CN206712472U - 一种基于自适应陷波器的牵引供电系统谐振抑制装置 - Google Patents

Abstract

一种基于自适应陷波器的牵引供电系统谐振抑制装置，通过在机车网侧整流器的控制方法中，加入自适应陷波器，使得振荡频率处的控制指令大大衰减，从而通过机车自身的控制能力，来抑制系统谐振的发生。在不增加额外投入的情况下，保证系统的安全稳定运行。本实用新型通过自适应陷波器对提取并网电流中的低频谐振分量，乘以适当的比例系数衰减后，在从由直流电压调节器得到的并网指令电流当中，减去并网电流中的低频谐振衰减后的分量，从而达到稳定并网电流与网压，抑制振荡的作用，抑制效果好，且不会增加硬件成本，没有额外投入。

Description

一种基于自适应陷波器的牵引供电系统谐振抑制装置

技术领域

本实用新型涉及到一种牵引供电电源的控制装置，具体涉及一种牵引供电系统谐振抑制装置，主要用于牵引供电系统中的谐波控制，以降低谐波对行车安全的影响，属牵供电电源控制技术领域。

背景技术

随着交直交电力传动机车在电气化铁道中的大量使用，牵引供电系统中的谐波特征发生了变化，除了含有3、5、7、9次等低频谐波，高频谐波含量也非常丰富。研究表明，牵引供电系统参数在特定条件下时，可导致相应次数的谐波发生谐振，引起的过电压和过电流危害牵引网设备，影响牵引网的稳定性和安全性。由于系统谐振导致牵引变电所谐波电流严重放大，致使母线电压升高造成事故的案例已有发生。为了避免交直交型电力机车(含动车组)与牵引供电系统之间形成谐波谐振，影响电气化铁路运行安全，有必要在牵引供电系统设计阶段开展谐波谐振特性分析。

我国首次出现次谐振是在2007年太原铁路局湖东机务段，HXD1型电力机车升弓后，网压、网流出现了振荡，直流电压也有振荡，导致机车牵引变流器封锁无法正常运行，严重影响了运输；随后在青岛动车所、上海南翔动车所、徐州等地区先后发生了机车次谐振现象，车型涉及HXD1、HXD2B、HXD3B、CRH1、CHR5等，在国外苏黎世也发生了频率为16.7Hz的振荡，并经过技术人员对控制软件修改后问题得以解决。然而一直以来对这方面的分析研究比较少，这一难题亟待解决。

在实际发生的几次次谐振事故当中，与接入牵引网的机车数目、运行状态都有关系。其共同点是接入的机车都为静止空载状态，牵引逆变器没有工作，仅有辅助逆变器通过网侧变流器供电；机车数量较少时，不会发生次谐振现象，当接入空载机车的数量增加时，系统有可能进入次谐振状态，网压和网流呈现低频波动，机车的直流电压也有振荡。

目前对于车网低次谐振的抑制，主要是通过调度及车辆运行组织方面的措施，避免在同一个供电区间包含多个空载机车，或是通过修改网侧整流器电压控制环节比例系数的方式，来提高牵引供电系统的运行稳定性。但是这些抑制措施都是被动的，效果不是非常理想。也有利用在变电所增加SVG，来改变牵引网的阻抗特性，来抑制系统谐振的发生。该方法有很好的效果，但是无疑要增加额外的投入。而车网振荡现象在我国的多个路局都存在,从行车安全方面来说，车网振荡会导致大量的机车牵引封锁无法正常启动，甚至在车网耦合振荡过程中会出现电压电流波动较大的现象，当电压电流过高时，在机车上会导致高压设备绝缘损坏、电压互感器击穿等事故，在牵引网上会导致接触网烧毁、补偿电容器组爆炸等事故。因此很有必要对此加以进一步研究。

通过检索没发现有与本实用新型相同技术的专利或其它文献报道，与本实用新型有一定关系的专利或费专利文献主要有以下几个：

1、专利号为CN201420525945.0，名称为“应用于城市轨道交通牵引供电系统的谐振抑制电路”的实用新型专利，该专利公开了一种应用于城市轨道交通牵引供电系统的谐振抑制电路，包含两部分：第一部分为在主降压变电站的出线部分加装串联电抗器；第二部分为在直流牵引变电所直流侧1500V或750V正极和负极每一路出线上加装串联电抗器。该电路能够提高城市轨道交通牵引供电系统供电的可靠性和起到良好的谐振抑制作用。

