考虑锁相环角频率变化的车网系统动态稳定性分析方法技术方案

本发明专利技术公开了一种考虑锁相环角频率变化的车网系统动态稳定性分析方法，具体为：首先，通过简化后的等效电路建立车网系统电路部分的状态方程。然后通过对锁相环中的角频率以及控制器中的时间延迟进行动态方程描述，求得考虑了动态角频率的车网系统时域状态方程模型；其次，根据建立的SSA模型，求得系统的平衡点；进而，通过求解雅克比矩阵，并通过根轨迹法来分析电路参数和控制参数，对车网系统稳定性的影响；然后，通过design

【技术实现步骤摘要】
考虑锁相环角频率变化的车网系统动态稳定性分析方法


[0001]本专利技术属于高速铁路时域状态方程建模领域，具体涉及一种考虑锁相环角频率变化的车网系统动态稳定性分析方法。

技术介绍

[0002]近年来，AC
‑
DC
‑
AC结构的四象限电压源变流器动车组已被广泛采用，通常认为，造成车网系统LFO现象的主要原因是牵引网和动车组之间参数不匹配。为了避免LFO现象的发生，确保系统可靠运行，研究参数对车网系统稳定性的影响十分必要。
[0003]目前，大多文献主要通过建立dq域下的小信号阻抗模型2，对车网系统的稳定性进行分析。尽管此方法在计算的每个步骤中并不困难，但在建模过程中忽略了频率耦合过程，导致其分析结果只在低频段有效，但是在中高频段的分析结果存在误差。文献3采用基于谐波线性化的建模方式，考虑了部分频率的耦合过程，但是忽略了w
p
±
nw1的频率耦合项。在文献4中，基于dq阻抗模型，推导出了αβ阻抗模型，并分析了变换器在整流和逆变两种工作模式之间切换时，各种参数的临界值变化情况。阻抗模型的本质都是对车网系统的输入输出阻抗进行计算，运算过程繁琐复杂。文献5建立了单相整流器的HSS模型，并采用特征值分析了谐波传递函数的动态特性。针对HSS建模过程，所考虑的谐波阶数越高，得到的模型才会越精确。同时值得注意的是，由于单相整流器的不对称性，与三相整流器相比，单相整流器的阻抗建模过程更加困难，计算也更加复杂。
[0004]综上所述：
[0005]1)车网系统的建模方式，大多数采用的是频域中的阻抗模型，建模过程比较复杂。而时域的方程模型研究较少，更没有将锁相环动态变化纳入考虑的精确数学模型对其进行描述。
[0006]2)在进行稳定性分析时，传统的频域分析方法比较复杂，耗时较长。而特征值和design
‑
oriented分析方法则可以更加快速，清晰的展现稳定性分析的结果。
[0007]因此，将时域状态空间建模方法引入车网系统稳定性分析，同时考虑锁相环中的动态角频率，建立精确的数学模型，可以快速且准确的判断参数对系统的影响，提供参数的稳定范围。
[0008]参考文献：
[0009][1]：LIU Zhigang，ZHANG Guinan，LIAO Yicheng.Stability research ofhigh
‑
speed railway EMUs andtraction network cascade system considering impedance matching[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2016，52(5)：4315
‑
4326.
[0010][2]：张桂南，张波，黄金，等.计及网压波动的牵引传动系统间谐波传播机理研究[J].电力自动化设备，2021，41(2)：186
‑
192.
[0011][3]：Zhang Han,Liu Zhigang,Wu Siqi,et al.Input impedance modeling and verification of single
‑
phase voltage source converters based on harmonic linearization[J].IEEE Trans
‑
actions on Power Electronics,2018,34(9):8544
‑
8554.
[0012][4]：HARNEFORS Lennart，YEPES Alejandro G.，Vidal Ana，et al.Passivity
‑
based controller design ofgrid
‑
connected VSCs forprevention ofelectrical resonance instability[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2014，62(2)：702
‑
710.
[0013][5]：WANG Xiongfei，BLAABJERG Frede，LOH Poh Chiang.Passivity
‑
based stability analysis and damping injection for multi
‑
paralleled VSCs with LCL filters[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2017，32(11)：8922
‑
8935.

