基于ATP-EMTP的牵引网回路对动车组车体接地回路电气耦合作用研究

在高速铁路的运行安全中,车体电压和接地环流是很重要的影响因素。动车组在运行过程中,牵引网回路与车体-接地线-钢轨形成的回路之间存在电气耦合。本文对该电气耦合作用进行研究,推导供电方式下牵引网回路对车体接地回路的电气耦合系数;以CRH380BL型动车组为例,在ATP-EMTP平台上建立车-网耦合模型,建模中用受控源模拟牵引网回路对车体接地回路的电气耦合,并计算各部分模型参数。分别对考虑和不考虑电气耦合的情况开展动车组降弓工况、升弓工况和带载过分相工况的建模仿真,与实测波形进行对比,验证了模型的准确性。通过比较车体电压和接地电流仿真结果,发现该电气耦合作用对车体过电压和接地环流均有一定影响。

CRH3型动车组牵引传动系统可靠性分析

为分析CRH3型动车组(EMU)牵引传动系统可靠性,基于其结构及运行特点,结合图论,从建立系统网络图可靠性模型入手,将系统可用度计算转化为系统网络图模型的连通概率计算。在系统各部件可维修的前提下,考虑部件停工相关性,结合京津城际高速铁路某CRH3型动车组历史运行数据,用蒙特卡罗模拟-元胞自动机(MCS-CA)算法,通过Matlab编程,计算分析系统在正常工作状态和降级(降容)运行状态下的可靠性,并绘制相应的可靠度、可用度随时间变化曲线。结果表明,动车组牵引传动系统受电弓高压进线单元故障率最高,其次是变流单元。

基于PI控制的内燃动车组柴油机恒功率控制技术

柴油机在非恒功率输出时,不仅燃料效率低,而且可能会产生较大的机械应力,导致机械部件的磨损和破坏。为确保内燃动车组柴油机高效运行,基于内燃动车组柴油发电机组恒功率输出的运行模式,文章提出了一种比例-积分控制方法,实现了负载侧牵引系统功率稳定跟随柴油发电机组的输出功率目标值,通过负载侧恒功率运行保障发电机组的恒功率稳定输出,从而提高柴油机燃油经济性。经过仿真及试验测试验证,采用此控制方法,负载功率稳态波动在±2%以内,实现了内燃动车组柴油机恒功率运行及负载功率对目标值的实时跟随。

基于车-网同步测试的牵引变电所馈线保护误动分析

大功率高速动车组密集开行,与牵引供电系统之间引起的车-网耦合匹配问题愈发凸显。牵引供电系统作为高速铁路的唯一动力来源,车-网耦合系统的匹配性直接关系运行安全和质量。采用车-网同步测试方法,研究动车组牵引负荷特性变化规律,分析牵引负荷对牵引变电所馈线出口处等效测量阻抗的影响,探究牵引变电所馈线保护阻抗Ⅰ段误动的原因,为车-网耦合系统优化设计提供重要参考。

高速动车组在直接转矩控制下的机电耦合模型

从牵引角度对高速动车组车辆动力学性能开展多学科研究,建立牵引系统在直接转矩控制(Direct torque control)下动车组运行的机械电气耦合模型。建立动车组的车辆动力学Simpack模型和牵引传动系统的直接转矩控制Matlab/Simulink仿真模型,通过接口模块将2个系统连接起来,从而实现机械电气系统耦合,并且给出仿真算例。研究结果表明:该模型能有效地揭示动车组运行中的机械与电气特征变化情况。

基于自抗扰STATCOM装置的车网耦合系统低频振荡抑制策略

近年来,国内相继发生了多起电气化铁路车网耦合系统低频振荡事件,导致机车牵引传动系统封锁,严重影响了铁路的正常运输秩序。针对该问题,提出了基于STATCOM的牵引网动态无功补偿方案,引入了自抗扰控制(active disturbance rejection control,ADRC)技术对STATCOM的控制性能进行优化,实现了车网低频振荡现象的有效抑制。首先,在dq坐标系下对单相STATCOM进行数学建模分析。其次,考虑到传统的PI(proportional integral)控制方法对系统扰动的敏感性,应用ADRC技术来增强STATCOM的鲁棒性和抗扰能力。基于ADRC理论,结合控制器结构、参数整定和性能特点,设计了适用于STATCOM的一阶非线性ADRC控制器。同PI控制器作对比,验证了ADRC控制器具有更优的控制性能和更好的低频振荡抑制效果。最后,基于实时实验平台重现了车网耦合系统低频振荡现象,并验证了基于ADRC的STATCOM对车网耦合系统中低频振荡现象抑制的有效性。

