電鐵牽引供電系統(tǒng)的諧波仿真模型分析

張樹(shù)蘭，曹 娜，于 群

（山東科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，山東 青島 266000）

1 引言

電氣化鐵路（Electrified railway）是指采用電力牽引的鐵路。電氣化鐵路具有高效、節(jié)能和環(huán)保等特點(diǎn)，是人們選擇出行的最理想的交通方式。電氣化鐵路由供電系統(tǒng)和電力機(jī)車組成，由于機(jī)車負(fù)荷的特殊性，使?fàn)恳╇娤到y(tǒng)與一般的三相電力系統(tǒng)不盡相同，它是一個(gè)單相的不對(duì)稱系統(tǒng)，具有隨機(jī)波動(dòng)性，會(huì)在電網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生變化的諧波電流。產(chǎn)生的諧波會(huì)使電力變壓器壽命變短同時(shí)輸電線路送電能力下降，電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重易早損壞等影響。因此，研究電氣化鐵路諧波產(chǎn)生機(jī)理具有重要意義。

文獻(xiàn)［3］采用Matlab軟件利用小波變換對(duì)由電力機(jī)車產(chǎn)生的諧波含量進(jìn)行測(cè)量，但對(duì)電磁暫態(tài)的分析卻有欠缺,這種方法的不足是電力機(jī)車工作在不同段時(shí)，要修改其仿真電路圖；文獻(xiàn)［4］利用PSCAD建立了AT牽引供電系統(tǒng)的仿真模型，但模型不夠完善具體，不能把牽引供電系統(tǒng)和電力機(jī)車的特性一一直觀地表現(xiàn)出來(lái)。本文通過(guò)PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件搭建了較為完善具體的電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)仿真模型，并對(duì)仿真所得的電網(wǎng)側(cè)諧波含量與理論計(jì)算的諧波含量進(jìn)行了比較，同時(shí)通過(guò)實(shí)例電網(wǎng)分析論證了仿真模型的有效性。

2 牽引供電系統(tǒng)

電力牽引供電系統(tǒng)，是指電氣化鐵路中由牽引變電所和接觸網(wǎng)組成的向電力機(jī)車供給牽引用電能的系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電氣化鐵道的牽引供電系統(tǒng)是由牽引變電所、牽引網(wǎng)（饋電線、接觸網(wǎng)、鋼軌和回流線組成）、電力機(jī)車等組成，圖1中牽引變電所將110kV的三相交流電變成兩相27.5kV（另一相接地），分別供給牽引變電所兩邊的供電臂，以使電力機(jī)車得到電能。牽引變電所的主要設(shè)備是牽引變壓器。牽引變壓器是指在牽引站中向電力牽引負(fù)荷供電的大型變壓器，又稱為主變壓器。現(xiàn)在一般使用的有單相牽引變壓器、Yn/d11接線牽引變壓器、V/v接線牽引變壓器、阻抗匹配平衡型牽引變壓器以及Scott平衡變壓器等，但依今后發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，Scott平衡變壓器和V/v接線變壓器將逐漸成為主流牽引變壓器。

3 系統(tǒng)仿真模型

3.1 牽引變壓器模型

牽引變壓器是牽引變電所的核心元件，牽引變壓器的主要功能是降壓、分相并為牽引負(fù)荷供電。牽引變壓器一次側(cè)額定電壓通常為110kV、220kV。文中針對(duì)V/v接線變壓器進(jìn)行了仿真模型研究。

圖2 V/v變壓器接線原理

V/v接線變壓器原理如圖2所示，單相V/v接線用兩臺(tái)單相變壓器連接成開(kāi)口三角形，圖2中T1和T2分別為1＃和2＃單相牽引變壓器，T1和T2的高壓側(cè)分別接入AB和BC相。低壓側(cè)各取一端接到27.5kV牽引母線上，另一端接到接地網(wǎng)和鋼軌。單相V/v接線牽引變壓器具有容量利用率較高、電能損耗小、投資低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛使用。

按照?qǐng)D2所示的V/v接線原理圖，建立V/v接線牽引變壓器的仿真模型如圖3所示。采用兩臺(tái)單相雙繞組變壓器，兩臺(tái)單相雙繞組變壓器分別接于AB和BC端。

