滕召勝, 陳慶文, 溫 和, 馬伏軍, 邵 霞, 張雷鵬
(湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,長沙 410082;2.北京象新力科技有限公司,北京 100037)
電氣信息類專業(yè)實驗設(shè)備投入大、更新?lián)Q代快,涉及高壓的實驗操作存在安全問題,暫態(tài)實驗現(xiàn)象難以觀測記錄,因此虛擬仿真實驗備受重視并成為發(fā)展熱門[1]。繼電保護(hù)[2]、電機(jī)學(xué)、機(jī)器人控制、電氣測量、變壓器高壓試驗、微電網(wǎng)和高鐵牽引供電系統(tǒng)等虛擬仿真實驗平臺[2-8]應(yīng)用于實驗教學(xué)均取得了良好教學(xué)成效,解決了傳統(tǒng)實驗難以解決的問題。電氣化鐵路是國民經(jīng)濟(jì)大動脈,是國家重要基礎(chǔ)設(shè)施,也是電網(wǎng)的主要諧波污染源[9]。諧波危害大,其檢測與控制是電網(wǎng)、電力機(jī)車安全運行的技術(shù)保障,也是電氣信息類專業(yè)大學(xué)生、研究生掌握諧波檢測與控制技術(shù)的典型教學(xué)案例。普通高校不可能建立傳統(tǒng)實驗?zāi)J降碾姎饣F路諧波檢測與控制實驗室,鐵路系統(tǒng)不允許外部教學(xué)設(shè)備接入和現(xiàn)場觀摩實習(xí)。
基于此,本文依托國家電能變換與控制工程技術(shù)研究中心等科研教學(xué)平臺,結(jié)合“電力電子技術(shù)基礎(chǔ)”“智能儀器”“電氣測量技術(shù)”等課程需求,將諧波檢測與控制科研成果、工程經(jīng)驗和虛擬仿真技術(shù)融合,利用智能信息處理、3D 仿真建模、網(wǎng)絡(luò)通信控制等現(xiàn)代技術(shù),構(gòu)建諧波知識學(xué)習(xí)、檢測和諧波控制3 大模塊,開發(fā)了高仿真三維場景的電氣化鐵路諧波檢測與控制虛擬仿真平臺。
21世紀(jì)以來,“電力電子技術(shù)”“智能儀器”“電氣測量技術(shù)”“電能質(zhì)量檢測與控制”等課程成為電氣信息類專業(yè)核心課程,但諧波檢測與控制實驗教學(xué)困難,學(xué)生對電氣化鐵路運行場景、工況設(shè)備難有認(rèn)知,典型的諧波檢測與控制案例只能進(jìn)行理論課堂講授,難以通過實驗實訓(xùn)培養(yǎng)工程能力、創(chuàng)新意識:
(1)實驗場景復(fù)雜,建設(shè)難度大。雖是典型工況與典型教學(xué)案例,對于高校構(gòu)建電氣化鐵路牽引供電與運行場景投入成本高,即使有經(jīng)費投入也難有足夠大的專用實驗場地。
(2)實驗設(shè)施昂貴,實驗成本高。電氣化鐵路諧波檢測與控制的設(shè)備投入需要完整的變電、配電和保護(hù)系統(tǒng),需要鋪設(shè)軌道,配置牽引變壓器、斷路器、隔離刀閘、接觸網(wǎng)、多種電力機(jī)車、受電弓和諧波控制柜等主要設(shè)備,采購和運行、維護(hù)成本高。
(3)裝置類型受限,探索實驗難。電氣化鐵路的牽引配電方式、在軌運行的車型、諧波檢測的方法、諧波控制設(shè)備的類型及其組合等,對諧波產(chǎn)生、檢測、控制均構(gòu)成復(fù)雜影響,傳統(tǒng)的單一實際裝備實驗不可能全面反映電氣化鐵路運行的復(fù)雜工況與諧波檢測、控制復(fù)雜場景,不能開展不同方法的比對實驗、探索實驗和創(chuàng)新方法研究。
(4)電壓等級較高,安全隱患大。電氣化鐵路牽引供電變比為220/27.5 kV 或110/27.5 kV[10],變壓器容量達(dá)數(shù)十MVA,高電壓、大電流尤其在陰雨天等潮濕環(huán)境下開展實驗操作容易發(fā)生安全事故。
