高速列车统一dq阻抗模型的建立方法技术

本发明专利技术公开了一种高速列车统一dq阻抗模型的建立方法，建模过程中考虑了所有控制环节的完整结构，得到精确性更高的dq阻抗模型。当瞬态直接电流控制列车与dq解耦控制列车同时并网时，将所建立的模型与既有的dq解耦控制列车的dq阻抗模型并联以得到列车统一阻抗模型。基于该模型，运用广义奈奎斯特判据能够准确分析系统的低频稳定性。

【技术实现步骤摘要】
高速列车统一dq阻抗模型的建立方法
本专利技术应用于电气化铁路中列车与牵引网耦合系统的低频振荡分析领域，属于电力电子器件频域小信号数学模型的建立方法。
技术介绍
近年来我国电气化铁路飞速发展，而由于牵引网络和高速列车中电力电子器件之间的相互作用导致的低频振荡等失稳问题时有发生。针对此问题，频域阻抗法被广泛应用于车网系统低频振荡的分析研究中，其中列车阻抗建模主要取决于网侧变流器的电路结构与控制策略。目前人们只针对单一型号列车并网时的情况进行建模分析，然而，在大量客货混合运行的线路中存在多种型号列车同时并网的情况，不同型号列车的网侧变流器控制策略可能有所不同，主要有dq解耦控制和瞬态直接电流控制两种。不同控制列车阻抗特性的差异及它们之间的相互作用使得车网系统的稳定性分析变得更为复杂，已有的列车阻抗模型不再适用于该情况。
技术实现思路
本专利技术的目的一种高速列车统一dq阻抗模型的建立方法,旨在提供一种在dq域中建立瞬态直接电流控制列车阻抗模型，建模过程中考虑了所有控制环节的完整结构，得到精确性更高的dq阻抗模型。再将其与既有的dq解耦控制列车的dq阻抗模型结合以得到列车统一阻抗模型。基于该模型，当瞬态直接电流控制列车与dq解耦控制列车同时并网时，运用广义奈奎斯特判据能够准确分析系统的低频稳定性。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种高速列车统一dq阻抗模型的建立方法，包括以下步骤：步骤一、设计在dq域下进行阻抗建模的方法：将列车网侧整流器的单相电气状态变量设为α轴分量，并假设虚拟的β轴分量滞后于α轴分量90°，由此得到αβ分量后再利用Park变化实现dq分解；步骤二、建立瞬态直接电流控制的网侧整流器dq阻抗模型：将牵引传动系统中的牵引逆变器和交流电动机等效为负载电阻，只对网侧整流器进行详细建模；运用步骤一中的转换式，将瞬态直接电流控制的网侧整流器的主电路及控制部分的状态方程转换至dq域下，并进行小信号线性化和拉普拉斯变换；之后，联立各式并整理得到dq域下的等效闭环小信号阻抗模型上标TDCC代表瞬态直接电流控制，其描述了整流器网侧输入电压和输入电流之间的关系，以二阶矩阵形式表达为：式中，Δud、Δuq分别为整流器网侧输入电压小信号扰动量的d轴和q轴分量；Δid、Δiq分别为整流器网侧输入电流小信号扰动量的d轴和q轴分量；分别为瞬态直接电流控制的网侧整流器阻抗模型的dd轴、dq轴、qd轴和qq轴分量；步骤三、高速列车结构的简化等效：将若干瞬态直接电流控制的网侧整流器阻抗并联，并转换至车载变压器一次侧，等效得到单台瞬态直接电流控制列车阻抗模型同理，基于既有的dq解耦控制的网侧整流器阻抗上标DQDC代表dq解耦控制，进行等效并联并转换至车载变压器一次侧，得到单台dq解耦控制列车阻抗模型步骤四、建立dq域下的列车统一阻抗模型：当瞬态直接电流控制列车和dq解耦控制列车同时处于公共连接点并网升弓时，将两者的等效阻抗并联构成列车统一阻抗模型ZT：式中，m为瞬态直接电流控制列车的数量，n为dq解耦控制列车的数量。与现有技术相比,本专利技术的有益效果是：1、本专利技术在dq域中建立的瞬态直接电流控制整流器阻抗模型的正确性经实验验证，并说明本专利技术列车统一阻抗模型的实用性：即当瞬态直接电流控制列车与dq解耦控制列车同时并网时，运用广义奈奎斯特判据能有效判断和准确分析该系统在低轻振荡下的稳定性。2、与现有模型相比，本专利技术的突破与优势是：针对客货混运线路，本专利技术在dq域下建立考虑了所有控制环节的瞬态直接电流控制列车精确阻抗模型，其形式与所在域与dq解耦控制列车阻抗模型相统一，因此可将两者并联构成列车统一阻抗模型，进而能够在多种控制类型列车同时并网的情况下分析系统的低频稳定性。