2、专利号为CN201420419628.0， 名称为“一种48V直流供电电源谐振抑制电路”的实用新型专利，该专利公开了一种48V直流供电电源谐振抑制电路，其特征在于，包括：第一电抗器、第二电抗器、48V蓄电池组、N个并联的正极支路电抗器和N个并联的负极支路电抗器；48V高频开关电源直流充电器的正极输出端连接第一电抗器一端，负极输出端连接第二电抗器一端；第一电抗器另一端经N条串接正极支路电抗器的正极支路接入输电网正极；第二电抗器经N条串接负极支路电抗器的负极支路接入输电网负极；48V蓄电池组并接在第一电抗器另一端和第二电抗器另一端之间。

3、作者：朱海貌、夏晓波、黄锐，于2012年12月，在期刊《电力电容器与无功补偿》发表的“串联电抗器抑制谐波的分析”论文，该论文提出了为了抑制谐波的危害，采取一种有效的措施，在电容器回路中串联电抗器，这种方法表明串联电抗器的电抗率不同，抑制谐波的效果也截然不同；该论文分析了电容器缺台运行电容器部分击穿运行对串联电抗器谐波抑制的影响，同时介绍了并联电容器及串联电抗器额定电压选择应匹配才能有效抑制谐波的情况。

上述这些文献虽也涉及到了供电系统的谐振抑制，专利CN201420525945.0，还特别提出了应用于城市轨道交通牵引供电系统的谐振抑制电路，但是仔细分析可以发现，该专利尚只是提出了以串联电抗器的方式来进行谐振抑制，但在实际运用中发现，采用串联电抗器的方式来进行谐振抑制，必须了解电容器接入处电网存在谐波的背景。只有通过实测各次谐波后，才能使用电容器与之串联的电抗器相匹配，如果不匹配还可能导致某次谐波放大，甚至造成谐波谐振，危及电网的安全经济优质运行，所以采用串联电抗器的方式来进行谐振抑制十分麻烦，且串联电抗器的方式对于低次谐振效果不理想，仍有待进一步加以改进。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有牵引供电系统中的谐波抑制所存在的问题，提出一种基于自适应陷波器的牵引供电系统谐振抑制装置，该牵引供电系统谐振抑制装置可以有效抑制低次谐振，提高牵引供电系统的运行稳定性。

为了达到这一目的，本实用新型提供了一种基于自适应陷波器的牵引供电系统谐振抑制装置，包括机车网侧整流器，机车网侧整流器由一个等效电路实施控制，其特征在于，在机车网侧整流器的等效电路控制中，加入有自适应陷波器，通过自适应陷波器抑制系统谐振的发生。

进一步地，所述的自适应陷波器为全通滤波器，全通滤波器的传递函数为公式（1）所示：

传递函数A(z)=( α-β(1+α) z^-1+ z^-2)/(1-β(1+α) z^-1+αz^-2) (1)

其中：

β为频率因子，由陷波器陷波频率确定。

α为带宽因子，由陷波器带宽确定。

z为离散域复变量。

β=cosω, ω为陷波点，根据常发生的谐振问题的分析可以取ω=8-15Hz；

α=[1-tan(BW/2)]/[1+ tan(BW/2)]，BW为具有3dB衰减的陷波带宽，取BW=6-15Hz。所述全通滤波器包括一阶、二阶和三阶全通滤波器。

进一步地，所述的机车网侧整流器的控制采用的直流电压外环与电流内环相结合的双闭环控制方式，其中电流内环釆用了瞬态直接电流控制策略。

进一步地，所述的机车网侧整流器中包含有等效电路，根据等效电路得到网侧整流器采用瞬态电流仿真的相应数学模型为：

（2）

其中：

为网侧电压，电流瞬时值；为网侧滤波电感值，等效电阻值；为网侧电流给定值；为网侧电压角频率；K为电流环比例系数。

式中前两项表示PWM整流器在正常工作时的电压稳态关系，第三项引入了表示网侧输出电流偏差反馈，相当于考虑输出电流误差所带来的电压偏差，用于对输出进行修正，从而获得调制信号,这样可以减小前两项稳态控制中直流侧电压稳定慢、 动态响应差、 对系统参数变化不能很快做出调整等缺点。