(5)鐵路運管嚴(yán)格,參觀實習(xí)難。鐵路一直是軍事化、半軍事化嚴(yán)格管理,要求時刻“備戰(zhàn)”,任何時候、任何情況都要保證各部門不出任何故障,不允許現(xiàn)場參觀實習(xí),不允許進(jìn)入檢測與控制室觀摩。
即使建立了電氣化鐵路諧波檢測與控制實驗室,也難以展示諧波產(chǎn)生與控制的暫態(tài)過程,不能開展不同運行設(shè)備的不同檢測與控制方法比對試驗,難以滿足理論結(jié)合實際的教學(xué)需求。
在電氣化鐵路牽引供電設(shè)備認(rèn)知基礎(chǔ)上,掌握諧波檢測與控制的基本原理、方法與典型應(yīng)用,通過虛擬仿真學(xué)習(xí)和實驗操作,基本具備現(xiàn)場工況下開展諧波檢測與控制的工程能力與基本素質(zhì)。
(1)知識學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)諧波基礎(chǔ)知識,了解諧波的特點與危害,建立對普速電氣化鐵路與高速電氣化牽引供電系統(tǒng)的工程認(rèn)知,了解普速電力機(jī)車和高速電力機(jī)車的工作原理及其諧波特點;掌握諧波檢測的采樣頻率設(shè)置方法和基于加窗插值快速傅里葉變換(FFT)的諧波參數(shù)分析方法,探究白噪聲、窗函數(shù)、采樣長度(檢測時長)對諧波檢測結(jié)果的影響;掌握無源濾波器(PPF)、有源濾波器(APF)的工作原理、濾波性能及其參數(shù)設(shè)計方法。
(2)能力培養(yǎng)。通過實驗,培養(yǎng)學(xué)生理論結(jié)合實際的工程能力:①針對信號特征分析應(yīng)用,提出合理的頻譜分析需求;②根據(jù)不同諧波信號,自主選擇不同窗函數(shù)、不同采樣長度、不同信噪比白噪聲,設(shè)計不同的加窗插值FFT,得到相對優(yōu)化的譜分析結(jié)果,培養(yǎng)利用數(shù)學(xué)建模解決工程問題的能力;③針對普速電氣化鐵路諧波抑制需求,掌握PPF、APF以及PPF +兩相APF混合濾波器的構(gòu)成和使用方法,認(rèn)知其在諧波控制過程中的作用,進(jìn)行PPF、APF 的參數(shù)設(shè)置和優(yōu)化設(shè)計,并將濾波器投入應(yīng)用實現(xiàn)諧波抑制,培養(yǎng)在多種方案選擇中優(yōu)化決策的能力;④針對高速電氣化鐵路諧波控制需求,根據(jù)高鐵諧波控制的難點,實施高通濾波器+兩相APF混合補(bǔ)償方法并比較諧波控制效果,培養(yǎng)探索、創(chuàng)新意識和解決復(fù)雜工程問題的信心。
(3)素質(zhì)提高。學(xué)生通過復(fù)雜工況下合理使用加窗插值FFT檢測諧波和利用PPF、APF 及其組合控制諧波等實驗,比較不同方法的結(jié)果差異,探究不同參數(shù)對檢測與控制結(jié)果的影響,培養(yǎng)探索、創(chuàng)新意識和專業(yè)自信心。
“電氣化鐵路諧波檢測與控制虛擬仿真實驗”設(shè)計為全開放操作,《實驗指導(dǎo)書》僅給出學(xué)習(xí)與認(rèn)知操作方法,在諧波檢測、諧波控制部分給出窗函數(shù)選擇、采樣率設(shè)置、信噪比設(shè)定、濾波器參數(shù)設(shè)置、濾波器投切等操作方法,具體參數(shù)量、如何設(shè)置才能獲得優(yōu)化的仿真結(jié)果,需要學(xué)生自行設(shè)計并反復(fù)比較,在探究、改進(jìn)過程中完成。整個實驗分為知識學(xué)習(xí)、諧波檢測、諧波控制和試題考核4 個模塊,包含14 個可進(jìn)行交互操作的功能性步驟,如圖1 所示。

