等效机车-牵引网耦合实验平台及其试验方法技术

本发明专利技术公开了一种等效机车‑牵引网耦合实验平台及其试验方法，该实验平台能够重现出铁路现场频繁发生的谐波谐振、谐波不稳定、低频网压振荡等现象，同时能够对机车/牵引网阻抗频率特性进行测试，为解决高铁牵引供电电能质量问题提供技术支持。

Net coupling experiment platform and test method of equivalent traction locomotive

The invention discloses a network coupling experiment platform and test method of equivalent locomotive traction, the experimental platform can reproduce the harmonic resonance and harmonic railway frequent occurrence of instability, low voltage oscillation, and to test the characteristics of locomotive traction / network impedance frequency, in order to solve the high-speed railway traction power supply provide technical support to the quality problem.

【技术实现步骤摘要】

：本专利技术涉及属于轨道交通教学研究设备领域，尤其是车-网耦合实验平台技术。
技术介绍
：截止2015年底，全国铁路营业里程超过12万公里，居世界第二位，其中高速铁路2.0万公里，居世界第一位。高速铁路的迅猛发展开始显著地影响我们的生活。不仅如此，我国高速铁路正走向世界，成为中国“走出去战略”、“一带一路战略”的重要国家名片，保障如此大规模高速铁路的安全稳定运行任务重大。从高速铁路近几年的运营情况来看，铁路现场频繁报道了谐波谐振、谐波不稳定、低频网压振荡等电能质量问题，造成了机车的牵引封锁，保护器、避雷器等高压设备烧毁，谐波电压/电流幅值的持续放大、严重畸变，机车控制环失稳等安全事故，严重影响了供电的可靠性及铁路的安全运行。针对这些铁路现场频繁报道的安全事故，铁科院及相关科研院所、高校开展了大量的测试工作，但目前治理的效果仍不理想，其主要原因包括：①研究聚焦于针对特定测试数据的分析总结，而没有建立统一的车网耦合理论分析模型，使得研究效率低，普适性差，浪费了大量的人力物力。②铁路技术人员在分析事故现象时缺乏有效的理论指导，但另一方面，高校及相关科研单位在理论研究时缺乏实测数据支持。③牵引供电系统结构复杂、电压等级高、运行中断成本高，使得在现场开展相关测试工作及科学研究难度大。因此，建立真实、可信、适用性强的高速铁路车-网耦合的实验平台，不仅完善了牵引供电系统电能质量问题的研究，同时也给高校及相关科研单位提供了形象直观的教学实验平台，具有十分重要的意义。
技术实现思路
：本专利技术的目的在于提供一种车-网耦合的实验平台，该实验平台能够重现出铁路现场频繁发生的谐波谐振、谐波不稳定、低频网压振荡等现象，同时能够对机车/牵引网阻抗频率特性进行测试，为解决高铁牵引供电系统的电能质量问题提供技术支持。本专利技术的技术方案是：一种车-网耦合的实验平台，其特征在于，包括依次连接的交流电源(100)、等效牵引变压器(200)、等效牵引网(300)和等效机车(400)；其中，交流电源(100)由开关一S1、开关二S2、10V/可变频的扰动电源和220V/50Hz公共电网电源构成，220V/50Hz公共电网电源与10V/可变频的扰动电源串联，开关一S1控制扰动电源的投切，开关二S2控制整个交流电源(100)的投切，10V/可变频的扰动电源作为激励源在测量机车阻抗频率特性以及牵引网阻抗频率特性时使用；所述的等效牵引变压器(200)是变比可调的单相隔离变压器，其输出端接入到等效牵引网(300)；等效牵引网(300)由可调电阻RS、可调电感LS、可调电容CS1，CS2组成，可调电阻RS与可调电感LS串联，该串联结构两端分别并联可调电容器CS1和CS2，可调电阻和可调电容器共同构成一个谐振频率、谐振峰值、谐振点数目均可调的双峰谐振电路；等效机车(400)由整流器C、连接电感LN、连接电阻RN、支撑电容C1、可调负载电阻Rload、电压传感器TV1、TV2、电流传感器TA1、TA2、信号调理电路、监测与控制模块MC和驱动与保护电路Q构成；其中，连接电感LN和电阻RN串接于等效牵引网(300)与整流器C交流输入端之间；支撑电容C1并联于整流器C直流输出端；可调负载电阻Rload与支撑电容C1并联；电压传感器TV1并联于整流器C交流输入端，用于测量输入等效机车(400)的交流电压；电流传感器TA1串联于等效牵引网(300)与整流器C之间，用于测量流入整流器C的交流电流；电压传感器TV2并联于整流器C直流输出端，用于测量整流器C输出的直流电压；电流传感器TA2串联于整流器C与可调负载电阻Rload之间，用于测量整流器C输出的直流电流；监测与控制模块MC通过信号调理电路测量来自电压传感器TV1、TV2和电流传感器TA1、TA2的电压、电流信号。