进一步地，所述的电压外环采用PI控制器或PID控制器控制；通过将直流侧输出电压与其给定值的偏差信号进行PI调节，得到网压侧电流给定值的幅值,为减轻电压外环PI调节器的负荷，改善PI调节器的动态响应，用直流侧输出功率除以网侧电压有效值来计算给定电流有效分量，并将它和相加，共同作为网侧电流的幅值，在牵引工况下，整流器控制电路所得的网侧电流与网压同相位，对电流内环由于其主要目的就是在确保稳定条件下，加速电流响应；或利用PID控制器将比例、积分和微分（P、I、D）通过线性结合构成了控制量，对电压外环进行控制。

本实用新型的优点在于：

本实用新型通过在机车网侧整流器的等效电路控制中，加入有自适应陷波器，通过自适应陷波器抑制系统谐振的发生。与现有的技术相比，本实用新型的有益效果主要表现在：

1、通过自适应陷波器对提取并网电流中的低频谐振分量，乘以适当的比例系数衰减后，在从由直流电压调节器得到的并网指令电流当中，减去并网电流中的低频谐振衰减后的分量，从而达到稳定并网电流与网压，抑制振荡的作用，抑制效果好；

2、釆用了瞬态直接电流控制策略，控制策略具有实现简单，直流侧电压纹波小，动态响应好以及能够有效抑制二次牵引绕组的谐波含量等优点；

3、在机车侧变流器侧加入包含自适应陷波器的控制策略后后，对网侧电压谐振有一定的抑制作用，变流器并网电流中包含了对谐振频率点附近的阻尼，利用这一特性，系统稳定性大大提高，通过仿真分析，也证明了这一结果；

4、不会增加硬件成本，没有额外投入。

附图说明

图1是本实用新型机车网侧整流器的等效电路示意图；

图2是瞬态电流控制原理图；

图3是本发明瞬态电流控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来进一步阐述本实用新型。

实施例一

附图给出了本实用新型的一个实施例，通过附图可以看出，本实用新型涉及一种基于自适应陷波器的牵引供电系统谐振抑制装置，包括机车网侧整流器，机车网侧整流器由一个等效电路实施控制，其特征在于，在机车网侧整流器的等效电路控制中，加入有自适应陷波器，通过自适应陷波器抑制系统谐振的发生。

所述的自适应陷波器为二阶全通滤波器，二阶全通滤波器的传递函数为公式（1）所示：

传递函数A(z)=( α-β(1+α) z^-1+ z^-2)/(1-β(1+α) z^-1+αz^-2) (1)

其中：

β为频率因子，由陷波器陷波频率确定。

α为带宽因子，由陷波器带宽确定。

z为离散域复变量。

β=cosω, ω为陷波点，根据常发生的谐振问题的分析可以取ω=10Hz；

α=[1-tan(BW/2)]/[1+ tan(BW/2)]，BW为具有3dB衰减的陷波带宽，取BW=10Hz。

所述的机车网侧整流器的控制采用的直流电压外环与电流内环相结合的双闭环控制方式，其中电流内环大多釆用了瞬态直接电流控制策略。

所述的机车网侧整流器中包含有等效电路，根据等效电路得到网侧整流器采用瞬态电流仿真的相应数学模型为：

（2）

其中：

为网侧电压，电流瞬时值；为网侧滤波电感值，等效电阻值；为网侧电流给定值；为网侧电压角频率；K为电流环比例系数。

式中前两项项表示PWM整流器在正常工作时的电压稳态关系（如图1表示），第三项引入了表示网侧输出电流偏差反馈，相当于考虑输出电流误差所带来的电压偏差，用于对输出进行修正，从而获得调制信号,这样可以减小前两项稳态控制中直流侧电压稳定慢、 动态响应差、 对系统参数变化不能很快做出调整等缺点。

图2是本发明瞬态电流控制原理图，从图2可以看出，所述的电压外环采用PI控制器，通过将直流侧输出电压与其给定值的偏差信号进行PI调节，得到网压侧电流给定值的幅值,为减轻电压外环PI调节器的负荷，改善PI调节器的动态响应，用直流侧输出功率除以网侧电压有效值来计算给定电流有效分量，并将它和相加，共同作为网侧电流的幅值，在牵引工况下，整流器控制电路所得的网侧电流与网压同相位，对电流内环由于其主要目的就是在确保稳定条件下，加速电流响应。

本发明在机车网侧变流器控制中增加自适应陷波器，利用自适应陷波器，提取并网电流中的低频谐振分量，乘以适当的比例系数衰减后，在从由直流电压调节器得到的并网指令电流当中，减去并网电流中的低频谐振衰减后的分量，从而达到稳定并网电流与网压，抑制振荡的作用。其原理是使机车输出电流消除谐振频率附近的低频扰动分量，避免机车与牵引网之间出现谐振的情形。增加了自适应陷波器的瞬态电流控制原理图如图3所示。