圖1 電氣化鐵路諧波檢測與控制虛擬仿真流程與功能性步驟
平臺以電氣化鐵路諧波產(chǎn)生、檢測、控制為對象開展學(xué)習(xí)、實驗與探索,將諧波檢測、諧波控制科研成果結(jié)合工程經(jīng)驗、融合虛擬仿真技術(shù),把整個實驗過程抽象為統(tǒng)一的虛擬實驗構(gòu)件、底層數(shù)學(xué)模型、邏輯機(jī)制等共性關(guān)鍵性技術(shù),在虛擬場景中模擬電氣化鐵路運行場景與設(shè)備,以Linux系統(tǒng)高性能服務(wù)器聯(lián)合Windows系統(tǒng)個人終端實現(xiàn)虛擬運行與操作,通過WebLearn平臺將圖片、視頻、動畫、PPT、PDF和仿真系統(tǒng)多種形式實驗教學(xué)軟件資源利用互聯(lián)網(wǎng)管理,基于建模工具AlgDesigner V3.0 構(gòu)建諧波檢測、控制算法模型庫和場景與設(shè)備模型庫,完成虛擬實驗系統(tǒng)建模,形成可擴(kuò)展的虛擬實驗構(gòu)件庫,為平臺提供后臺邏輯支撐運算,前臺則利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建可視化實驗場景、實驗設(shè)備、實驗邏輯,支持實驗演示、操作交互、參數(shù)計算與方案設(shè)計。據(jù)此開發(fā)的電氣化鐵路諧波檢測與控制虛擬仿真實驗平臺分為諧波知識學(xué)習(xí)、諧波檢測、控制和試題考核4 個模塊,共14 個步驟。主界面如圖2 所示。學(xué)生可通過各模塊層層遞進(jìn)地開展學(xué)習(xí)和實驗操作。

圖2 虛擬仿真實驗平臺主界面
諧波不僅降低供電系統(tǒng)容量、導(dǎo)致電氣設(shè)備誤動作、影響電能計量準(zhǔn)確度、造成電能浪費,甚至引起電氣設(shè)備與線路火災(zāi),傳播放大還會導(dǎo)致更大的次生危害[11]。本平臺諧波基礎(chǔ)知識、諧波特點、諧波危害等方面的知識學(xué)習(xí)采用數(shù)學(xué)模型、波形、曲線、柱狀圖、電氣設(shè)備三維仿真圖、諧波危害現(xiàn)場事故圖片等多種方式聯(lián)合呈現(xiàn),有利于提高學(xué)習(xí)的趣味性、震撼力,加深學(xué)生對諧波認(rèn)識。
電氣化鐵路交流機(jī)車牽引供電傳動系統(tǒng)為“交-直-交”結(jié)構(gòu),網(wǎng)側(cè)釆用單相PWM 整流器實現(xiàn)牽引網(wǎng)單相供電整流,得到中間直流環(huán)節(jié)恒定電壓,后續(xù)經(jīng)三相PWM逆變器得到三相變頻交流電壓,驅(qū)動機(jī)車牽引電動機(jī)[12]。
正常運行工況下,低次諧波電流源于控制因素,易受網(wǎng)側(cè)背景諧波影響,不能通過移相調(diào)制抑制,而大部分的高頻PWM開關(guān)諧波在機(jī)車多重化變流系統(tǒng)中經(jīng)載波移相得以抵消,因此交流機(jī)車向牽引網(wǎng)注入的諧波電流以奇數(shù)低次諧波為主。但若諧波頻率同牽引供電系統(tǒng)諧振頻率重合,幅值極小的諧波源也可能引起諧振,諧振電壓、電流在牽引網(wǎng)放大,造成諧振事故[13]。
平臺電氣化鐵路牽引變電站和小型站臺模擬場景包括牽引變壓器、斷路器、隔離刀閘、接觸網(wǎng)、普速與高速電力機(jī)車、受電弓、鐵軌、諧波控制柜等主要設(shè)備,實驗者可在虛擬高逼真三維場景中“現(xiàn)場”漫游,反復(fù)觀摩、多角度觀察,身臨其境地獲得對電氣化鐵路運行場景、主要設(shè)備的全方位工程認(rèn)知,充分發(fā)揮虛擬仿真在場景、設(shè)備認(rèn)知中的獨特優(yōu)勢,解決無法開展實驗、不能現(xiàn)場參觀實習(xí)的不足。圖3(a)為無源濾波器的實物圖,圖3(b)為本系統(tǒng)的虛擬3D模型。
