也明显低于单重方案。

输出驱动能力对比实验结果如图10中(b)和11中(a)所示，单重方案的电流及功率输出能力均不能满足机车负载的额定运行工况(驱动差额Δi与ΔP_S分别占其额定值的11.2％和15.4％)。此外，相较于本发明方法的稳定输出功率，由于调制响应的滞后，单重方案在第二次PC并网时刻还存在输出功率的大幅跌落ΔD_S(≈7600k)和跃升ΔR_S(≈1900k)现象。值得指出的是，本系统的变流模块应用于高频大电流环境，这极大地提高了硬件电路的要求和成本，但从图11中(b)可以看出，在额定工况下，本发明系统中流过各子模块的电流仅为单重方案的1/3(ΔI_{_m}≈7000A)，为额定电流的1/4(1/n，n＝4)。

在EMTP抑制及恢复能力探究的基础上，本发明还借助快速傅里叶算法，从频域分析的角度对NS的供电电能质量进行对比实验。在工频条件下以5个周期为采样区间，通过FFT可得各时段对应的并网电流总谐波畸变率THD如图12中(a)所示。其中的组合式方案即为本发明的系统方案。

在Step1和Step5内，NS并网电流趋近于0，故本发明仅重点分析Step2～Step4时段内的THD值变化情况。从图12(a)可以看出，单重方案的绝大部分THD值均大于组合式方法，从第二次PC并网时刻两类方案的THD值差异也可以看出，本发明所提方法显然具有更优的EMTP抑制能力。在额定工况下，THD值对系统的影响程度会更为显著，故在2.2s～3.9s内，对两类方法的THD值变化情况进行统计分析如图12中(b)所示。可以看出，在额定工况下，组合式方法的THD平均值(2.48％)明显低于单重方案(8.02％)，不到其1/3。

本节实验结果表明，相较于单重拓扑方案，本发明所提方法具有更优的系统响应速度和控制精度，在具有更强负载驱动能力的同时，还大幅降低了变流装置的电流水平。此外，结构及算法优化还有效提升了组合式方案的EMTP抑制及恢复能力，同时大幅提高了中性区的电能质量水平。

2.3系统鲁棒性分析

本节将以供电臂A/B的幅相差、载波频率和机车额定运行功率为研究对象，从线路条件、电路参数和负载水平三个方面对所提方法的鲁棒性进行综合实验验证。

(1)抗电压相位差波动能力。设置u_A初始值为25kV/0°，固定u_B的额定值为26kV，将其相位依次设置为60°、75°、90°和120°，得到不同相位差条件下的电流波形如图13中(a)所示，图中仅标注了i，i_A&B按波形变化趋势对应即可。在2.6s之后，不同条件下的电流值出现了细微的分化，但仍能保持较好的调控和动态响应能力。

(2)抗电压幅值差波动能力。同理于(1)的实验方法。设u_A为25kV/0°，固定u_B的相位为60°，将其额定值依次设置为26kV、27kV、28kV和29kV，得到对应实验结果如图13中(b)所示。可以看出，随着电压幅值调制范围的逐渐增大，电流在并网时刻的波动范围也有所增加。但相较于单重拓扑方案中的大幅波动情况，该波动范围并不会对弓网系统造成巨大冲击。上述(1)、(2)节实验结果表明，本发明所提方法适用于具有不同线路条件的列车过分相情况。

(3)抗负载波动能力。保持线路初始条件不变，依次调整机车负载额定功率为7200kW、7800kW、8400kW和9000kW，对应实验结果如图13中(c)所示。在系统稳态输出时，i正比于P的变化；且在能量动态转移过程中，i仍能快速、准确地响应P的变化。实验结果表明，本发明所提方法适用于具有不同负载水平的列车过分相情况。

(4)抗载波频率波动能力。保持线路和负载条件不变，依次改变辅助变流器的载波频率为2kHz、3kHz、3.75kHz和5kHz，对应实验结果如图13中(d)所示。从各波形的高拟合度可以看出，本发明所提方法适用于具有不同载波频率的过分相辅助变流电路。

上述实验结果表明本发明所提方法具有较强的抗线路条件、电路参数和负载水平扰动的能力，能够适用于不同条件下的列车地面自动过分相情形，具有较强的鲁棒性。

本发明的方法及系统，具有如下优点：

(1)首先，通过变压器匹配融合，实现了变流系统的结构拓展及其对应的算法优化改良，可行性实验结果表明本发明所提方法能够从根本上消除燃弧及电压过冲现象，在有效抑制EMTP影响的同时，还保障了负载的额定运行工况，降低了机车的速度损失。

(2)其次，相较于现有的机械开关和单重拓扑方案，本发明所提方法具有更快的系统响应速度和控制精度；具备更强的输出驱动能力(>11％)，在提升整体电路容量的同时，还大幅降低了流过功率器件的电流水平(1/4)；在有效抑制EMTP冲击影响及缩短暂态恢复时间(1/2)的同时，还大幅提升了中性区的供电电能质量(>66％)。

