基于多重化电流跟踪控制的电力机车辅助变流器抑制车网谐振的方法
北京交通大学电气工程学院的研究人员慕玫君、林飞等，在2018年《电工技术学报》增刊1上撰文指出，电力机车运行过程中会向牵引网注入谐波，并可能与车网耦合引发谐振事故，为此该文提出一种基于多重化电流跟踪控制的电力机车辅助变流器抑制车网谐振的方法。
该方法在辅助电源的四象限变流器控制中引入有源滤波功能，在完成正常整流功能的同时，通过检测变压器一次电流，提取谐波电流指令，并采用多重比例谐振（M-PR）控制器跟踪多重化的电流指令产生补偿电流，以抑制网侧电压谐振。
该文还分析M-PR控制器的参数设计，并定量分析补偿精度的影响因素。Matlab/Simulink仿真及RT-LAB半实物平台的实验验证了该方法的有效性。
随着交流传动技术的广泛应用，注入牵引网的谐波含量和次数日趋多样化；为保证供电质量，牵引供电系统也日趋复杂化，从而引发车网关系不匹配导致的谐振问题。尤其是开关频率整数倍的谐波容易与车网发生耦合谐振，谐振发生时列车端电压升高，严重时将烧毁供电设备，影响列车的正常运行。2012年，宁岢线秦家庄-五寨供电区间发生谐振事故，引发谐振车型为HXD2，谐振频率为950～1 450Hz，造成变电所跳闸，车顶和地面高压设备烧损[1,2]。
为避免谐振事故发生，电气化铁路通常采用降低注入牵引网谐波电流的方式，常用的滤波方案有地面集中补偿与车载补偿。
对于地面补偿方案，采用LC滤波器及高通滤波器能够滤除特定次谐波，但该方案对参数变化敏感，难以实现动态补偿[3,4]；基于电力电子技术，通过降压变压器加装有源滤波装置的方案[5-7]，实现了谐波电流的动态补偿，但需要对现有的地面设备加以改造，成本较高。对于车载补偿方案，无源滤波在参数变化时效果不理想，车载有源滤波器增加了机车的体积与重量，不利于轨道交通轻量化[8-10]。
有源滤波方案中，电流环的控制方法是影响补偿效果的关键[11]。常用的控制器有比例-积分（Proportional Integral, PI）控制、无差拍控制[12]、比例谐振（Proportional Resonant, PR）控制等[13]。无差拍控制动态性能较好，但依赖于准确的电路参数；PI控制难以实现对交流指令的无差跟踪；PR控制器能够无静差跟踪交流侧电流指令[14,15]，实现谐波电流完全补偿。
若指令电流较复杂，可采用多重化的方式，跟踪基波及各次谐波电流[16-18]，此时对多重化比例谐振控制器的参数设计提出了较高的要求。其参数设计常采用伯德图、根轨迹的方法，对某一特定频率下的参数进行选择[19]。
针对牵引变流器产生中高次谐波进而引发谐振事故的问题，本文研究了一种基于多重比例谐振（Multiple Proportional Resonance, M-PR）控制器的电力机车辅助变流器抑制车网谐振的方法。该方法通过一次侧谐波电流检测、指令电流计算、电流跟踪控制等环节，控制辅助侧变流器完成单位功率因数整流功能，在跟踪基波电流的同时跟踪谐波电流指令，于交流侧产生补偿电流，从而抑制牵引变流器在变压器一次侧产生的谐波电流，抑制车网谐振。
为实现本文的谐振抑制方案，辅助变流器需要产生中高频的补偿电流。SiC器件具有开关频率高、损耗小等优点，在车载变流器方面具有广阔的应用前景[20,21]。基于SiC器件的辅助变流器能够满足本方案的高频需求。本方案不需要加额外硬件电路，可实现指令电流的无差跟踪，动态补偿谐波电流，避免车网谐振引发事故。
图16 RT-LAB实验平台
本文针对电力机车牵引变流器产生谐波、引发谐振事故、影响电能质量等问题，提出一种基于多重化电流跟踪控制的电力机车辅助变流器抑制车网谐振的方法。
本文对电流环建模，理论推导确定了辅助侧补偿电流的公式，其补偿能力与补偿系数λ有关，补偿后，一次侧谐波电流下降为补偿前的1/(1+λ)；基于谐振抑制功能对M-PR控制器的参数Kp、Kr、ωc进行设计，以保证系统的稳定性，并对多重化电流指令无差跟踪；最后通过仿真及RT-LAB半实物实验对控制方案进行验证，证明该方案能够降低150～1 550Hz附近的谐波电流，补偿后谐波电流含量下降84%；抑制谐波电流与车网耦合引发的网压谐振；辅助变流器整流功能不受影响，能保证直流侧稳定的电压输出。该方案不需要引入额外的硬件电路，SiC器件的使用降低了机车的体积与损耗，有利于轨道交通轻量化。