技术实现思路

[0014]本专利技术旨在针对车网系统的低频振荡现象建立时域状态空间方程，并且将锁相环动态角频率纳入考虑，通过根轨迹和design
‑
oriented方法，分析电路和控制参数对车网系统稳定性的影响，绘制各种参数的稳定范围，为系统的稳定运行提供理论依据。为此提供一种考虑锁相环角频率变化的车网系统动态稳定性分析方法。
[0015]本专利技术的一种考虑锁相环角频率变化的车网系统动态稳定性分析方法，包括以下步骤：
[0016]步骤1：根据简化后的等效电路模型，列出电路部分的状态方程；通过考虑锁相环中角频率的变化和控制中的时间延迟部分，忽略二次耦合频率，构建考虑了动态角频率的车网系统时域状态空间方程模型。
[0017]S11：电路部分的状态方程：
[0018][0019][0020][0021]式中，e
d
和e
q
是dq轴上PCC的电压，i
d
和i
q
是dq坐标系中的电网侧电流。u
dc
表示输出的直流电压。ω
PLL
是PLL的输出角频率。和是电流内环控制器的输出。车载侧的等效电阻和电感分别用R
n
和L
n
表示。C
d
代表直流侧的电容，R
d
代表直流侧的等效电阻。
[0022]S12：PCC节点电压e
n
，在dq解耦并进行坐标转换后的q轴电压分量，e
q
的表达式为：
[0023][0024]其中，L
s
和R
s
分别表示牵引网侧的等效电感和等效电阻，u
sD
、u
sQ
分别表示电源电压u
s
在牵引网侧DQ坐标系中D轴和Q轴的分量；θ表示牵引网侧DQ坐标系与单相整流器侧dq坐标系之间的夹角，其动态方程表达式为dθ/dt＝ω
‑
ω
PLL
；
[0025]S13：锁相环中的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑锁相环角频率变化的车网系统动态稳定性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：根据简化后的等效电路模型，列出电路部分的状态方程；通过考虑锁相环中角频率的变化和控制中的时间延迟部分，忽略二次耦合频率，构建考虑了动态角频率的车网系统时域状态空间方程模型；步骤2：根据建立的时域状态空间方程模型，利用牛顿迭代法求出系统的平衡点；步骤3：求解车网系统的雅克比矩阵，并根据根轨迹来分析电路和控制采纳数对车网系统稳定性的影响；步骤4：在所建模型的基础上，通过design
‑
oriented分析方法，绘制参数的稳定区域；步骤5：在Simulink仿真和硬件在环平台上对理论分析结果进行验证。2.根据权利要求1所述的一种考虑锁相环角频率变化的车网系统动态稳定性分析方法，其特征在于，所述步骤1具体为：S11：电路部分的状态方程：S11：电路部分的状态方程：S11：电路部分的状态方程：式中，e
d
和e
q
是dq轴上PCC的电压，i
d
和i
q
是dq坐标系中的电网侧电流，u
dc
表示输出的直流电压，ω
PLL
是PLL的输出角频率，和是电流内环控制器的输出；车载侧的等效电阻和电感分别用R
n
和L
n
表示，C
d
代表直流侧的电容，R
d
代表直流侧的等效电阻；S12：PCC节点电压e
n
，在dq解耦并进行坐标转换后的q轴电压分量，e
q
的表达式为：其中，L
s
和R
s
分别表示牵引网侧的等效电感和等效电阻，u
sD
、u
sQ
分别表示电源电压u
s
在牵引网侧DQ坐标系中D轴和Q轴的分量；θ表示牵引网侧DQ坐标系与单相整流器侧dq坐标系之间的夹角，其动态方程表达式为dθ/dt＝ω
‑
ω
PLL
；S13：锁相环中的角频率动...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志刚，喻文倩，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：