(3)同时，本发明所提方法具有抗线路条件、电路参数和负载水平扰动的能力，能够适用于不同条件下的列车过分相情形，具有较强的鲁棒性。

(4)此外，本发明所提方法突破了现有方法的应用局限性，既解决了机械开关和单重方案的上述问题，又克服了MMC方案高成本和结构复杂的缺陷，在综合性能和经济效益之间达到了较优的平衡。

本发明立足于供电装置结构改良和算法优化两个方面，提出一种可抑制电磁暂态过程的列车地面自动过分相方法及系统。一方面，采用匹配变压器并联的方法实现变流器的四重化拓展，既克服了单重拓扑存在驱动能力不足的缺陷，又解决了多重模块级联所带来的结构复杂问题。另一方面，通过采用瞬时功率解耦控制算法，实现相邻供电臂与NS之间供应能量的动态、平滑转移，在有效抑制EMTP影响，提高系统电能质量的同时，还保障了车网系统的安全、高效运行。综上，本发明所提方法能够从根本上克服现有方法所存在的诸多缺陷，同时在性能与经济效益之间达到最优的平衡。

Claims (5)

1.一种可抑制电磁暂态过程的列车地面自动过分相方法，其特征是，应用于地面自动过分相系统，所述系统包括用于为列车供电的供电臂A、供电臂B和四重化辅助变流装置，且所述列车由供电臂A驶向供电臂B；所述方法包括：

获取列车的运行位置，所述运行位置包括过渡区和电气隔离区；

根据所述运行位置，确定为所述列车供电的电源，具体为：

当所述列车位于所述过渡区时，根据所述过渡区的电压、电流及所述四重化辅助变流装置的参数，确定所述过渡区内所述四重化辅助变流装置的输出电压解耦调制信号及所述过渡区对应的供电臂的输出电压调制信号，实现所述过渡区对应的供电臂与所述四重化辅助变流装置为所述列车供电时能量的动态、平滑转移；

当所述列车位于所述电气隔离区时，使用所述四重化辅助变流装置为所述列车供电；

所述四重化辅助变流装置包括四组并联的变流单元，每组所述变流单元均包括：一个降压变压器、一个升压变压器和一个单相H桥变流器；

所述单相H桥变流器的输入端与所述降压变压器耦合，输出端与所述升压变压器耦合；

所述确定所述过渡区内所述四重化辅助变流装置的输出电压解耦调制信号，具体为：

根据第二公式确定所述过渡区内所述四重化辅助变流装置的输出电压解耦调制信号，所述第二公式为：

式中，u_abd`和u<sub>abq</sub>`分别为所述四重化辅助变流装置在d轴和q轴的输出电压，K_PP`和K<sub>PI</sub>`分别代表有功PI调节器的比例和积分系数，K_QP`和K<sub>QI</sub>`分别代表无功PI调节器的比例和积分系数；P_c ^*和Q_c ^*分别代表所述四重化辅助变流装置的输出有功功率给定值和输出无功功率给定值，P_c和Q_c分别为所述过渡区的瞬时有功功率和瞬时无功功率，u_ds`和u<sub>qs</sub>`根据第三公式确定，所述第三公式为：

式中，k为升压变压器一次绕组和二次绕组的变比，u_m为所述过渡区的电压的基波幅值，P和Q分别为所述过渡区的瞬时有功功率和所述过渡区的瞬时无功功率，ω_s为所述过渡区的电压角频率，R_eq和L_eq根据第四公式确定，所述第四公式为：

式中，L_c和R_c分别代表所述四重化辅助变流装置的等效电感和等效电阻，L_f和R_f分别代表滤波电路的等效电感和等效电阻，L_s和R_s分别代表过渡区的等效电感和等效电阻，n为子模块并联重数，k为升压变压器一次绕组和二次绕组的变比。

2.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述根据所述过渡区的电压、电流及所述四重化辅助变流装置的参数，确定所述过渡区内所述四重化辅助变流装置的输出电压解耦调制信号及所述过渡区对应的供电臂的输出电压调制信号，具体为：

获取所述过渡区的电压和电流，根据所述电压和电流确定在d-q坐标系下所述过渡区的瞬时有功功率、瞬时无功功率和d轴电压基波分量；

获取所述四重化辅助变流装置的参数，所述参数包括输出有功功率给定值和输出无功功率给定值；

根据所述过渡区的瞬时有功功率、瞬时无功功率、d轴电压基波分量、输出有功功率给定值和输出无功功率给定值确定所述过渡区内所述四重化辅助变流装置的输出电压解耦调制信号；

