北京交通大学吴命利等：基于分层控制策略的牵引供电系统谐波阻抗测试装置研究
刘秋降 吴命利 张俊骐 吴丽然 李 静
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.170554
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导语
牵引供电系统高次谐波谐振事故时有发生，严重威胁电气化铁路供电安全。牵引供电谐波阻抗特性对这种高次谐波谐振现象有直接影响，但是通过仿真建模的方法难以准确获得。本文基于直接测量的方法提出一种牵引供电系统谐波阻抗测试装置，应用本测试装置能够准确测量系统谐波阻抗。
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研究背景
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。然而，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，有必要通过测试手段获得牵引供电系统的谐波阻抗特性。本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。
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论文所解决的问题及意义
自交-直-交动车组和电力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，这些谐振案例甚至会造成行车中断的严重后果。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。
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论文的方法及创新点
本文首先分析了测量装置工作原理及功率潮流：测试装置从牵引网中吸收有功功率维持自身损耗和电容电压平衡，并把部分基波功率转换为谐波功率；通过记录测试点的电压、电流数据，利用傅里叶分析等数据处理方法即可得到牵引供电系统不同频率下谐波阻抗。控制系统采用分层控制方法，顶层功率控制、二层谐波控制、三层均压控制其中二层谐波控制如图1所示。
图1 谐波控制环结构
在小功率实验平台对本文提出的牵引供电系统谐波阻抗测试装置及控制策略有效性进行实验验证，实验结果如图2所示，实测与理论计算结果相差3.1%，结果表明应用本谐波阻抗测量装置可以测得系统谐波阻抗。
图2 谐波阻抗频率特性曲线
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结论
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，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。
刘秋降, 吴命利, 张俊骐, 吴丽然, 李静. 基于分层控制策略的牵引供电系统谐波阻抗测试装置[J]. 电工技术学报, 2018, 33(13): 3098-3108.
Liu Qiujiang, Wu Mingli, Zhang Junqi, Wu Liran, Li Jing. Harmonic Impedance Measuring Apparatus of Traction Power Supply System Based on Hierarchical Control Strategy[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(13): 3098-3108.
作 者 简 介
北京交通大学
吴命利 教授，博士生导师，北京交通大学电气工程学院院长，中国铁道学会电气化委员会委员、标准化电气化专业技术委员会委员，全国电压电流等级及频率标准化技术委员会委员，第5届国家安全生产专家组成员。长期从事电气化铁道及城市轨道交通供电、电磁暂态计算与电力系统数字仿真、电能质量测试、评估与治理等领域的研究，取得了一系列创新性成果：建立了电气化铁道长达隧道内的导线-地回路阻抗模型，填补了国内外分析计算方法的空白；提出了电气化铁道牵引网统一链式网络模型，已成为主流的牵引网建模方法；形成了各种接线方式的牵引变压器数学模型，成为了同行研究建模的基础；研发了中性点抽出的SCOTT平衡变压器，已在杭甬客专投入使用；开发了国内外首套牵引供电系统阻抗频率特性测试装置，并完成了国内首次实际线路测试。近些年承担各类科研项目20多项，发表学术论文70多篇，获国家发明专利授权8项，获省部级科技进步奖5项，获第9届詹天佑铁道科学技术奖（青年奖）。
刘秋降 博士研究生，主要研究方向为电气化铁道供电、电力电子在电气化铁道中应用，参与多项国家重点研发计划课题、铁路总公司重点课题。针对电气化铁路中的高次谐波谐振问题，参与了牵引供电系统阻抗频率特性测试装置的研发，负责系统设计、控制策略研究及设备调试，申请国家发明专利2项，发表SCI/EI收录学术论文8篇。