在机车侧变流器侧加入包含自适应陷波器的控制策略后后，对网侧电压谐振有一定的抑制作用，变流器并网电流中包含了对谐振频率点附近的阻尼，利用这一特性，系统稳定性大大提高，通过仿真分析，也证明了这一结果。

实施例二

实施例二的基本控制原理与实施例一一样，只是结构有所不同，为一种基于自适应陷波器的牵引供电系统谐振抑制装置，包括机车网侧整流器，机车网侧整流器由一个等效电路实施控制，其特征在于，在机车网侧整流器的等效电路控制中，加入有自适应陷波器，通过自适应陷波器抑制系统谐振的发生。

所述的自适应陷波器为一阶全通滤波器，一阶全通滤波器的传递函数为公式（1）所示：

传递函数A(z)=( α-β(1+α) z^-1+ z^-2)/(1-β(1+α) z^-1+αz^-2) (1)

其中：

β为频率因子，由陷波器陷波频率确定。

α为带宽因子，由陷波器带宽确定。

z为离散域复变量。

β=cosω, ω为陷波点，根据常发生的谐振问题的分析可以取ω=15Hz；

α=[1-tan(BW/2)]/[1+ tan(BW/2)]，BW为具有3dB衰减的陷波带宽，取BW=15Hz。

所述的机车网侧整流器的控制采用的直流电压外环与电流内环相结合的双闭环控制方式，其中电流内环大多釆用了瞬态直接电流控制策略。

所述的机车网侧整流器中包含有等效电路，根据等效电路得到网侧整流器采用瞬态电流仿真的相应数学模型为：

（2）

其中：

为网侧电压，电流瞬时值；为网侧滤波电感值，等效电阻值；为网侧电流给定值；为网侧电压角频率；K为电流环比例系数。

式中前两项项表示PWM整流器在正常工作时的电压稳态关系（如图1表示），第三项引入了表示网侧输出电流偏差反馈，相当于考虑输出电流误差所带来的电压偏差，用于对输出进行修正，从而获得调制信号,这样可以减小前两项稳态控制中直流侧电压稳定慢、 动态响应差、 对系统参数变化不能很快做出调整等缺点。

所述的电压外环采用PI控制器，通过将直流侧输出电压与其给定值的偏差信号进行PI调节，得到网压侧电流给定值的幅值,为减轻电压外环PI调节器的负荷，改善PI调节器的动态响应，用直流侧输出功率除以网侧电压有效值来计算给定电流有效分量，并将它和相加，共同作为网侧电流的幅值，在牵引工况下，整流器控制电路所得的网侧电流与网压同相位，对电流内环由于其主要目的就是在确保稳定条件下，加速电流响应。

实施例三

实施例三的基本控制原理与实施例一一样，只是结构有所不同，为一种基于自适应陷波器的牵引供电系统谐振抑制装置，包括机车网侧整流器，机车网侧整流器由一个等效电路实施控制，其特征在于，在机车网侧整流器的等效电路控制中，加入有自适应陷波器，通过自适应陷波器抑制系统谐振的发生。

所述的自适应陷波器为三阶全通滤波器，三阶全通滤波器的传递函数为公式（1）所示：

传递函数A(z)=( α-β(1+α) z-1+ z-2)/(1-β(1+α) z-1+αz-2) (1)

其中：

β为频率因子，由陷波器陷波频率确定。

α为带宽因子，由陷波器带宽确定。

z为离散域复变量。

β=cosω, ω为陷波点，根据常发生的谐振问题的分析可以取ω=8Hz；

α=[1-tan(BW/2)]/[1+ tan(BW/2)]，BW为具有3dB衰减的陷波带宽，取BW=8Hz。

所述的机车网侧整流器的控制采用的直流电压外环与电流内环相结合的双闭环控制方式，其中电流内环大多釆用了瞬态直接电流控制策略。

所述的机车网侧整流器中包含有等效电路，根据等效电路得到网侧整流器采用瞬态电流仿真的相应数学模型为：

（2）

其中：

为网侧电压，电流瞬时值；为网侧滤波电感值，等效电阻值；为网侧电流给定值；为网侧电压角频率；K为电流环比例系数。

式中前两项项表示PWM整流器在正常工作时的电压稳态关系（如图1表示），第三项引入了表示网侧输出电流偏差反馈，相当于考虑输出电流误差所带来的电压偏差，用于对输出进行修正，从而获得调制信号,这样可以减小前两项稳态控制中直流侧电压稳定慢、 动态响应差、 对系统参数变化不能很快做出调整等缺点。

