交流傳動(dòng)電力機(jī)車車網(wǎng)電壓不穩(wěn)定影響因素及處理技術(shù)分析

李永忠

摘 要：交流傳動(dòng)電力機(jī)車的車網(wǎng)電壓在機(jī)車整個(gè)運(yùn)行的過程當(dāng)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)因?yàn)楦鞣N原因而導(dǎo)致的車網(wǎng)電壓不穩(wěn)定的現(xiàn)象發(fā)生；所以我們?yōu)榱四軌蛘嬲乇苊夂徒鉀Q這一系列的問題以及問題形成的因素，首先就需要對(duì)車網(wǎng)電壓的線性化處理過程進(jìn)行分析，只有推導(dǎo)出直流電壓對(duì)系統(tǒng)閉環(huán)控制的有關(guān)函數(shù)，才能根據(jù)小增益原理導(dǎo)出直流電壓環(huán)節(jié)閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的有利條件，并利用軟件仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步地分析推理出可靠的理論依據(jù)，最后進(jìn)行解決方案的研究和實(shí)施。

關(guān)鍵詞：交流傳動(dòng)電力機(jī)車；小增益原理；傳遞函數(shù)

1 車網(wǎng)電壓不穩(wěn)定的原因分析

2007年底，太原鐵路部門引進(jìn)了多輛電力機(jī)車進(jìn)行運(yùn)營(yíng)，由于運(yùn)營(yíng)的電力機(jī)車牽引變流器與接觸傳動(dòng)車網(wǎng)電壓不穩(wěn)定，導(dǎo)致了變流器中間的回路發(fā)生了故障，使得機(jī)車最后被迫停止了運(yùn)行；同樣的情況還發(fā)生在瑞士，由于車網(wǎng)振蕩現(xiàn)象的發(fā)生，導(dǎo)致了電力機(jī)車的大范圍停止運(yùn)行，這一系列的狀況都使得研究人員不得不進(jìn)行高度重視，我們國(guó)家也安排了專門人員投入到車網(wǎng)電壓不穩(wěn)定的影響因素分析和處理的相關(guān)研究中。

1.1 理論分析

交流傳動(dòng)電力機(jī)車一般都由牽引變壓器、網(wǎng)側(cè)PWM四象限變流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器以及牽引電機(jī)組成其自身的重要牽引系統(tǒng)；包含牽引供電機(jī)制的交流傳動(dòng)電力機(jī)車等效電路結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 交流傳動(dòng)電力機(jī)車等效電路

在圖1中，Vlinc表示的是整個(gè)系統(tǒng)的變電器多牽引供電變壓器輸出電壓折算到電力機(jī)車變壓器副邊上的電壓，它也是電力機(jī)車交流傳動(dòng)等效電路系統(tǒng)最為合理的電壓，Zs表示的是牽引供電變壓器的阻抗與電動(dòng)機(jī)車電流輸入端口接觸網(wǎng)線路阻抗的集合，我們可以將這兩種阻抗一起折算到機(jī)車變壓器的副邊阻抗當(dāng)中；而Zt則是代表著電動(dòng)機(jī)車的變壓器的整體阻抗。iac是PWM四象限變流器的輸入電流；idc則表示為PWM四象限變流器的輸出電流；Vdc是表示直流環(huán)節(jié)的具體電壓，而旁邊的L2和C2則在一起組成了二次濾波環(huán)節(jié)，Cd所表示的是直流側(cè)支撐電容，iload表示的是電機(jī)逆變器的直流側(cè)面的等效電流值。由此我們可以得知，在同一條供電臂上的同一處位置，一旦有多臺(tái)機(jī)車一同進(jìn)行啟動(dòng)運(yùn)行，就會(huì)使網(wǎng)側(cè)阻抗的電壓達(dá)到一輛電力機(jī)車的N倍，忽略四象限變流器所產(chǎn)生的損耗不計(jì)，四象限變流器的輸出和輸入功率在多臺(tái)電動(dòng)機(jī)車同時(shí)啟動(dòng)運(yùn)行的過程中，只有在系統(tǒng)整體各項(xiàng)系數(shù)為正數(shù)的時(shí)候，才有可能保證交流傳動(dòng)電力機(jī)車的車網(wǎng)電壓和運(yùn)作系統(tǒng)維持穩(wěn)定性。

1.2 增益原理

基于赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)的前提下，我們?yōu)榱耸怪绷鬏敵鲭妷哼_(dá)到相對(duì)穩(wěn)定，可以適當(dāng)?shù)膶?duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，使之滿足赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)，具體情況可以根據(jù)小增益原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖2所示的就是一個(gè)典型的不確定的控制系統(tǒng)，我們依據(jù)小增益原理可以進(jìn)行假設(shè)，如果標(biāo)稱系統(tǒng)H（s）和擾動(dòng)系統(tǒng)△（s）都是相對(duì)比較穩(wěn)定的，那么只需要