根据所述四重化辅助变流装置的输出电压解耦调制信号确定所述过渡区对应的供电臂的输出电压调制信号。

3.如权利要求2所述的方法，其特征是，根据所述电压和电流确定在d-q坐标系下所述过渡区的瞬时有功功率、瞬时无功功率和d轴电压基波分量，具体为：

根据第一公式确定在d-q坐标系下所述过渡区的瞬时有功功率、瞬时无功功率，所述第一公式为：

式中，P为所述过渡区的瞬时有功功率，Q为所述过渡区的瞬时无功功率，u_d和u_q分别为所述过渡区的电压u在d轴和q轴的电压分量，i_d和i_q分别为所述过渡区的电流i在d轴和q轴的电流分量。

4.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述过渡区包括位于所述电气隔离区两侧的过渡区A和过渡区B；

相应地，当所述列车位于所述过渡区时，根据所述过渡区的电压、电流及所述四重化辅助变流装置的参数，确定所述过渡区内所述四重化辅助变流装置的输出电压解耦调制信号及所述过渡区对应的供电臂的输出电压调制信号，实现所述过渡区对应的供电臂与所述四重化辅助变流装置为所述列车供电时能量的动态、平滑转移，具体为：

当所述列车位于所述过渡区A时，根据所述过渡区A的电压、电流及所述四重化辅助变流装置的参数，确定所述过渡区A内所述四重化辅助变流装置的输出电压解耦调制信号及所述供电臂A的输出电压调制信号，使所述四重化辅助变流装置逐步取代所述供电臂A为所述列车供电；

当所述列车位于所述过渡区B时，根据所述过渡区B的电压、电流及所述四重化辅助变流装置的参数，确定所述过渡区B内所述四重化辅助变流装置的输出电压解耦调制信号及所述供电臂B的输出电压调制信号，使得所述供电臂B逐步取代所述四重化辅助变流装置为所述列车供电。

5.一种可抑制电磁暂态过程的列车地面自动过分相系统，其特征是，所述系统包括：

地面位置识别单元，所述地面位置识别单元用于获取列车的运行位置，并将所述列车的运行位置发送至功率调节单元，所述运行位置包括过渡区A、电气隔离区和过渡区B；

功率调节单元，所述功率调节单元包括供电臂A、供电臂B、四重化辅助变流装置和断路器，用于实现相邻供电臂与中性区之间能量的动态、平滑转移；

所述四重化辅助变流装置包括四组并联的变流单元，每组所述变流单元均包括：一个降压变压器、一个升压变压器和一个单相H桥变流器；

所述单相H桥变流器的输入端与所述降压变压器耦合，输出端与所述升压变压器耦合；

所述断路器包括第一断路器和第二断路器，所述第一断路器用于根据所述运行位置进行所述供电臂A与所述四重化辅助变流装置的切换，所述第二断路器用于根据所述运行位置进行所述供电臂B与所述四重化辅助变流装置的切换；

所述功率调节单元的具体工作过程为：

当所述列车位于所述过渡区时，根据所述过渡区的电压、电流及所述四重化辅助变流装置的参数，确定所述过渡区内所述四重化辅助变流装置的输出电压解耦调制信号及所述过渡区对应的供电臂的输出电压调制信号，实现所述过渡区对应的供电臂与所述四重化辅助变流装置为所述列车供电时能量的动态、平滑转移；

当所述列车位于所述电气隔离区时，使用所述四重化辅助变流装置为所述列车供电，并以所述供电臂B的电压为目标，预调制所述四重化辅助变流装置的电压幅值及相位；

所述确定所述过渡区内所述四重化辅助变流装置的输出电压解耦调制信号，具体为：

根据第二公式确定所述过渡区内所述四重化辅助变流装置的输出电压解耦调制信号，所述第二公式为：

式中，u_abd`和u<sub>abq</sub>`分别为所述四重化辅助变流装置在d轴和q轴的输出电压，K_PP`和K<sub>PI</sub>`分别代表有功PI调节器的比例和积分系数，K_QP`和K<sub>QI</sub>`分别代表无功PI调节器的比例和积分系数；P_c*和Q_c ^*分别代表所述四重化辅助变流装置的输出有功功率给定值和输出无功功率给定值，P_c和Q_c分别为所述过渡区的瞬时有功功率和瞬时无功功率，u_ds`和u<sub>qs</sub>`根据第三公式确定，所述第三公式为：

式中，k为升压变压器一次绕组和二次绕组的变比，u_m为所述过渡区的电压的基波幅值，P和Q分别为所述过渡区的瞬时有功功率和所述过渡区的瞬时无功功率，ω_s为所述过渡区的电压角频率，R_eq和L_eq根据第四公式确定，所述第四公式为：

式中，L_c和R_c分别代表所述四重化辅助变流装置的等效电感和等效电阻，L_f和R_f分别代表滤波电路的等效电感和等效电阻，L_s和R_s分别代表过渡区的等效电感和等效电阻，n为子模块并联重数，k为升压变压器一次绕组和二次绕组的变比。

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