附图说明图1列车牵引传动结构图。图2列车网侧整流器主电路及控制结构框图。图3瞬态直接电流控制中的带通滤波器(BPF)及锁相环(PLL)结构图。图4瞬态直接电流控制中的电压环(VC)结构图。图5瞬态直接电流控制中的电流环(CC)结构图。图6列车统一阻抗模型示意图。图7瞬态直接电流控制整流器的dq阻抗理论模型与仿真扫频对比图。图8车网系统等效级联模型图。图9实施案例中系统的奈奎斯特曲线图。图10实施案例中系统的MATLAB/Simulink仿真波形。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术的实施步骤做进一步的详细说明。步骤一、设计在dq域中进行阻抗建模的方法。将列车网侧整流器的单相电气状态变量，例如网侧单相交流电压un、网侧单相交流电流in和开关状态量dn等设为α轴分量，并虚拟相应的β轴分量，使其滞后于α轴分量90°，由此得到αβ分量后再利用Park变化实现dq分解。其中令网侧电压un为正弦交流量，在Park变换矩阵中引入-90°的旋转角以确保d轴分量等于交流电量的幅值，有：式中，x代表对应的电气状态变量；θ＝ωt，θ为基频同步旋转角；ω为基频旋转角频率。步骤二、建立瞬态直接电流控制的网侧整流器dq阻抗模型。瞬态直接电流控制列车的牵引传动结构如图1所示。基于低频振荡发生在列车升弓整备工况下，直流侧功率较小的特点，将牵引传动系统中的牵引逆变器和交流电动机等效为负载电阻，只对网侧整流器进行详细建模。运用式(1)，将瞬态直接电流控制的网侧整流器的主电路及控制部分的状态方程转换至dq域中，进行小信号线性化和拉普拉斯变换从而建立dq阻抗模型，其中控制部分包含带通滤波器、锁相环、电压环、电流环及PWM。主电路：列车网侧整流器主电路结构如图2所示，列写其状态方程为：式中，un为网侧单相交流电压；in为网侧单相交流电流；udc为整流器直流侧电压；Ln为网侧整流器输入电感；Rn为网侧整流器输入电阻；Rd为直流侧等效负载电阻，Cd为直流侧支撑电容；dn为开关状态量，其值为1表示T1和T4导通、T2和T3关断，为-1则相反。运用步骤一中的方法，将式(2)转换至dq域，并进行小信号线性化处理和拉普拉斯变换，得到整流器的主电路模型为：式中，Δ表示小信号扰动量；以大写字母表示的Ud、Uq、Id、Iq、Dd、Dq等为对应电气量在系统静态工作点处的稳态值。锁相环及带通滤波器模块：其结构如图3所示。带通滤波器的传递函数H为：式中，s为拉普拉斯算子；KuBPF为带通滤波器控制参数；为网侧交流电压un经过滤波后的输出。基于已定义的uα＝un，uβ滞后于uα90°，在αβ坐标系中有：根据拉普拉斯逆变换将式(5)转换至时域后，运用式(1)进行dq变换，再转换回频域为：基于图3中锁相环的结构列写表达式，进行小信号线性化并结合式(1)转换至dq域为：式中，KpPLL和KiPLL为锁相环中PI控制器的比例参数和积分参数。电压环：其结构如图4所示。在单位功率因数的工况下，电压环的输出视本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高速列车统一dq阻抗模型的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤一、设计在dq域下进行阻抗建模的方法：将列车网侧整流器的单相电气状态变量设为α轴分量，并假设虚拟的β轴分量滞后于α轴分量90°，由此得到αβ分量后再利用Park变化实现dq分解；/n步骤二、建立瞬态直接电流控制的网侧整流器dq阻抗模型：将牵引传动系统中的牵引逆变器和交流电动机等效为负载电阻，只对网侧整流器进行详细建模；运用步骤一中的转换式，将瞬态直接电流控制的网侧整流器的主电路及控制部分的状态方程转换至dq域下，并进行小信号线性化和拉普拉斯变换；之后,联立各式并整理得到dq域下的等效闭环小信号阻抗模型

