[发明专利]一种高速铁路车网系统谐波稳定性分析方法

说明书

本发明公开了一种高速铁路车网系统谐波稳定性分析方法，该方法首先建立长距离高速铁路牵引网的双端口网络的数学模型；再基于谐波线性化理论，建立动车组变换器的复频域下的导纳模型；最后基于级联系统的阻抗分析理论求解车网系统闭环稳定性，根据广义奈奎斯特稳定性判据分析车网系统的网侧参数和动车组控制系统的参数稳定性。本发明运用基于谐波线性化理论的阻抗模型，即使非线性车网系统前提下也能运用线性控制理论，使系统模型清晰简洁；基于谐波线性化理论得到高速铁路车网系统的谐波特征，从而对系统进行谐波稳定性分析。

技术领域

本发明涉及轨道交通车网电气关系技术领域，具体为一种高速铁路车网系统谐波稳定性分析方法。

背景技术

近年来，随着电气化铁路的高速发展，大量交直交动车组和电力机车的投入运营，牵引供电系统的非线性负荷不断增多，这就使得高速铁路车网系产生谐波稳定性问题，例如车网低频振荡和谐波谐振等谐波不稳定现象。对于高速铁路车网耦合系统，牵引供电系统是传统电力系统，采用单相交流供电制式，为线性系统；和谐号动车组大量使用电力电子变换器，为典型的非线性系统，并且不同车型变换器的控制策略也不尽相同，这就导致高速铁路车网级联系统是一个十分复杂的非线性电力电子化的电力系统。

对于车网这一单相系统，由于其具有的明显非对称性，构建dq坐标系分量也相对三相系统更为复杂。谐波线性化的方法是将时域小信号分量变换到频域，研究一种频谱系数关系的方法。Cespedes等人采用谐波线性化的方法，将dq控制下的三相逆变器的阻抗模型转化成正序、负序两个阻抗模型，最后对导纳给出了较为准确的测量结果。

尽管对于逆变器的阻抗建模研究已十分成熟，但是列车整流器与逆变器仍有很大的区别。主要表现在逆变器的输入侧是直流电源，其信号不会受到扰动，可以认为恒定，在建模中就只需要考虑控制部分的扰动，减少了系统之间的耦合作用；同时，逆变器的控制策略多是仅对电流环进行控制，对于阻抗推导也简化了很多。然而，对于高速铁路动车组变换器系统而言，基本都采用了电流内环、电压外环的双环控制策略，首先控制方法就十分复杂；另外长距离牵引网的引入了强非线性耦合关系；最后，直流侧也多是电阻，直流侧电压也是存在纹波扰动分量，变化的直流电压和控制信号的乘积使得分析更加复杂。

因此，需要一种简化的谐波阻抗建模推导方法，用于系统的稳定性分析。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于谐波线性化理论的高速铁路车网谐波稳定性分析方法，能够将车网这一非线性单相系统转变成线性系统，揭示车网谐波传递特性，大大简化模型的推导过程。技术方案如下：

一种高速铁路车网系统谐波稳定性分析方法，包括以下步骤：

步骤1：建立长距离牵引网的双端口网络阻抗模型：

式中：u_in和u_out分别为长距离牵引网的输入电压和负载端的输出电压；i_in和i_out分别为长距离牵引网的输入电流和负载端的输出电流；Y_s和Y_m分别为长距离牵引网双端口网络的自导纳和互导纳；

长距离牵引网的双端口网络阻抗模型下的开环导纳Y_open和短路导纳Y_short：

利用上述公式，计算长距离牵引网的线路传播系数γ和特征阻抗Z_c：

其中：l为牵引网总长；j为虚数单位；k为任意整数；