【DOC】交流传动电力机车车网电压不稳定的原因分析与解决

【DOC】交流传动电力机车车网电压不稳定的原因与解决 交流传动电力机车车网电压不稳定的原因 分析与解决 第33卷第1O期 2011年1O月 铁道 JOURNALOFTHECHINARAILWAYSOCIETY VoL33No.10 October2011 文章编号:1001—8360(2011)10—0025—04 交流传动电力机车车网电压不稳定的原因分析与解决 韩智玲,唐蕾,李伟 (中国铁道科学研究院机车车辆研究所,北京100081) 摘要:交流传动电力机车在运行过程中会出现车网电压不稳定现象.为了分析和解决问,首先通过解析分 析和线性化处理,推导出直流电压环节控制系统闭环传递函数,然后根据小增益原理推导出直流电压环节闭环 系统鲁棒稳定的充分条件,并利用Matlab软件仿真验证理论分析的可靠性,最后提出当系统固有参数不能同时 满足赫尔维茨稳定判据和小增益原理时,不能靠调节参数K解决问题,需要进一步研究解决方法. 关键词:交流传动电力机车;小增益原理;传递函数 中图分类号:U223.63文献标志 码:Adoi:10.3969/j.issn.1001—8360.2011.10.005 CausalAnalysisandResolutionoftheVoltageInstabilitybetween ACDriveElectricLocomotiveandPowerSupplyNetwork HANZhi—ling,TANGLei.LIWei (RollingStockResearchInstitute,ChinaAcademyofRailwaySciences,Beijing100081,China) Abstract:Thereoccursvoltageinstabilitybetweenthelocomotiveandpowersupplynetworknowandthenwhen theACdriveelectriclocomotiveisrunning.Thisproblemistriedtobeanalyzedandresolved.Theclosed—loop transferfunctionoftheDCvoltagelinkcontrolsystemisderivedbyanalyticalanalysisandwiththelinear method.ConditionssufficientforrobuststabilityoftheDCvoltagelinkclose—loopsystemisderivedinaccord— ancewiththesmall—gaintheory.ReliabilityofthetheoreticalanalysisisprovedbysimulationwithSoftware Matlab.Finally,itispointedout,whentheinherentparametersofthesystemcannotsatisfytheHurwitzsta— bilitycriterionandsmall—gaintheorysimultaneously,furtherstudy,shouldbemadeandtheproblemcannotbe solvedbyadjustingparameterK. Keywords:ACdriveelectriclocomotive;small—gaintheory;transferfuncti on 目前在国内,现代交流传动电力机车以其功率因 数高,功率大,牵引力大,可靠性高,维修简便等优势正 在逐渐取代交一直电力机车而得到广泛应用.但是随 着交流传动电力机车使用范围的扩大,也出现了一些 问题.例如,2007年12月,太原铁路局湖东机务段多 台HXD1型电力机车投入运营,6台机车同时运行是 临界点,6台投入运行时出现振荡并持续一段时间后 收敛,当7台机车同时运行时,机车牵引变流器与接触 网发生电压振荡并逐渐加大,致使机车牵引变流器中 收稿日期:2010—10—09;修回日期:201卜O7—25 基金项目:铁道部科技研究开发项目(2006J023一B) 第一作者:韩智玲(1976一),女,河北张家口人,博士研究生. E-mail:hanzhi02@sohu.tom 通讯作者:唐蕾(1978一),女,四川I南充人,博士. E-mail:tanglei@rails.corn.cn 间回路电压过压保护,封锁变流器触发脉冲而使机车 无法正常运行.