基于分层控制策略的牵引供电系统谐波阻抗测试装置

摘要

北京交通大学电气工程学院的研究人员刘秋降、吴命利等，在2018年第13期《电工技术学报》上撰文，提出一种单相级联H桥结构的牵引供电系统谐波阻抗测试装置，采用干预式法向牵引网中注入频率和幅值可控的谐波电流以测量谐波阻抗。建立了测试装置与牵引供电系统之间的功率潮流关系，分析了其工作原理。

控制系统采用分层控制策略：顶层功率控制用于从牵引供电系统中吸收有功平衡自身损耗；二层谐波控制用于产生谐波电流；三层均压控制用于均衡各H桥变流器电容电压。对控制策略进行了理论分析和仿真研究，最后在小功率实验平台上进行实验验证，结果表明应用该测试装置能够准确测量系统谐波阻抗。

自交-直-交动车组和电力机车（以下统称为机车）在我国投运以来，高次谐波电流引发的牵引供电系统与机车谐波谐振现象时有发生，如2007年京哈线蓟县南供电区段，2009年合武客专，2011年武广客专广州南供电区段，2013年宁岢线秦家庄供电区段等。这些谐振案例或者造成接触网避雷器烧损炸裂，或者造成车顶避雷器烧损、火花间隙击穿，通常都会引起变电所馈线跳闸，造成行车中断的严重后果。

研究表明，这种高次谐波谐振现象属车网电气匹配问题[1-3]，既与机车电流的谐波频谱特性有关，又与牵引供电系统的谐波阻抗频率特性有关，是两者相互作用的结果[4]。因此研究掌握牵引供电系统谐波阻抗特性，弄清牵引供电系统的谐振频率分布，无论对新建铁路的联调联试、新机车投运，还是对既有线运行维护，都具有指导意义。

目前，有关牵引供电系统谐波阻抗的研究主要集中在牵引供电系统谐波传输特性建模方面。研究人员通过状态变量法、多导体传输线理论等方法建立牵引供电系统的仿真模型，从谐振频率、谐波潮流计算、谐振过电压、过电流传输特性等方面分析谐波谐振规律及特性[5-8]。

然而，由于牵引网结构复杂，模型参数很难准确获得；从高压进线向电力系统看的阻抗在谐波频率下无法准确给出，而此部分谐波阻抗对谐振的发生有重要影响。也就是说通过仿真建模的方法难以准确计算牵引供电系统谐波阻抗，因此，有必要通过测试手段获得牵引供电系统的谐波阻抗特性。

考虑电力系统中谐波阻抗测量方法能否应用于牵引供电系统，电力系统中的电容投切法、晶闸管投切法等非线性负载干预式法[9-11]产生的谐波电流，存在频率越高谐波电流的幅值越小的缺点。

基于电压扰动发生器[12]的测量方法需要有额外的直流源，不适用铁道沿线无额外电源的现场条件，而且此结构会与被测的牵引网构成环路，无法获得牵引供电系统的谐波阻抗；基于数据处理算法的非干预式谐波阻抗估算方法，如波动量法、回归法、统计法等[13-16]，由于机车负荷高速移动的特殊性，不能测出从机车向牵引网看进去牵引供电系统等效谐波阻抗，不能直接应用于牵引供电系统谐波阻抗测量。

目前，有关牵引供电系统谐波阻抗测量方法的研究尚处于起步阶段，无系统性技术方案。

本文提出一种单相级联H桥结构[17,18]的牵引供电系统谐波阻抗测量装置，分析了其基本工作原理，并提出了适用于本谐波阻抗测量装置的分层控制策略，进行了理论分析和仿真研究，最后在实验室小功率平台上进行实验验证。实验结果表明，本测量装置工作可靠，采用分层控制策略能够有效控制系统稳定运行，能发出频率和幅值可调的谐波电流，准确测得系统谐波阻抗。

图1  牵引供电系统谐波阻抗测试示意图

图14  实验平台

结论

本文针对牵引供电系统级联H桥式谐波阻抗测试装置从功率交换的角度对其工作原理进行了分析，提出了分层控制策略，即顶层功率控制、二层谐波控制和三层均压控制，并进行了仿真研究和实验验证。

仿真和实验结果表明所提出的控制策略能够均衡系统各单元模块的电容电压，能够有效向牵引供电系统注入特性频率和幅值的谐波电流，注入的谐波电流为总电流的主要成分，有利于谐波阻抗提高测量和估算精度。本谐波阻抗测试装置的主电路参数优化设计（例如级联数N的取值对要发出的谐波频率范围的影响）是后续工作重点。

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