高速铁路车-网电气耦合匹配特性研究

高速铁路车-网电气耦合匹配特性直接关系到安全、高质和高效运营,具有重要意义。以某高铁线路为例,采用专业电能质量监测设备,对典型区段牵引变电所、AT所和分区所开展供电品质综合测试,同步分析高压侧与馈线侧电压分布、谐波畸变率以及功率因数等变化过程。同时,对新型动车组用电特性进行测试,基于相关标准定量评估牵引供电系统和动车组之间的电气耦合匹配关系,为优化车-网耦合系统相关设计提供重要依据。

列车牵引系统网侧过流故障实时诊断与保护策略研究

目前机车和动车组牵引系统网侧过流故障存在诊断与保护方式单一且无法准确定位具体故障源的问题,因此提出了一种基于决策树模型的实时诊断方法:通过离线分析网侧过流故障的相关信号,得出其故障特征量并建立决策树模型;实时采集运行过程中的信号并计算其故障特征量,基于决策树模型来实现故障的准确定位;根据故障诊断结果采取不同保护策略,以实现故障的最优保护与隔离。现场测试结果表明,该方法简单有效,可实现对故障的实时诊断与最优保护,大幅提升列车可用性和智能化水平。

高速动车组网压中断检测及优化措施研究

随着动车组速度的提升,弓网离线成为一种高速动车组运行时普遍存在且不可避免的现象。弓网离线导致的网压中断问题会影响动车组牵引系统的可靠运行,文章基于某型高速动车组牵引系统,介绍了牵引系统的构成和现行网压中断的保护方案,提出一种针对短暂弓网离线的适应性提升方案,降低短暂弓网离线对牵引系统的影响,提高列车运行效率。地面试验结果和线路运营考核数据均表明,文章提出的弓网离线适应性提升方案效果明显。

CRH1型动车组网侧功率失衡故障原因分析

CRH1型车高压系统的功率作为动车组实时检测的参数,通过有效的方法分析其数值变化可以判断动车组高压系统工作是否正常,提前发现并排除动车组高压系统的故障隐患,保证动车组线上的正常运行。介绍CRH1型动车组高压系统网侧功率的概念并基于其检测的原理,分析CRH1型动车组出现网侧功率失衡故障可能的原因,提出了一种查找CRH1型动车组网侧功率失衡故障的方法,即实时监控高压系统和牵引系统各个模块反馈功率信号,通过功率守恒定律来判断车组报出功率失衡故障的原因。

高速铁路弓网离线在线识别及应对策略

电气化铁路车辆运行过程中,受电弓与接触网之间的短暂分离(即弓网离线)易引发过电流问题,产生安全隐患、影响铁路运营秩序。文章基于既有动车组牵引电传动系统,介绍其主电路结构及网侧整流器的控制方法,分析弓网离线对系统的影响,着重研究弓网离线后恢复接触时产生过电流问题的原因,提出弓网离线在线快速识别及应对策略。文章搭建了包含电弧模型的牵引电传动系统全数字实时仿真模型,首先通过与实测波形对比证明模型的准确性,然后基于该模型验证文中提出的弓网离线在线识别及应对策略。

一种应用于动车组牵引变流器控制的变压器直流偏磁抑制方法

动车组(EMU)牵引供电系统采用25 kV单相牵引变压器从接触网取电,EMU运行过程中的弓网离线、功率器件的非线性特性、硬件电路和控制系统的不对称性等,均会引起直流分量通过电气回路注入车载牵引变压器,引起变压器的直流偏磁。通过将比例-积分-谐振(PIR)控制应用于电流内环控制器,同时实现正弦信号的稳定跟踪和直流分量的抑制。仿真和硬件在环的半实物仿真结果验证了该控制策略的有效性。

