一种车载式牵引供电系统阻抗频率特性测量装置及其测量方法与流程

本发明涉及电气化轨道交通牵引供电系统阻抗频率特性测量领域，特别是一种车载式牵引供电系统阻抗频率特性测量装置及其测量方法。

背景技术：

我国高速铁路里程已突破2.2万公里，占世界总里程的60％以上，每天发行动车组3961列，耗电量高达全国的1.5％～2％，保障如此大规模高速铁路的安全稳定运行任务重大。其中，牵引供电系统作为高速铁路的动力源泉，良好的供电品质是确保上万公里高铁路网乃至上千对动车组的安全、可靠、高效运营的首要前提。然而，动车组负荷具有快速移动、波动剧烈、非线性、不对称等特性，频繁的大功率交换也造成了牵引供电系统与动车组的不安全因素增加，尤其在较为恶劣的供电环境下(如网压波动、谐波含量高、区域电网容量不足等)，不仅会恶化牵引供电系统的安全运行，还将对动车组控制系统的稳定性产生十分不利影响。自2007年高铁投入运营以来，频繁报道了由谐波谐振及控制器失稳等现象造成的牵引供电系统安全事故，严重威胁电气化高速铁路的发展。

为解决这类由谐波谐振和控制器失稳带来的安全性问题，现有研究大多基于阻抗频率特性进行分析。根据牵引供电系统的阻抗频率特性，可以得到牵引供电系统谐振点，由此可根据具体谐振点加装相应滤波器，抑制谐波谐振现象发生；同时，根据牵引供电系统的阻抗频率特性，结合列车的阻抗频率特性，可分析两者阻抗是否发生不匹配而带来控制器失稳现象。当列车运行时，牵引供电系统的阻抗频率特性时刻变化，为实时对列车所处位置牵引供电系统的阻抗频率特性进行测量，研究车载式牵引供电系统阻抗频率特性测量装置及测量方法具有深刻意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种车载式牵引供电系统阻抗频率特性测量装置及其测量方法，该装置能对列车所运行位置处牵引供电系统阻抗频率特性进行实时测量，为分析及解决牵引供电系统谐波谐振及控制器失稳现象提供重要参考依据。

实现本发明目的的测量装置技术方案如下：

一种车载式牵引供电系统阻抗频率特性测量装置，包括扰动产生模块d和阻抗频率特性获取模块z；

所述扰动产生模块d包括开关s1，s1的输入端连接到车载降压变压器tp的次边线圈，输出端连接到第一开关元器件igbt1的集电极，igbt1的发射极连接到扰动负载r1的一端；还包括滑动触头s2，s2的触头连接扰动负载r1，输出端用于连接钢轨g；

所述阻抗频率特性获取模块z包括信号调节单元sr，信号调节单元sr的输入端用于连接到所述车载式牵引供电系统的电压传感器tv和电流传感器ta，信号调节单元sr的输出端连接到计算与处理单元pc；计算与处理单元pc的一个输出端连接到车载显示仪ds，另一个输出端连接到驱动电路dc的输入端，驱动电路dc的输出端连接到igbt1的门极。

进一步的技术方案是，所述开关s1为单刀双掷开关，s1的输入端连接到车载降压变压器tp的次边线圈，第一输出端连接到第一开关元器件igbt1的集电极，第二输出端连接到第二开关元器件igbt2的发射极；igbt2的集电极连接到扰动负载r2的一端；所述滑动触头s2为双极滑动触头，两个触头分别连接扰动负载r1、r2；所述驱动电路dc的输出端还连接到igbt2的门极。

使用上述装置进行测量的方法如下：

一种车载式牵引供电系统阻抗频率特性测量装置的测量方法，包括步骤：

a、所述车载式牵引供电系统的电压传感器tv和电流传感器ta采集扰动前的电压、电流时域信息u1(t)、i1(t)，通过信号调节单元sr转换后输入到计算与处理单元pc；

b、合上开关s1，并使滑动触头s2置于扰动功率最小处；

c、滑动滑动触头s2，提高扰动的功率；同时，采集扰动后的电压、电流时域信息u2(t)、i2(t)，通过信号调节单元sr转换后输入到计算与处理单元pc；计算与处理单元pc利用快速傅里叶变换将扰动前和扰动后的时域电压、电流信息变换到频域，得到频域下扰动前的电压、电流信息u1(jω)、i1(jω)和扰动后的电压、电流信息u2(jω)、i2(jω)；再利用阻抗计算公式z(jω)＝[u2(jω)-u1(jω)]/[i2(jω)-i1(jω)]得到宽频带0～10000hz下的阻抗频率特性，并输出到车载显示仪ds；

d、重复步骤c，直到车载显示仪ds显示出阻抗频率特性曲线时，停止滑动滑动触头s2。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、反并联开关元器件(igbt1、igbt2)互为后备元器件，正常工作时igbt1、igbt2都投入工作，当其中一个igbt因故障退出运行时，依靠另一个igbt系统仍能工作，装置的可靠性高。

