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基于阻抗分析的高铁的车网震荡问题解析

用户与研究成果简介:

西南交通大学刘志刚教授的科研团队提出了基于谐波线性化(harmonic linearization)的单相并网逆变器阻抗模型,这个新的阻抗模型主要创新点在于考虑了镜像频率的耦合效应(mirror-frequency coupling effects)以及直流电压控制环的影响;研究利用上海远宽的StarSim电力电子小步长实时仿真器进行硬件在环仿真实验,通过实验结果验证所提出的阻抗模型,并把成果总结发表于IEEE Transactions on Power Electronics:


Han Zhang, Zhigang Liu, Siqi Wu, Zhiyuan Li, Input Impedance Modeling and Verification of Single-Phase Voltage Source Converters Based on Harmonic Linearization[J], IEEE Transactions on Power Electronics. In press (DOI 10.1109/TPEL.2018.2883470)


牵引网单相并网逆变器阻抗分析

随着我国高速铁路的飞速发展,大量以电压源型逆变器同电网接口的新型交直交动车组投入使用,牵引供电系统也出现了逆变器同牵引网之间的低频振荡现象,这些低频振荡大多发生在列车升弓整备的时刻(也就是动车刚投入电网的时刻),多高铁站发生过动车组启动时出现低频振荡而引起牵引封锁状况,造成列车无法启动,对高铁的正常运营造成影响。

由于牵引网供电特点,高铁动车组的并网部分为单相并网逆变器,为了抑制和减轻高铁车网低频振荡,有必要对单相并网逆变器做深入的理论分析。动车组的主电路一般由如下几个主要单元,牵引变压器,全控整流桥,直流电容,电机及其逆变器;因为发生低频振荡的时候,列车一般都处于静止的状态,所以在研究低频振荡时,电机及其逆变器暂时可以不考虑,直流母线上只有辅助电源,可用电阻建模,在此研究中,主电路模型如下:

 


上图中Rs、Ls为牵引变压器的等效电阻、电感; SOGI-PLL为(second-order generalized integrator-phase locked loop)的缩写。

实验验证发现,对于如上的单相并网逆变器系统,当注入f1+fp频率的电压扰动时,电流响应中总是同时出现f1+fp和f1-fp的两个频率成分,其中f1为电网基频50Hz,这样关于f1对称的两个频率的电流成分在此定义mirror-frequency signals;镜像频率成分的出现同直流电压的波动(ripple)有关。

 

传统的单相逆变器的阻抗分析一般没有考虑直流电压控制环的影响,以及镜像频率的耦合效应(mirror-frequency coupling effects),西南交大刘志刚团队的阻抗分析的理论模型里则考虑了这些因素,并推导得到了对应的阻抗模型,详细的理论推导详见西南交通大学科研团队发表的文章。


基于小步长实时仿真的阻抗模型验证

通过实验测阻抗一般是用叠加小扰动的方法,即在每个频率测点,在电网电压中叠加一个对应频率的小扰动,然后测得对应频率的电流响应,再根据电压激励和电流响应计算得到这个频率下的阻抗。最后通过扫频的方法重复这个过程把整个频段的阻抗测量得到。这样精确叠加小扰动的实验一般较难在实物系统上实现;纯软件仿真又有控制器不是真实的缺点,或者说较难反应出真实控制器中的延迟和有限精度。由真实控制器与实时仿真器构成硬件在环仿真系统更接近实际情况,同时实时仿真可以精确的控制叠加小扰动的频率和幅度,也可以准确的得到响应电流,是阻抗实验测量的理想方法。


小步长实时仿真对于阻抗测量的重要性

电力电子系统含有高速动作的开关元件,其实时仿真是有一定挑战,通常有两种方法来实现电力电子系统的实时仿真,一种是基于PWM占空比测量的平均值大步长方法,一种是基于细节模型的小步长实时仿真。

基于平均值的大步长(步长通常是几十微秒的量级)实时仿真方法,等效是在一个仿真步长(几十微秒)窗口内对结果进行了平均,这样使得系统的频率响应(frequency response)的不能反应高频部分;同时对于阻抗分析来说,不仅需要幅度响应(magnitude response),其相位响应(phase response)也是非常重要的信息(判断并网逆变器系统是否已经呈现容性阻抗特性等),而平均值方法较大的仿真步长会引入实际物理系统中并不存在的较大的计算延迟,会扭曲系统的相位响应。基于细节模型的小步长(1微秒)仿真则不存在如上这些限制因素,是进行阻抗实验测量的理想实时仿真方法。

上海远宽能源科技有限公司(www.modeling-tech.com)提供的StarSim实时仿真器,基于电力电子器件的细节模型,同时利用最新的FPGA技术,可以实现1微秒步长、任意拓扑、任意工况的电力电子系统实时仿真,被广泛应用于可再生能源、电机驱动系统的实时仿真中;西南交通大学的科研团队就采用了 StarSim 电力电子实时仿真器来进行单相逆变器的阻抗测量实验。

下图是硬件在环实时仿真系统的照片,白色的机箱是运行着单相全控整流桥模型的实时仿真器,其中电力电子系统是利用StarSim Solver在FPGA上按1微秒的步长实时仿真; 绿色板子的是单相全控桥的DSP控制器,DSP控制器和电力电子实时仿真器通过IO通道构成闭环系统。

 


下图是在实时仿真实验平台上通过小扰动测得的实验阻抗与理论分析得到的阻抗的比对,

 


其中蓝色是传统的阻抗理论分析方法得到的阻抗模型的频率响应,红色是西南交大刘志刚教授团队提出的考虑镜像频率耦合效应以及直流电压控制环影响的方法得到的阻抗模型的频率响应,黑色的圈是实时仿真试验测得的阻抗,可以看到红色的曲线和实验阻抗更吻合,也验证了考虑镜像频率耦合效应和直流电压控制环的阻抗建模的准确性和优越性。


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