一种基于滑模观测器的动车组整流器控制策略研究

为改善车网耦合系统在多工况运行下的直流电压抗干扰能力,提出了一种基于滑模观测器的动车组网侧整流器滑模控制策略(sliding mode control method based on sliding mode observer,SMO+SMC)。首先,通过建立CRH3型动车组在dq坐标系下的数学模型,推导了滑模观测器的设计方程。接着,利用滑模观测器实时观测牵引电机输出功率后间接得到整流器直流侧电流,将滑模观测器的输出提供给滑模控制的外环电压控制模块,实现滑模观测器和滑模控制的结合。最后,将PI、滑模控制和SMO+SMC策略分别应用于CRH3型动车组仿真模型,对多工况下整流侧直流电压控制效果进行分析验证,并基于HIL小步长实时仿真测试平台进行了半实物实验。仿真和实验结果表明,SMO+SMC策略可以提高动车组运行速度改变时的直流电压抗干扰能力和车网耦合运行时网侧电流的稳定性。

动车组滚动轴承非线性动力学特性分析

基于转子动力学和非线性动力学理论,建立了CRH1型动车组滚动轴承-车轴耦合系统非线性动力学模型,采用数值方法分析了不同工况下动车组轴承-车轴耦合系统的动力学响应与非线性特性,得到了加、减速过程中该系统的时域图、轴心轨迹、相图及Poincare映射图。仿真结果表明:动车组在加、减速过程中,轴承-车轴耦合系统处于混沌状态,振动比较剧烈,轴心轨迹表现为一种类随机运动,并且不同速度下系统的振动特性有所差异。

基于自抗扰控制的牵引网网压低频振荡抑制方法

针对高速铁路出现牵引网网压低频振荡导致多个动车所的多台动车组牵引封锁现象,首先建立动车组线侧脉冲整流器状态空间模型;其次对动车组整流器设计了一阶非线性自抗扰控制器(active disturbance rejection control,ADRC)来替换传统的基于线性比例-积分(proportional integral,PI)控制器的瞬态电流控制策略(transient current control strategy,TCCS);随后从设置过渡过程,计算扩张状态观测器等方面展开,将外界扰动和系统内部扰动归算为总扰动,并给出相应的动态非线性补偿;最后,在Matlab/Simulink平台上搭建基于传统PI控制器和基于ADRC控制器的TCCS的双重化整流器模型,对比分析后得出ADRC控制具有更强的鲁棒性结论。为进一步验证ADRC控制效果,还将该仿真模型接入牵引网系统链式仿真模型中,发现该控制策略在具有较强鲁棒性和对参数不敏感性的同时,对牵引网网压低频振荡过电压有着较好的抑制效果。

基于滑模控制的牵引网网压低频振荡抑制方法

针对高速铁路牵引网低频振荡造成动车组牵引封锁的现象,提出了一种基于滑模控制的动车组网侧整流器控制策略。首先,推导了CRH5型动车组网侧单相整流器在dq旋转坐标系下的状态空间数学模型;其次,详细论述了控制策略原理和设计过程,包括外环电压滑模面与内环电流控制率的求取;最后,在Matlab/Simulink与RT-LAB平台上搭建了基于滑模控制器的双重化仿真模型,并与传统线性比例积分（proportional integral,PI）控制策略以及两种对比于PI控制响应性能更好的新型控制策略：基于互联和阻尼分配的无源控制（无源控制）和基于模型的预测电流控制控制（预测控制）的仿真试验效果进行了比较,结果证明滑模控制具有更好的动、静态特性。为进一步验证滑模控制对低频振荡的抑制效果,搭建了基于滑模控制与PI控制的多车接入的车网耦合系统仿真模型,仿真结果证明滑模控制可以有效地抑制低频振荡的发生。

基于Matlab/Simulink的牵引供电系统能耗分布规律分析

针对高速列车模型,研究了牵引传动系统控制策略,在此基础上基于Matlab/Simulink软件建立了详细的车-网耦合仿真模型,并对整个车-网系统的能量分布规律进行了分析。结果表明,牵引变电所和牵引网的能量损耗约占总能耗的2.5%,牵引传动系统所消耗的能量约90%可以转化为牵引电机动能,再生制动能量占比约15%并反馈给牵引网。本文还对能耗分布规律进行了影响因素分析,并提出了一些节能建议。