FFT是目前電網(wǎng)信號分析的主流方法。工程應(yīng)用中,當(dāng)被測電壓、電流信號頻率發(fā)生改變導(dǎo)致非同步采樣或?qū)π盘栠M(jìn)行非正周期截斷時,F(xiàn)FT 存在頻譜泄漏和柵欄效應(yīng),使得頻率、幅值、相位等參數(shù)分析欠準(zhǔn)確,諧波檢測準(zhǔn)確度降低。鑒于此,加窗插值FFT成為工程應(yīng)用的有效方法[14]。經(jīng)典窗函數(shù)有矩形、三角、Hanning(漢寧)和Blackman 窗等,新型窗函數(shù)有3 項最大旁瓣衰減、梯形、各種自卷積和互卷積窗等。不同窗函數(shù)具有不同的幅頻特性,本平臺采用漢寧和3 項最大旁瓣衰減窗。
頻率為f0、幅值為A、初相位為θ的單一頻率信號x(t),經(jīng)采樣率為fs的采樣得到離散信號:
式中,n =0,1,…,N-1。若w(n)為所加窗函數(shù),其余弦組合窗的時域表達(dá)式:
式中,M 為窗函數(shù)項數(shù)。對x(n)加窗處理得到xw(n),其離散傅里葉變換式為
式中:Δf =fs/N;k =0,1,…,N-1。
忽略負(fù)頻點出峰值旁瓣影響,有
式中,W(k)為窗函數(shù)的離散傅里葉變換。由于N >>1,且當(dāng)k >>M時,W(k)=0,則其加窗FFT為
對被測信號進(jìn)行非整周期截斷或非同步采樣,由于柵欄效應(yīng),信號頻率kΔf很難正好落于抽樣頻點上,采用三譜線插值,選取峰值頻點k 附近抽樣得到的幅值最大譜線ki,其左邊譜線ki-1,右邊譜線ki+1,令δ =k-ki,則-0.5 <δ <0.5,記:
并令:
則有
當(dāng)N較大時,簡化可得α =g(δ)、δ =g-1(α)。利用多項式逼近求得δ后可求出被測信號頻率:
通過對3 譜線進(jìn)行加權(quán)平均計算,可得到實際的峰值點幅值和信號相位。
為分析檢測方法的有效性,利用Matlab 對加窗三譜線插值FFT進(jìn)行仿真,以采樣頻率Fs=6.4 kHz、采樣點數(shù)N =2 048 建立含諧波的電網(wǎng)仿真信號
式中:A1、A2、A3、A4分別為電網(wǎng)基波和各諧波幅值,且A1=220 V,A2=A3=A4=30 V;f1、f2、f3、f4分別為電網(wǎng)基波和各諧波頻率,且f1=50、f2=150、f3=250、f4=350 Hz。電網(wǎng)基波和各諧波相位均為0°。電網(wǎng)仿真信號如圖4 所示。其FFT 處理得到的頻譜圖如圖5 所示。圖5 表明,含諧波電網(wǎng)信號直接進(jìn)行FFT會出現(xiàn)頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)。

圖4 電網(wǎng)仿真信號

圖5 FFT變換頻譜圖
為減少頻譜泄漏和柵欄效應(yīng),采用加窗插值FFT改進(jìn)算法,利用漢寧窗函數(shù)
與被測信號進(jìn)行點乘得到如圖6 所示的加窗信號。對加窗信號進(jìn)行FFT得到加窗頻譜如圖7 所示。與圖5比較可見,加窗后頻譜泄漏得到有效抑制。

圖6 加窗信號圖

圖7 加窗頻譜圖