而此前在国外也出现了类似的情况. 1995年,瑞士苏黎世发生了车网振荡的现象,导致大 面积地区的机车停运,后来调整了控制系统的软件才 使车网恢复了稳定_1].这些现象引起了研究人员的高 度重视,开始致力于原因分析并解决问题. 1车网电压不稳定的原因分析 1.1理论分析 交流传动电力机车的牵引系统主要由牵引变压 器,网侧PWM四象限变流器,中间直流环节,逆变器, 牵引电机组成.将牵引供电系统考虑在内的等效电路 如图l所示. 铁道第33卷 1交流传动电力机车等效电路 图1中,.是变电所牵引供电变压器输出电压 折算到机车变压器副边的电压,是理想电压源;Z是牵 引供电变压器阻抗与到机车输入端口接触网线路阻抗 一 起折算到机车变压器副边的阻抗;Z是机车变压器 的阻抗;i是PWM四象限变流器的输入电流;i是 PWM四象限变流器的输出电流;Va是直流环节的电 压;L:,C组成了二次滤波环节;Ca是直流侧支撑电 容;i表示牵引电机逆变器直流侧的等效电流值. 在一条供电臂下的同一地点有台机车同时运行 时,也就意味着网侧阻抗的电压降是一辆机车的倍, 忽略四象限变流器的损耗,根据四象限变流器的输人 输出功率守恒可得 IJ一(nZ+z)I一+lVdc(1) 其中 73h=Vl.simwt i一Jsin(cot一) ,sL2×sC2+1 sL2×5C2×5Cd+sCd+sC2 Z一R—卜sL Z一R.+sL. 设’一X+?z,其中X为进行线性化处理后的静 态直流分量,?为微变偏移量.对于式(1),令J一 +?j—V一V.+?忽略微变量的高次项,并 且将稳态直流分量和瞬态交流分量分别考虑,经整理 叮分离出微变瞬态模型. Vllne/~k一2(nZ+z)?J===+d?vdc 从而可推得网侧PWM四象限变流器直流侧输出 电压与交流侧电流之间的传递函数为 G一一(2)一一——一 为了使V稳定于参考值V五,需要采用稳定控制 器,我们一般采用PI调节器,那么直流电压环节控制 系统开环传递函数为 G2一一K(+)G(3) 直流电压环节控制系统结构图如图2所示j. 根据图2可以得出直流电压环节控制系统闭环传 递函数为 G.一(4) 图2直流电压环节控制系统结构图 根据式(4)得出控制系统的特征方程为 (2TdL2C2Cd一2KTjLL2( 2KTnILL2C2)S4-(Til.dL2(2+ K丁L2C2—2KnI…LL2C2— 2KTnI…RL2C2—2KnILL2C2— 2KTI’~ RLC)S.+(2丁cd+2丁c一一 2KTnI’~L一2KRL2C2—2KTIL十 KVl.L2C2—2KIRL2C2)S+(KTV一 2KnL一2KI’~L一2KTnIR一 2KTIR+Til.d)S+K(l2,R 2hi”R.)===0(5) 当控制系统满足赫尔维茨稳定判据时,即系统的 特征方程的各项系数为正数,才可以保证系统的稳定 性. 在控制系统满足赫尔维茨稳定判据的前提下,为 了使直流输出电压稳定,可以根据小增益原理进行设 计. 1.2小增益原理 图3不确定控制系统 图3所示是一个不确定控制系统,根据小增益定 理,如果标称系统H(s)和扰动?()都是稳定的,只要 式(6)成立,那么这个反馈系统是稳定的. IH(jw)Zx(jo~)l<l(6) ?Eo,..] 根据小增益定理可推导出在满足赫尔维茨稳定判 据的前提下,直流电压环节闭环系统鲁棒稳定的充分 条件为?6] lGl<1(7) 根据式(1),(2),(3),(7)得出 lG.l一<1(8) 从式(8)可以看出,只有同时运行的机车数量11 和PI调节器的参数K是容易调节的,当变化时,只 要适当调节K即可保证系统的稳定性.而且”和网 侧阻抗L相关,L越大,可同时运行的机车数量71越 小.可见在阻抗较高的牵引供电系统下,在同一供电 臂下,同一地点集中高密度地投入大功率机车,是引起 第10期交流传动电力机车车网电压不稳定的原因分析与解决27 车网振荡的外部原因. 取一380A,L一0.0023H,L.一0.0018H, V,d一I800V,Cd一0.003F,R===0.01Q.