本专利技术的目的还在于提供一种采用上述平台的实验方法，实现谐波谐振、谐波不稳定、低频网压振荡等牵引供电电能质量问题的重现，其具体手段是：a、调参：调节等效牵引网(300)参数(如电阻RS、电感LS、电容CS1，CS2)与等效机车(400)整流器C控制参数(如：PI控制器、电流环、电压环、锁相环、时间延迟等)于发生谐波谐振(或者谐波不稳定、或者低频网压振荡)现象的理论值附近；b、试验：闭合开关二S2，启动系统，同时通过测试设备同步显示和储存牵引网电压、电流信号，观察是否发生谐波谐振(或者谐波不稳定、或者低频网压振荡)现象。若未出现这些现象，则微调等效牵引网(300)参数和整流器C控制参数，重复试验，直到出现这些现象；c、机车/牵引网阻抗频率特性测试：闭合开关二S2，启动系统，当等效牵引网(300)电压、电流信号稳定后闭合开关一S1，为系统注入幅值为10V，频率可变的扰动源，采集开关一S1闭合前后的电压、电流波形，通过波动量法计算机车/牵引网阻抗频率特性。本专利技术等效机车-牵引网耦合实验平台及其试验方法为车-牵引网耦合实验提供了良好的模拟和分析功能，分析功能为：①谐波谐振分析：实验平台中等效牵引网(300)主要为双峰谐振电路，其谐振频率、谐振幅值、谐振点数目均可调节，为谐波谐振的分析提供了实验环境。②谐波不稳定分析：通过调节等效牵引网(300)参数(如电阻RS、电感LS、电容CS1，CS2等参数)与等效机车(400)整流器C控制参数(如PI控制器、电流环、电压环、锁相环、时间延迟等参数)，可揭示谐波不稳定问题的产生机理与影响规律。③低频网压振荡分析：实验平台中等效牵引网(300)阻抗、等效机车(400)阻抗均可调节，为低频网压振荡的分析提供了实验环境。④机车/牵引网阻抗频率特性测试：实验平台中交流电源(100)模块加入了10V/可变频的扰动电源，通过改变该扰动电源的输出频率，可以求出不同频率下对应的机车的输入阻抗特性和牵引网的输出阻抗特性。附图说明图1为车-网耦合实验平台构成原理图。图2为驱动与保护电路Q的实施例电路图。图3为交流电压、电流信号调理电路。图4为直流电压、电流信号调理电路。图5为控制模块MC的控制框图。具体实施方式下面结合附图及实施例，详细描述本专利技术的技术方案。该测试装置的构成原理如图1所示，它由交流电源(100)、等效牵引变压器(200)、等效牵引网(300)和等效机车(400)构成。其中，所述的交流电源(100)由开关一S1、开关二S2、10V/可变频的扰动电源和220V/50Hz公共电网电源构成，220V/50Hz公共电网电源与10V/可变频的扰动电源串联，开关一S1控制扰动电源的投切，开关二S2控制整个交流电源(100)的投切；所述的等效牵引变压器(200)是变比可调的单相隔离变压器(注：变压器变比可以根据实际需求变化)；所述的等效牵引网(300)由可调电阻RS、可调电感LS、可调电容CS1，CS2组成，可调电阻RS与可调电感LS串联，该串联结构两端分别并联可调电容器CS1，CS2。元件RS，LS，CS1，CS2共同构成一个谐振频率、谐振峰值、谐振点数目均可调的双峰谐振电路；所述的等效机车(400)由整流器C、连接电感LN、连接电阻RN、支撑电容C1、可调负载电阻Rload、电压传感器TV1、TV2、电流传感器TA1、TA2、信号调理电路、监测与控制模块MC和驱本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种车‑网耦合的实验平台，其特征在于，由交流电源(100)、等效牵引变压器(200)、等效牵引网(300)和等效机车(400)构成；其中，交流电源(100)通过开关一S1、开关二S2向等效牵引变压器(200)的输入端选择性提供包含或者不包含10V/可变频扰动电源的220V/50Hz公共电网电源，220V/50Hz公共电网电源与10V/可变频的扰动电源串联，开关一S1控制扰动电源的投切，开关二S2控制整个交流电源(100)的投切，10V/可变频的扰动电源作为激励源在测量机车阻抗频率特性以及牵引网阻抗频率特性时使用；所述的等效牵引变压器(200)是变比可调的单相隔离变压器，其输出端接入到等效牵引网(300)；等效牵引网(300)由可调电阻RS、可调电感LS、可调电容CS1，CS2组成，可调电阻RS与可调电感LS串联，该串联结构两端分别并联可调电容器CS1和CS2，可调电阻和可调电容器共同构成一个谐振频率、谐振峰值、谐振点数目均可调的双峰谐振电路；等效机车(400)由整流器C、连接电感LN、连接电阻RN、支撑电容C1、可调负载电阻Rload、电压传感器TV1、TV2、电流传感器TA1、TA2、信号调理电路、监测与控制模块MC和驱动与保护电路Q构成；其中，连接电感LN和电阻RN串接于等效牵引网(300)与整流器C交流输入端之间；支撑电容C1并联于整流器C直流输出端；可调负载电阻Rload与支撑电容C1并联；电压传感器TV1并联于整流器C交流输入端，用于测量输入等效机车(400)的交流电压；电流传感器TA1串联于等效牵引网(300)与整流器C之间，用于测量流入整流器C的交流电流；电压传感器TV2并联于整流器C直流输出端，用于测量整流器C输出的直流电压；电流传感器TA2串联于整流器C与可调负载电阻Rload之间，用于测量整流器C输出的直流电流；监测与控制模块MC通过信号调理电路测量来自电压传感器TV1、TV2和电流传感器TA1、TA2的电压、电流信号。...