基于加窗插值FFT 開展諧波參數(shù)檢測分析,學(xué)生自主選擇機(jī)車車型、白噪聲信噪比、窗函數(shù)和采樣長度對檢測結(jié)果進(jìn)行比對分析,有較大的發(fā)揮、創(chuàng)意空間,培養(yǎng)學(xué)生的分析比對、精益求精意識和理論方法的工程應(yīng)用能力。圖8 為漢寧窗(a)、3 項最大旁瓣衰減窗(b)的幅頻特性。可見,不同窗函數(shù)的主瓣寬度不同、旁瓣衰減速率不同,直接影響加窗插值FFT 的分析準(zhǔn)確度。

圖8 窗函數(shù)的幅頻特性
電氣化鐵路的諧波可分為預(yù)防性治理和補(bǔ)救性治理[15],本實驗屬補(bǔ)救性治理,分3 種方法:無源濾波器PPF、有源濾波器APF和混合型有源濾波器HAPF。通過平臺的諧波控制設(shè)備學(xué)習(xí),學(xué)生可掌握PPF、APF的構(gòu)成和使用方法,認(rèn)知PPF、APF在諧波控制過程中的作用機(jī)理。
平臺設(shè)置了普列單調(diào)諧PPF諧波控制實驗、普列兩相APF諧波控制實驗。針對諧波控制目標(biāo),在研習(xí)單調(diào)諧PPF參數(shù)設(shè)計方法后,分別針對3、5、7 次諧波進(jìn)行濾波器參數(shù)設(shè)計,將確定最佳濾波器參數(shù)的3、5、7 次單調(diào)諧濾波器組合投入應(yīng)用,觀測、分析普列單調(diào)諧PPF諧波控制效果。通過研習(xí)兩相APF參數(shù)設(shè)計,確定APF 濾波器參數(shù),將兩相APF 濾波器投入應(yīng)用,觀察、分析控制效果并對不同頻率諧波的不同濾波器在不同參數(shù)狀態(tài)的諧波控制結(jié)果進(jìn)行比對分析。
相同和不同HAPF 結(jié)構(gòu)均有不同控制方案:①APF與PPF并聯(lián);②PPF 與APF 串聯(lián);③串聯(lián)于電網(wǎng)的APF +并聯(lián)PPF;④串聯(lián)于電網(wǎng)的APF1+PPF 串聯(lián)APF2。平臺設(shè)置了普列的PPF +兩相APF、高鐵的高通濾波器+兩相APF 等混合補(bǔ)償方式的諧波控制實驗。學(xué)生在研習(xí)各類濾波器的參數(shù)設(shè)置方法后,分別針對普速電氣化鐵路、高速電氣化鐵路運行進(jìn)行濾波器參數(shù)設(shè)計,將確定參數(shù)后的組合濾波器投入應(yīng)用,觀測、分析不同列車、不同濾波器組的諧波控制效果。圖9 為諧波補(bǔ)償電路圖搭建。圖10 為兩相APF 投入后的諧波控制效果。

圖9 諧波補(bǔ)償電路結(jié)構(gòu)

圖10 兩相APF投入運行結(jié)果
電氣化鐵路諧波檢測與控制對于本科生有一定難度,需要認(rèn)真投入、大膽嘗試、細(xì)致探究、不斷改進(jìn)、反復(fù)實驗、相互比較才能獲得理想效果,因此對教師團(tuán)隊和學(xué)生課上課下都有較高要求。實驗教學(xué)實施過程以問題為引導(dǎo),學(xué)生是實驗主體,教師是實驗主導(dǎo)。
實驗前,教師設(shè)計實驗教學(xué)計劃,在完成前期傳統(tǒng)實驗基礎(chǔ)上簡要介紹本平臺,強(qiáng)調(diào)電氣化鐵路諧波檢測與控制的重要性,引出相關(guān)理論與技術(shù)問題,引導(dǎo)學(xué)生思考、討論,布置實驗任務(wù)。
學(xué)生在明確虛擬仿真任務(wù)后,自主復(fù)習(xí)相關(guān)知識,登錄并了解實驗概況,針對實驗內(nèi)容開展諧波基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí),在線認(rèn)知相關(guān)設(shè)備后設(shè)計實驗方案,設(shè)定實驗參數(shù),開展實驗操作,比較不同實驗方案的實驗效果差異。