【技术特征摘要】
1.一种高速列车统一dq阻抗模型的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、设计在dq域下进行阻抗建模的方法：将列车网侧整流器的单相电气状态变量设为α轴分量，并假设虚拟的β轴分量滞后于α轴分量90°，由此得到αβ分量后再利用Park变化实现dq分解；
步骤二、建立瞬态直接电流控制的网侧整流器dq阻抗模型：将牵引传动系统中的牵引逆变器和交流电动机等效为负载电阻，只对网侧整流器进行详细建模；运用步骤一中的转换式，将瞬态直接电流控制的网侧整流器的主电路及控制部分的状态方程转换至dq域下，并进行小信号线性化和拉普拉斯变换；之后,联立各式并整理得到dq域下的等效闭环小信号阻抗模型上标TDCC代表瞬态直接电流控制，其描述了整流器网侧输入电压和输入电流之间的关系，以二阶矩阵形式表达为：



式中，Δud、Δuq分别为整流器网侧输入电压小信号扰动量的d轴和q轴分量；Δid、Δiq分别为整流器网侧输入电流小信号扰动量的d轴和q轴分量；
分别为瞬态直接电流控制的网侧整流器阻抗模型的dd轴、dq轴、qd轴和qq轴分量；
步骤三、高速列车结构的简化等效：将若干瞬态直接电流控制的网侧整流器阻抗并联，并转换至车载变压器一次侧，等效得到单台瞬态直接电流控制列车阻抗模型基于既有的dq解耦控制的网侧整流器阻抗上标DQDC代表dq解耦控制，进行等效并联并转换至车载变压器一次侧，得到单台dq解耦控制列车阻抗模型
步骤四、建立dq域下的列车统一阻抗模型：当瞬态直接电流控制列车和dq解耦控制列车同时处于公共连接点并网升弓时，将两者的等效阻抗并联构成列车统一阻抗模型ZT：



式中，m为瞬态直接电流控制列车的数量，n为dq解耦控制列车的数量。


2.根据权利要求1所述高速列车统一dq阻抗模型的建立方法，其特征在于，所述单相电气状态变量为：网侧单相交流电压un、网侧单相交流电流in和开关状态量dn；
令网侧单相交流电压un为正弦交流量，在Park变换矩阵中引入-90°的旋转角以确保d轴分量等于交流电量的幅值，所述转换式(1)为：



式中，x代表对应的电气状态变量；θ＝ωt，θ为基频同步旋转角；ω为基频旋转角频率。


3.根据权利要求2所述高速列车统一dq阻抗模型的建立方法，其特征在于，所述瞬态直接电流控制的网侧整流器的主电路状态方程为：



式中，un为网侧单相交流电压；in为网侧单相交流电流；udc为整流器直流侧电压；Ln为网侧整流器输入电感；Rn为网侧整流器输入电阻；Rd为直流侧等效负载电阻，Cd为直流侧支撑电容；dn为开关状态量；
运用转换式(1)，将式(2)转换至dq域，并进行小信号线性化处理和拉普拉斯变换，得到整流器的主电路模型为：



式中，Δ表示小信号扰动量；以大写字母表示的Ud、Uq、Id、Iq、Dd、Dq分别为在系统静态工作点处电压、电流和开关量的dq轴稳态初值。
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【专利技术属性】
技术研发人员：孔睿，王晓茹，吕晓琴，丁理杰，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川;51