基于EMTDC/PSCAD的電力機車暫態仿真

王秀清，張鐵竹，李書營

（鄭州鐵路職業技術學院 車輛工程學院機車教研室，河南 鄭州450052)

近年來，我國電氣化鐵道高速發展，其負載電力機車為單相大功率整流或逆變負荷，會向電網輸入較大的負序和諧波電流。負序和諧波電流會降低電網的供電質量，還會對電力系統的安全穩定運行造成很大危害。因此，電氣化鐵道電能質量問題的監測、治理已成為急需解決的任務。

1 SS4G電力機車主電路

韶山4改進型電力機車(以下簡稱SS4G電力機車)主電路采用大功率晶閘管和二極管組成的不對稱半控橋式整流電路，牽引電機為ZDl05型6極串勵脈流電動機。主電路如圖1所示。

圖1中所示整流橋由不等分三繞組供電，即a1b1、b1x1和a2x2繞組。3個繞組的空載額定電壓分別為347.7 V、347.7 V與 695.4 V，即成 1/4、1/4和 1/2的三段不等分比例。三段橋的工作情況如表1所示。

2 SS4G電力機車穩定運行點參數計算[1，2]

在仿真過程中，牽引計算程序給出機車車速v和受電弓處的電功率P1，利用自定義模塊計算出機車整流電路的穩定運行點，即牽引電機的反電勢和整流橋觸發角α的大小。

SS4G型電力機車牽引電機為ZDl05型6極串勵脈流電動機，穩定運行時的反電勢為：

其中，E為牽引電機反電勢（單位：V），u為齒輪傳動比，D為動輪直徑（單位：m），Ce為牽引電機常數。

電力機車工作在一段橋后，可以根據電力機車整流電路直流側電壓Ud確定整流電路工作的橋段，然后根據各段橋主電路的工作原理，由直流電壓Ud、網壓等參數推導出對應的觸發角的值。

表1 SS4G型電力機車移相晶閘管導通順序表

整流電路工作在一段橋時，整流橋觸發角α的計算如下：

整流電路工作在二段橋時，整流橋觸發角α的計算如下：

整流電路工作在三段橋時，整流橋觸發角α的計算如下：

其中，U2為交流側電壓，Id為直流側電流，XB1為此時繞組a2x2折算到二次側的漏電抗，XB2為繞組 a1b1折算到二次側的漏電抗，XB3為繞組b1x1折算到二次側的漏電抗，XB3=XB2。

3 SS4G電力機車諧波電流的暫態分析

在仿真過程中，利用C語言編寫程序，采用EMTDC的自定義模塊，建立反電勢E的自定義模塊[3]。

利用EMTDC/PSCAD仿真軟件建立仿真系統，其中牽引網電壓為25 kV，主電路如圖2所示。

EMTDC/PSCAD仿真軟件是電力系統暫態分析的工具，可以在運行不停止的情況下，實時改變電機的轉速，下面對SS4G電力機車諧波電流進行暫態分析。

移相調節一段橋，封鎖二段橋和三段橋，在0.7 s時刻，一段橋觸發角α從穩定運行時的31°調節為滿開放的過程中，直流側電壓Ud的波形如圖3所示，牽引網側電流Il的波形如圖4所示，牽引網側電流Il的FFT分析如圖5所示。

滿開放一段橋，移相調節二段橋，在0.52 s時刻，使二段橋觸發角α從180°調節到穩定運行時的 89°，調節為滿開放的過程中直流側電壓Ud的波形如圖6所示，牽引網側電流Il的波形如圖7所示，牽引網側電流Il的FFT分析如圖8所示。

滿開放一段橋，移相調節二段橋，在0.75 s時刻，使二段橋觸發角α從穩定運行時的89°調節為滿開放的過程中直流側電壓Ud的波形如圖9所示，牽引網側電流Il的波形如圖10所示。

滿開放一段橋、二段橋，移相調節三段橋，在0.52 s時刻，使三段橋觸發角α從180°調節到穩定運行時的129°，調節為滿開放的過程中直流側電壓Ud的波形如圖11所示，牽引網側電流 Il的波形如圖 12所示，牽引網側電流Il的FFT分析如圖13所示。

通過對電力機車的穩態和暫態分析，得出如下結論：

(1)直流傳動電力機車的諧波主要是 3、5、7次等奇次諧波。

(2)在三段橋的調節過程中，穩定運行時橋段數越多，牽引網側電流的畸變就越小，但是在調節的過程中，網側電流的畸變并不是一直在減小。

(3)電力機車在運行過程中和各段橋調節的過程中，諧波沒有突變。

[1]楊兆昆.韶山4改型電力機車乘務員[M].北京：中國鐵道出版社，2001.

[2]張有松，朱龍駒.韶山 4型電力機車[M].北京：中國鐵道出版社，1998.

[3]袁濤，鄭建勇，曾偉，等.PSCAD/EMTDC中自定義模型研究及其在有源濾波器控制算法仿真中的應用[J].電氣應用，2006，25(11)：71-73.