學(xué)生可根據(jù)自身情況暫停和反復(fù)操作,直至完成知識學(xué)習(xí)、實驗操作并提交實驗報告。系統(tǒng)在線形成的實驗報告包括各階段實驗數(shù)據(jù)、關(guān)鍵截圖、結(jié)果比較、實驗結(jié)論、學(xué)習(xí)感悟、探索暢想、課程建議等,修改完善后提交即完成實驗。
平臺完整開設(shè)4 學(xué)期,取得了積極效果。
(1)創(chuàng)新能力培養(yǎng)。平臺在高仿真展示、“身臨其境”學(xué)習(xí)體驗基礎(chǔ)上,突破自主設(shè)計、效果比對、探索實驗的瓶頸,通過諧波檢測與控制過程的工況改變、參數(shù)設(shè)置、噪聲植入、方案優(yōu)化,實現(xiàn)不同工況下諧波產(chǎn)生、檢測、控制的自主設(shè)計與個性構(gòu)建,充分提高學(xué)生實驗興趣、激發(fā)創(chuàng)新意識。
(2)工程能力培養(yǎng)。電氣化鐵路諧波檢測與控制場景復(fù)雜,從設(shè)備認(rèn)知、機(jī)車選型、機(jī)車駛過、諧波產(chǎn)生、諧波檢測與控制到場景復(fù)現(xiàn),時間極短,常規(guī)實驗無法展示暫態(tài)過程。平臺可設(shè)置機(jī)車速度、駛過次數(shù),充分展示暫態(tài)過程,使學(xué)生有充裕時間完成參數(shù)設(shè)置、方案設(shè)定、重復(fù)測量、優(yōu)化控制,反復(fù)操作,比對分析,鍛煉動手能力。
(3)科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)。以電氣化鐵路運行為仿真實驗場景,融合了設(shè)備認(rèn)知、諧波檢測、諧波控制等既相對獨立、又層層遞進(jìn)的實驗過程,多個自主設(shè)置環(huán)節(jié)和不同方法的比對環(huán)節(jié),使學(xué)生于實驗中拓寬視野、啟發(fā)思考、提高綜合素質(zhì)。
(4)課程目標(biāo)支撐。培養(yǎng)電氣信息類多學(xué)科專業(yè)融合的新工科人才,需要“電氣化鐵路諧波檢測與控制虛擬仿真”這樣的電氣與信息有機(jī)融合的課程教學(xué)與實驗。實驗教學(xué)平臺圍繞教學(xué)目標(biāo)、畢業(yè)要求和培養(yǎng)目標(biāo),提高實驗教學(xué)有效性,培養(yǎng)綜合分析問題能力、工程實踐能力、創(chuàng)新意識與綜合素質(zhì),強(qiáng)力支撐課程目標(biāo)。
(5)綠色電網(wǎng)服務(wù)。電氣化鐵路是綠色交通,碳排放幾乎為零,但作為電力系統(tǒng)的最大單體負(fù)荷,其牽引供電系統(tǒng)的諧波問題日益突出。虛擬仿真無論成功與否,耗電極低,都不存在對電網(wǎng)的擾動。
平臺將虛擬仿真的優(yōu)勢與科學(xué)技術(shù)的先進(jìn)性高度融合,運用三維繪圖軟件按實物真實比例復(fù)現(xiàn)牽引變電所、普速電力機(jī)車、高速電力機(jī)車運行場景,具有場景與設(shè)備可視化、實時三維動畫等功能,讓實驗者“身臨其境”;采用電力機(jī)車及其牽引供電系統(tǒng)仿真分析模型、真實設(shè)備參數(shù)、諧波分析算法和諧波補(bǔ)償控制模型,精準(zhǔn)再現(xiàn)電氣化鐵路諧波產(chǎn)生、檢測與控制全過程。通過在線實驗,學(xué)生可直觀了解諧波的產(chǎn)生與危害,學(xué)習(xí)諧波檢測方法,探究電氣化鐵路諧波補(bǔ)償與控制技術(shù),提高工程能力,培養(yǎng)創(chuàng)新意識。