当K===1 时,根据式(8)可得出?6,即同时运行的机车数量 不能超过6台,否则,直流电压环节将出现不稳定现 象.如果同时运行的机车数量增加,超过了6台,例如 一 7,可调节K,使K<0.9537即可. 1.3仿真验证 为了证明当变化时,只要适当调节K即可保证 系统的稳定性,下面用MATLAB软件搭建模型进行 仿真验证.模型如图4所示. C 图4仿真模型 LLL?IlltLl?i?”LL-I】ujLJJhJI..【| IqlT-r1rrr-r?吖-lHr}’~TTr+’lF 图5K一1,一6,R.一0.01Q时模型输出电压 从图5可以看出,当K一1,一6时,模型输出电 压能够保持稳定. 图6K一1,一7,R.一0.01n时模型输出电压 从图6可以看出,当K一1,一7时,系统不再稳 定,在很短的时间内,模型输出电压就超过了给定值, 并迅速上升.在实际应用中,必然会引起过压保护. 从图7可以看出,当K一0.9,n一7时,调整K后, 系统重新回到稳定状态.所以可以得出理论分析的结 论是可靠的. 99999929994999699981000 时间/s 图7K一0.9,一7,R.一0.1Q时模型输出电压 2有待解决的问题 当控制系统满足赫尔维茨稳定判据时,调整K的 数值是可以保证当变化时,系统是稳定的.但是根 据式(5)可得出特征方程的常数项为 口4一K(l一2R一2R)(9) 从式(9)可以看出,特征方程常数项的符号和K 无关.如果变化后不能使特征方程常数项为正数, 这时无论怎样调整K值,系统都是不稳定的. 从式(9)还可以看出,和网侧阻抗R.相关,R 越大,可同时运行的机车数量就越小. 若取Vli一970V,.一380A,R一0.068Q,要 保证最多6台机车能够同时运行,同时满足a>0,那 么R.<0.2014Q.如果R>0.2014n,>6,这时 无论怎样调整K值,系统都不能获得稳定. 如果取R===0.01Q,那么?120时,调整K值都 是可以保证系统稳定的. 由上述分析可知,只有系统同时满足赫尔维茨稳 定判据和小增益原理时,当变化时,调整K值是可 以保证系统稳定的,如果不能满足赫尔维茨稳定判据, 其中一种方法是调整系统固有参数,但这种方法实际 操作的难度较大. 3结论 在同一供电臂下同时运行的交流传动电力机车数 量和网侧阻抗能够影响机车运行的稳定性.网侧阻抗 越大,可同时运行的机车数量就越少.一般情况下,调 节PI调节器的参数K可以使车网重新获得稳定,但 当机车数量调整后不能满足赫尔维茨稳定判据时,就 不能应用此方法了.今后可以在外电路和机车上加装 有源滤波器一类的装置来抑制车网电压振荡. 参考文献: r1]ErikMbllerstedt,BoBernhardsson.OutofControlBecause 222ll11 28铁道第33卷 0fHarmonicsAnalysisoftheHarmonicResponseofanIn verterI.ocomotive[J].IEEEControlSystemsMagazine, 2000:70—71. 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S_LJL.S止.S止.SJL 起始年份收录系统名称 l985 1988 199O l992 l994 l995 l996 1998 1999 2000 20O1 2OO5 20O6 2007 《中文科技资料目录一铁路》,”中国铁路文献数据库” 中国科技信息研究所”中国科技论文与引文数据库(CSTPCD)” 中国科学院文献情报中心”中国科学引文数据库(CSCD)” 《中文核心期刊要目总览》铁路运输类核心期刊,中国科技信息研究所重庆分所”中文科技期 刊数据库”(全文) 清华大学”中国学术期刊(光盘版)”(全文),”中国知网(CNKI)”(全文),” 中国学术期刊综 合评价数据库(CAJCED)” 美国信息公司”Eipageone”数据库 中国科协《中国学术期刊文摘》(中文版) 中国科技信息研究所”万方数据电子期刊”(全文) 德国”国际建筑文献数据库(ICONDA)” 美国”剑桥科学文摘(CSA)” 俄罗斯文摘杂志(AJ) 中国台湾华艺中文电子期刊服务数据库(CEPS)(全文) 美国工程信息公司”EiCompendex”数据库 中国科协《中国学术期刊文摘》(英文版)