所述的电压外环采用PID控制器，利用PID控制器将比例、积分和微分（P、I、D）通过线性结合构成了控制量，对电压外环进行控制。PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e(t）与输出u(t）的关系为：

u(t)=kp[e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt]式中积分的上下限分别是0和t

传递函数为：G(s)=U(s)/E(s)=kp[1+1/(TI*s)+TD*s]

其中kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。

很显然，上述实施例只是结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的描述；所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的优点在于：

本实用新型通过在机车网侧整流器的等效电路控制中，加入有自适应陷波器，通过自适应陷波器抑制系统谐振的发生。与现有的技术相比，本实用新型的有益效果主要表现在：

1、通过自适应陷波器对提取并网电流中的低频谐振分量，乘以适当的比例系数衰减后，在从由直流电压调节器得到的并网指令电流当中，减去并网电流中的低频谐振衰减后的分量，从而达到稳定并网电流与网压，抑制振荡的作用，抑制效果好；

2、釆用了瞬态直接电流控制策略，控制策略具有实现简单，直流侧电压纹波小，动态响应好以及能够有效抑制二次牵引绕组的谐波含量等优点；

3、在机车侧变流器侧加入包含自适应陷波器的控制策略后，对网侧电压谐振有一定的抑制作用，变流器并网电流中包含了对谐振频率点附近的阻尼，利用这一特性，系统稳定性大大提高，通过仿真分析，也证明了这一结果；

4、不会增加硬件成本，没有额外投入。

Claims (7)

1.一种基于自适应陷波器的牵引供电系统谐振抑制装置，包括机车网侧整流器，机车网侧整流器由一个等效电路实施控制，其特征在于：在机车网侧整流器的等效电路控制中，加入有自适应陷波器，通过自适应陷波器抑制系统谐振的发生。

2.如权利要求1所述的基于自适应陷波器的牵引供电系统谐振抑制装置，其特征在于：所述的自适应陷波器为全通滤波器，全通滤波器的传递函数为公式（1）所示：

传递函数A(z)=( α-β(1+α) z^-1+ z^-2)/(1-β(1+α) z^-1+αz^-2) (1)

其中：

β为频率因子，由陷波器陷波频率确定；

α为带宽因子，由陷波器带宽确定；

z为离散域复变量；

β=cosω, ω为陷波点，根据常发生的谐振问题的分析可以取ω=8-15Hz；

α=[1-tan(BW/2)]/[1+ tan(BW/2)]，BW为具有3dB衰减的陷波带宽，取BW=8-15Hz。

3.如权利要求2所述的基于自适应陷波器的牵引供电系统谐振抑制装置，其特征在于：所述全通滤波器包括一阶、二阶和三阶全通滤波器。

4.如权利要求2所述的基于自适应陷波器的牵引供电系统谐振抑制装置，其特征在于：所述的机车网侧整流器的控制采用的直流电压外环与电流内环相结合的双闭环控制方式，其中电流内环釆用了瞬态直接电流控制策略。

5.如权利要求2所述的基于自适应陷波器的牵引供电系统谐振抑制装置，其特征在于：所述的机车网侧整流器中包含有等效电路，根据等效电路得到网侧整流器采用瞬态电流仿真的相应数学模型为：

（2）

其中：

为网侧电压，电流瞬时值；为网侧滤波电感值，等效电阻值；为网侧电流给定值；为网侧电压角频率；K为电流环比例系数；式中前两项项表示PWM整流器在正常工作时的电压稳态关系，第三项引入了表示网侧输出电流偏差反馈，相当于考虑输出电流误差所带来的电压偏差，用于对输出进行修正，从而获得调制信号,这样可以减小前两项稳态控制中直流侧电压稳定慢、动态响应差、 对系统参数变化不能很快做出调整等缺点。

6.如权利要求4所述的基于自适应陷波器的牵引供电系统谐振抑制装置，其特征在于：所述的电压外环采用PI控制器。

7.如权利要求4所述的基于自适应陷波器的牵引供电系统谐振抑制装置，其特征在于：所述的电压外环采用PID控制器控制。