這一公式成立，這個(gè)反饋系統(tǒng)就能在一定程度上達(dá)到穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)了。我們依照小增益定論可以有效的推導(dǎo)出一個(gè)結(jié)論，那就是在小增益定理依據(jù)滿足赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)的情況下，直流電壓環(huán)節(jié)的閉環(huán)系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定的充分條件應(yīng)該為

由此我們可以得到結(jié)論那就是，只有電力機(jī)車的數(shù)量n與Pl調(diào)節(jié)器的參數(shù)k是相對(duì)比較好調(diào)節(jié)的，因此當(dāng)n產(chǎn)生變化的時(shí)候，我們只需要對(duì)k進(jìn)行必要的調(diào)整，就可以有效的保證系統(tǒng)整體運(yùn)行的完整性和穩(wěn)定性。而n與網(wǎng)側(cè)阻抗Ls也有著必然的聯(lián)系，Ls的數(shù)據(jù)值越大，可以一同進(jìn)行運(yùn)作的電力機(jī)車數(shù)量也就是n的數(shù)值就會(huì)越小。所以，在阻抗參數(shù)值較高的牽引供電系統(tǒng)中，同一個(gè)供電臂下聚集大量的高功率電力機(jī)車就是導(dǎo)致車網(wǎng)振蕩的主要誘發(fā)因素。

我們從以上的研究當(dāng)中可以得知，當(dāng)k=0.9且n=7的時(shí)候，我們只需要對(duì)k的參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，就可以使其重新回歸相對(duì)穩(wěn)定安全的狀態(tài)中去。因此我們也就能夠推理出，上述的理論分析和研究是具有可靠性的，當(dāng)控制系統(tǒng)的參數(shù)能夠達(dá)到赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，k的參數(shù)調(diào)整能夠使系統(tǒng)維持穩(wěn)定和安全。n的參數(shù)與網(wǎng)側(cè)的阻抗R是相互對(duì)應(yīng)的，R的參數(shù)越大，能夠同時(shí)進(jìn)行啟動(dòng)和運(yùn)作的電力機(jī)車數(shù)量也就相對(duì)越少，而網(wǎng)側(cè)阻抗參數(shù)R越小，赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)無(wú)法被滿足，這個(gè)時(shí)候，無(wú)論對(duì)k進(jìn)行怎么樣的調(diào)整，系統(tǒng)的運(yùn)行都無(wú)法得到穩(wěn)定，因此，在同一地點(diǎn)絕對(duì)不能夠安設(shè)大量密集的高功率電力機(jī)車，不然就會(huì)成為引發(fā)車網(wǎng)振蕩的外部直接因素。

2 關(guān)于交流傳動(dòng)電力機(jī)車車網(wǎng)電壓不穩(wěn)定因素的研究結(jié)論

根據(jù)以上的論述和分析我們可以得出結(jié)論，當(dāng)系統(tǒng)充分滿足赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)和小增益原理的時(shí)候，盡管n在進(jìn)行變化，只要通過調(diào)整k的數(shù)據(jù)值就可以保證整個(gè)系統(tǒng)維持完整的穩(wěn)定性，如果赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)不能得到滿足，那么我們就只能調(diào)整系統(tǒng)原本參數(shù)這一種辦法來(lái)維持穩(wěn)定了，但這種操作方法的難度系數(shù)非常大，很難輕易地完成。

3 結(jié)束語(yǔ)

交流電力機(jī)車在相同的一條供電臂的供電環(huán)境下，電力機(jī)車的數(shù)量與網(wǎng)側(cè)的阻抗往往能夠直接影響到機(jī)車整體運(yùn)行的穩(wěn)定性和流暢性。網(wǎng)側(cè)阻抗數(shù)值越大，可以同時(shí)進(jìn)行啟動(dòng)和運(yùn)作的電力機(jī)車數(shù)量也就相對(duì)越少，總的來(lái)說(shuō)，在大多數(shù)情況下，我們只需要變動(dòng)Pl調(diào)節(jié)器的數(shù)據(jù)參數(shù)k就能夠讓電力機(jī)車的車網(wǎng)重新穩(wěn)定下來(lái)，而一旦電力機(jī)車的數(shù)量在調(diào)整之后無(wú)法達(dá)到赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)的時(shí)候，就應(yīng)該及時(shí)的停止這一方案的施行。對(duì)于電路和機(jī)車，我們可以為其裝上帶有源濾波器的一系列特殊裝置來(lái)在一定程度上減少車網(wǎng)電壓的振蕩，抑制其不穩(wěn)定的因素發(fā)生。

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