一种电气化铁路谐振阻抗重塑装置及控制策略

技术领域

本发明涉及电气化铁路牵引供电技术领域，特别涉及一种基于虚拟电阻的电气化铁路谐振阻抗重塑装置及控制策略。

背景技术

由于电力机车空间有限，一般不会在机车上安装滤波装置，因此电力机车在运行时就不可避免的向系统中注入谐波电流，目前电力机车以交直型和交直交型为主，交直型机车主要产生3、5、7等低次谐波，交直交型机车主要产生50次甚至100次左右的高次谐波，而当谐波电流与电气化铁路牵引供电系统的既有谐振点匹配时，将会发生谐振过电压现象，往往会造成接触网或车顶避雷器烧毁炸裂，牵引变电所照明电器烧损，给行车安全带来严重威胁。目前针对谐振抑制的研究中，国内外学者提出了以无源滤波器和有源滤波器为主的电气化铁路谐振抑制措施，都是从滤除谐波电流出发，一旦谐振频率处的谐波电流没有完全滤除，也将不可避免地引起谐振过电压，若牵引供电系统的既有谐振点消失，则任何频率下的谐波电流都无法导致谐振事故的发生，因此本发明从改变牵引供电系统的阻抗频率特性出发，通过在谐振频率下引入虚拟阻抗，改变电气化铁路系统的阻抗使既有谐振点消失以达到避免谐振事故发生的目的。

发明内容

本发明的目的是提供一种电气化铁路谐振阻抗重塑装置及控制策略，它能有效地解决谐振过电压现象发生的技术问题。

本发明目的是通过以下技术方案来实现的：一种电气化铁路谐振阻抗重塑装置，包括级联H桥型变流器CHC、电抗器L以及测控装置MCD；级联H桥型变流器CHC经电抗器L与牵引变电所TS二次侧的接触线T上任意位置相连；测控装置MCD的测量端分别与级联H桥型变流器CHC的直流侧电容的电压端、牵引网电压端和级联H桥型变流器CHC的交流侧电流端相连，测控装置MCD测量到的电压、电流信号送入控制器CD中，控制器CD的输出信号接入级联H桥型变流器CHC，用来对由于电力机车EL产生的谐波电流引起的牵引网谐振过电压进行实时控制；所述级联H桥型变流器CHC包括n个单相H桥型变流器HC构成，n的大小由绝缘栅双极型晶体管的电压等级和电气化铁路牵引供电系统的供电方式决定，每一个H桥为一个单元，单元之间进行级联，从而实现高电压和多电平输出。

所述的谐振阻抗重塑装置适用于直接供电方式、AT供电方式或任意供电方式下的电气化铁路。

通过谐振阻抗重塑装置形成虚拟电阻并联在牵引网上，以改变电气化铁路既有谐振频率下的阻抗；并利用测控装置MCD对牵引网电压和级联H桥型变流器CHC的交流侧电流信号进行采集，通过分层控制策略使得电气化铁路避免谐振过电压事故的发生，其中控制策略包括三层控制模式，第一层控制模式为全局直流电压控制，第二层控制模式为牵引网谐波电压控制，第三层控制模式为直流电压均衡控制；所述的第一层全局直流电压控制是将各个单元的直流侧电容的电压求均值后与直流侧电容的电压参考值作差，经比例积分控制器调节后与牵引网电压的单位正弦量相乘获得级联H桥型变流器CHC交流侧有功电流的参考值。

一种电气化铁路谐振阻抗重塑装置的控制策略，所述的第二层牵引网谐波电压控制的过程为：首先将采集到的牵引网电压进行快速傅里叶变换，将牵引网电压分解为h

所述的第二层牵引网谐波电压控制过程中涉及的判断模块获取谐振电压信号的幅值的具体步骤为：判断各次谐波电压幅值是否大于等于谐波电压设定值，若是，则输出对应谐波电压幅值；若否，则输出0；所述谐波电压设定值需根据牵引网谐波电压阈值进行确定。

所述的第二层牵引网谐波电压控制过程中涉及的虚拟电阻采用自适应形式，首先计算判断模块输出的各次谐振电压分量的均方根，将均方根与谐波电压设定值作差后送入比例积分控制器，最后经过限幅函数得到虚拟电阻的倒数，其中，将虚拟电阻的倒数限制在范围[y

所述的第三层直流电压均衡控制采用调制波重构的形式，将级联H桥型变流器CHC的交流侧电流与它的幅值相除作为调节信号，将直流侧电压均值分别与第1至第n-1单元的直流侧电压作差后送入比例积分控制器，将比例积分控制器的输出与调节信号相乘后的结果作为第1至第n-1单元的调制波微调量，然后取前n-1个单元的调制波微调量之和的相反数作为第n个单元的调制波微调量，最后将第二层牵引网谐波电压控制得到的原调制波分别与各个单元的调制波微调量叠加，作为每个单元的新调制波送入脉冲宽度调制模块PWM。与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、本发明可以改变电气化铁路牵引供电系统谐振点处的阻抗，从根本上避免了谐振过电压现象的发生。

二、本发明仅针对谐振点处的电压进行控制，对于基波电压、电流不产生任何影响。

三、本发明可以根据牵引供电系统运行状态(机车型号的改变、电源运行方式改变等)，通过调节控制器参数，实现对不同运行方式下牵引供电系统的谐振点阻抗重塑。

附图说明

图1是本发明实施例一中所述的电气化铁路谐振阻抗重塑装置并入牵引供电系统的拓扑结构示意图。

图2是本发明实施例二中所述的谐振阻抗重塑装置的级联H桥型变流器与电抗器的结构示意图。

图3是本发明实施例三中所述的谐振阻抗重塑装置的整体控制策略原理图。

具体实施方式

为了更好理解本发明的创造思想，在此简要说明本发明的工作原理：为使电气化铁路牵引供电系统避免谐振过电压事故的发生，通过在牵引网上并联谐振阻抗重塑装置，对牵引网电压进行控制从而改变牵引供电系统谐振点处的阻抗。下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供了一种电气化铁路谐振阻抗重塑策略装置，包括级联H桥型变流器CHC、电抗器L以及测控装置MCD；级联H桥型变流器CHC经电抗器L与牵引变电所二次侧的接触线T上任意位置相连；测控装置MCD将测量到的级联H桥型变流器CHC的直流侧电容的电压u

实施例二

如图2所示，本发明实施例提供了一种级联H桥型变流器的拓扑结构示意图，级联H桥型变流器CHC由n个单相H桥型变流器HC构成(HC

实施例三

如图3所示，基于一种电气化铁路谐振阻抗重塑装置，提出一种谐振阻抗重塑装置的控制策略：测控装置MCD对牵引网电压和级联H桥型变流器CHC的交流侧电流进行采集，并通过控制策略使得电气化铁路避免谐振过电压事故的发生，其中控制策略包括三层控制模式，第一层控制模式为全局直流电压控制，第二层控制模式为牵引网谐波电压控制，第三层控制模式为直流电压均衡控制。

第一层全局直流电压控制将各个单元的直流侧电容的电压u

第二层牵引网谐波电压控制是将采集的牵引网电压u

所述谐波电压设定值需根据牵引网谐波电压阈值进行确定。所述牵引网谐波电压控制中的虚拟电阻R

第三层直流电压均衡控制采用调制波重构的形式，将级联H桥型变流器CHC的交流侧电流i