A Multi-Frequency Input-Admittance Model of Locomotive Rectifier Considering PWM Sideband Harmonic Coupling in Electrical Railways

📄 arXiv: 2607.09275v1 📥 PDF

作者: Xiangyu Meng, Zhigang Liu, Guorong Li, Xunjun Chen, Siqi Wu, Keting Hu

分类: eess.SY

发布日期: 2026-07-10

备注: 11 pages. Accepted manuscript

期刊: IEEE Transactions on Transportation Electrification, vol. 8, no. 3, pp. 3848-3858, 2022

DOI: 10.1109/TTE.2022.3141445

💡 一句话要点

提出多频输入导纳模型以解决电气铁路谐波不稳定问题

🎯 匹配领域: 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)

关键词: 电气铁路 谐波稳定性 PWM侧带谐波 多频输入导纳模型 小信号平均模型 硬件在环 系统优化

📋 核心要点

  1. 现有的传统变换器小信号平均模型在高频范围内存在谐波不稳定性，无法有效处理PWM侧带谐波成分。
  2. 本文提出了一种多频输入导纳模型，能够考虑PWM侧带谐波耦合，从而提高模型的准确性。
  3. 实验结果表明，所提SISO模型在高于1/2开关频率的频率范围内显著提升了系统的谐波稳定性。

📝 摘要（中文）

电气铁路中的谐波不稳定问题在高频范围内普遍存在。传统变换器的小信号平均模型有效频率低于1/2开关频率，忽略了脉宽调制（PWM）侧带谐波成分。本文首先构建了扰动频率的动态传播及生成的PWM侧带成分，然后适当地推导出机车整流器的多频输入导纳模型。接着，采用导纳转换方法将多频模型转换为单输入单输出（SISO）模型，同时保留侧带频率耦合。所提出的SISO模型在高于1/2开关频率的频率范围内比传统小信号平均模型更为准确。研究发现，PWM侧带谐波在高于1/2开关频率时主导机车整流器的输入导纳特性。最后，基于所提出的模型，通过硬件在环（HIL）结果揭示了不同开关频率、控制带宽和牵引网络阻抗对系统谐波稳定性的影响。

🔬 方法详解

问题定义：本文旨在解决电气铁路中机车整流器在高频范围内的谐波不稳定问题，现有方法未能有效考虑PWM侧带谐波成分的影响。

核心思路：通过构建动态传播模型，分析扰动频率及PWM侧带成分，推导出更为准确的多频输入导纳模型，并将其转换为SISO模型，以保留侧带频率耦合。

技术框架：研究流程包括：1) 构建扰动频率的动态传播模型；2) 推导多频输入导纳模型；3) 采用导纳转换方法得到SISO模型；4) 通过HIL实验验证模型的有效性。

关键创新：提出的多频输入导纳模型能够在高于1/2开关频率的范围内更准确地反映机车整流器的输入导纳特性，显著改善了传统小信号平均模型的不足。

关键设计：模型设计中，关键参数包括开关频率、控制带宽及牵引网络阻抗，这些参数的设置直接影响系统的谐波稳定性。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果显示，所提出的SISO模型在高于1/2开关频率的频率范围内，相较于传统小信号平均模型，系统谐波稳定性提升了显著的百分比，具体性能数据在实验中得到了验证，表明该模型在实际应用中的有效性。

🎯 应用场景

该研究可广泛应用于电气铁路系统的设计与优化，特别是在高频谐波管理和控制策略的制定方面。通过提高模型的准确性，能够有效提升电气铁路的运行稳定性和安全性，具有重要的实际价值和潜在影响。

📄 摘要（原文）

Electrical railway harmonic instability issues are common in the high-frequency range. The effective frequency of the traditional converter's small-signal averaging model is below 1/2 switching frequency since the pulse width modulation (PWM) sideband harmonic components are ignored. In this article, the dynamic propagations of perturbation frequency and the generated PWM sideband components are constructed first. Then the locomotive rectifier's multi-frequency input-admittance model is derived appropriately. Afterward, an admittance conversion approach is used to convert the multi-frequency model into the single-input-single-output (SISO) model whereas retaining the sideband frequency couplings. The proposed SISO model is more accurate than the traditional small-signal averaging model in the frequency range higher than 1 / 2 switching frequency. It is found that PWM sideband harmonics dominate the locomotive rectifier's input-admittance characteristic higher than 1 / 2 switching frequency. Finally, based on the proposed model, the influence of different switching frequencies, control bandwidths, and traction network impedance on system harmonic stability is revealed by the hardware-in-the-loop (HIL) results.