二、采用滑动触头s2可连续地改变扰动负载的接入大小，因此，扰动功率具有连续可调性，以此来匹配各个容量等级的牵引供电系统，装置的实用性强。

三、扰动功率选择能够测出牵引供电系统阻抗频率特性的最小值，最大程度降低扰动对原系统的影响。

四、车载显示仪能够实时显示列车行驶处牵引供电系统的阻抗频率特性，装置的人机交互性能好。

附图说明

图1为车载式牵引供电系统阻抗频率特性测量装置原理图。

图2为at供电方式下示意图。

图3为牵引供电系统阻抗频率特性仿真测试结果。

具体实施方式

本发明车载式牵引供电系统阻抗频率特性测量装置原理图如图1所示，包括两个部分，即扰动产生模块(d)与阻抗频率特性获取模块(z)。

车载降压变压器(tp)的原边线圈接在接触网(t)和钢轨(g)之间，次边线圈接列车自有的动力单元(m)和阻抗频率特性测量装置的扰动产生模块(d)。电流传感器(ta)与电压传感器(tv)接在接触网(t)和钢轨(g)之间，对牵引供电系统的电压电流进行采集供给阻抗频率特性获取模块(z)处理。

扰动产生模块(d)，双刀单掷开关(s1)一端接在车载降压变压器(tp)的次边，另一端与反并联开关元器件(igbt1、igbt2)相连。扰动负载(r1、r2)配合滑动触头(s2)接在开关元器件(igbt1、igbt2)之后，改变滑动触头(s2)的位置，可调节扰动电路功率大小。

阻抗频率特性获取模块(z)，电压传感器(tv)和电流传感器(ta)采集牵引供电系统电压电流信号，经过信号调节单元(sr)调理之后提供给计算与处理单元(pc)，计算与处理单元(pc)计算得到牵引供电系统阻抗频率特性之后在车载显示仪(ds)实时显示其特性。同时，开关元器件(igbt1、igbt2)的驱动信号(spwm)由计算与处理单元(pc)结合驱动电路(dc)产生。

车载式牵引供电系统阻抗频率特性测量装置测量方法为：

在车载降压变压器低压二次侧接扰动产生电路，利用反并联igbt的开关动作在牵引供电系统中产生宽频域下的扰动。igbt1对牵引供电系统电压电流正半周期信号进行扰动，igbt2对牵引供电系统电压电流负半周期信号进行扰动。利用扰动前后电压传感器和电流传感器采集的牵引供电系统电压电流信息u1(t)、i1(t)、u2(t)、i2(t)，利用快速傅里叶变换得到电压电流的频域信息u1(jω)、i1(jω)、u2(jω)、i2(jω)，结合阻抗计算公式z(jω)＝[u2(jω)-u1(jω)]/[i2(jω)-i1(jω)]可得到列车行驶处牵引供电系统的阻抗频率特性。

a、扰动产生原理：合上双刀单掷开关(s1)，将车载式牵引供电系统阻抗频率特性测量装置扰动产生模块(d)接入到牵引供电系统中，车载降压变压器(tp)将牵引供电系统27.5kv电压等级降低到相对安全的900v电压等级，利用计算与处理单元(pc)结合驱动电路(dc)产生的spwm激励信号对反并联开关元器件(igbt1、igbt2)进行控制，依靠其开关动作在牵引供电系统中引入宽频带(0～10000hz)下的扰动。改变滑动触头(s2)位置可改变扰动负载接入大小，从而调节扰动模块(d)的扰动功率大小，扰动负载越小，扰动功率越大，相反，扰动负载越大，扰动功率越小。扰动功率大小调节原则为：滑动触头(s2)初始状态在扰动功率最小处，慢慢滑动触头(s2)，提高扰动的功率，当车载显示仪(ds)能显示出阻抗频率特性曲线时，停止提高扰动功率。

b、牵引供电系统阻抗频率特性获取：电压传感器(tv)和电流传感器(ta)采集扰动前的牵引供电系统电压电流时域信息u1(t)、i1(t)，采集扰动后的牵引供电系统电压电流时域信息u2(t)、i2(t)。信号调节单元(sr)将采集到的模拟信号转化为计算与处理单元(pc)能够处理的信号。计算与处理单元(pc)利用快速傅里叶变换将时域电压电流信息变换到频域，得到频域下的电压电流信息u1(jω)、i1(jω)、u2(jω)、i2(jω)；再利用阻抗计算公式z(jω)＝[u2(jω)-u1(jω)]/[i2(jω)-i1(jω)]得到宽频带(0～10000hz)下的阻抗频率特性；最后在车载显示仪(ds)上显示牵引供电系统阻抗频率特性。

如图2所示，当列车行驶到牵引变电所供电臂一定位置时，需要了解当时位置看进去的牵引供电系统阻抗频率特性，只需将测量装置开关闭合，使其接入到系统之中，即可测量得到列车行驶处的牵引供电系统阻抗频率特性。