【技术特征摘要】
1.一种车-网耦合的实验平台，其特征在于，由交流电源(100)、等效牵引变压器(200)、等效牵引网(300)和等效机车(400)构成；其中，交流电源(100)通过开关一S1、开关二S2向等效牵引变压器(200)的输入端选择性提供包含或者不包含10V/可变频扰动电源的220V/50Hz公共电网电源，220V/50Hz公共电网电源与10V/可变频的扰动电源串联，开关一S1控制扰动电源的投切，开关二S2控制整个交流电源(100)的投切，10V/可变频的扰动电源作为激励源在测量机车阻抗频率特性以及牵引网阻抗频率特性时使用；所述的等效牵引变压器(200)是变比可调的单相隔离变压器，其输出端接入到等效牵引网(300)；等效牵引网(300)由可调电阻RS、可调电感LS、可调电容CS1，CS2组成，可调电阻RS与可调电感LS串联，该串联结构两端分别并联可调电容器CS1和CS2，可调电阻和可调电容器共同构成一个谐振频率、谐振峰值、谐振点数目均可调的双峰谐振电路；等效机车(400)由整流器C、连接电感LN、连接电阻RN、支撑电容C1、可调负载电阻Rload、电压传感器TV1、TV2、电流传感器TA1、TA2、信号调理电路、监测与控制模块MC和驱动与保护电路Q构成；其中，连接电感LN和电阻RN串接于等效牵引网(300)与整流器C交流输入端之间；支撑电容C1并联于整流器C直流输出端；可调负载电阻Rload与支撑电容C1并联；电压传感器TV1并联于整流器C交流输入端，用于测量输入等效机车(400)的交流电压；电流传感器TA1串联于等效牵引网(300)与整流器C之间，用于测量流入整流器C的交流电流；电压传感器TV2并联于整流器C直流输出端，用于测量整流器C输出的直流电压；电流传感器TA2串联于整流器C与可调负载电阻Rload之间，...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡海涛，陶海东，杨孝伟，朱晓娟，周毅，何正友，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川;51