圖3 V/v接線牽引變壓器仿真模型圖

3.2 電力機(jī)車仿真模型

本文以SS6B型機(jī)車為例研究交直型電力機(jī)車，SS6B型電力機(jī)車可擔(dān)當(dāng)貨運(yùn)和客運(yùn)牽引，它具有安全性好、污染小等優(yōu)點(diǎn)。SS6B型電力機(jī)車相關(guān)參數(shù):軸數(shù)6，軸重23t,功率4800kW,軸功率800kW,最高速度可達(dá)100km/h。它使用不等分三段橋相控調(diào)壓，實(shí)現(xiàn)了恒流恒速控制的牽引調(diào)速特性。電力機(jī)車仿真模型如圖4所示。

圖4 電力機(jī)車仿真模型

該仿真模型主要由變壓器、二極管和晶閘管、平波電抗器以及牽引電動(dòng)機(jī)組成。

二極管組和晶閘管組組成整流調(diào)壓電路，整個(gè)電力機(jī)車有三段不同的工作狀態(tài)，根據(jù)直流電壓Ud的不同來(lái)確定電力機(jī)車運(yùn)行階段，模型使用分段觸發(fā)和調(diào)用可以使控制更簡(jiǎn)便。

電力機(jī)車脈沖觸發(fā)仿真模型如圖5所示。

圖5 電力機(jī)車脈沖觸發(fā)模型

仿真中使用PSCAD模型庫(kù)中VCO（Voltage Controlled Oscillator）元件，還使用了Interpolated FiringPulses元件。兩元件組合把實(shí)時(shí)觸發(fā)信號(hào)提供給晶閘管、IGBT和GTO等電力電子器件。

SS6B型電力機(jī)車是交直傳動(dòng)的電力機(jī)車，輸出電壓為脈動(dòng)電壓，因而脈動(dòng)電流必然會(huì)流過(guò)整理電路。在牽引電動(dòng)機(jī)的回路中串聯(lián)平波電抗器，目的是為了減小脈動(dòng)，以及諧波對(duì)系統(tǒng)的影響。此仿真采用15.5mH的電感來(lái)代替平波電抗器。

仿真中牽引電機(jī)采用串勵(lì)直流電機(jī)，參數(shù)為：額定電樞電壓1018V,額定電樞電流1250A，電樞電阻0.01098Ω，勵(lì)磁電阻0.00288Ω。仿真模型如圖6所示。

圖6 牽引電機(jī)仿真模型

3.3 諧波檢測(cè)

利用PSCAD元件模型庫(kù)中的頻率在線掃描儀(On-line Frequency Scanner)和諧波畸變計(jì)算器（Harmonic Distortion Calculator）對(duì)系統(tǒng)電壓、電流諧波總畸變率、諧波含有率進(jìn)行測(cè)量。仿真模型圖如圖7所示。

圖7 諧波測(cè)量仿真模型

4 系統(tǒng)仿真分析

系統(tǒng)仿真如圖8所示，系統(tǒng)供電實(shí)行雙邊供電，公共端接地，雙邊負(fù)荷平衡，同時(shí)也可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修改實(shí)行單邊不對(duì)稱負(fù)荷。

圖8 系統(tǒng)仿真圖

4.1 諧波電壓分析

V/v接線系統(tǒng)高壓側(cè)A、B、C三相母線電壓波形如圖9所示。從圖9中可以看出，三相電壓都有一定的畸變。

圖9 V/v接線高壓側(cè)電壓波形

由圖9可知，高壓側(cè)A、B、C相母線電壓在一定程度上受到諧波的影響產(chǎn)生了畸變，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)三相電壓進(jìn)行傅里葉分析，得出各次電壓諧波含有率，以A相為例，如圖10所示。

圖10 V/v接線高壓側(cè)A相諧波電壓含量

系統(tǒng)對(duì)高壓側(cè)A、B、C三相諧波電壓進(jìn)行測(cè)量，從圖10中可以看出，偶次諧波含有量幾乎為0，奇次諧波相較偶次諧波大，其中5、11、13較為厲害，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 V/v接線高壓側(cè)A、B、C三相諧波電壓含有率（%）

分析表1數(shù)據(jù)，系統(tǒng)高壓側(cè)A、C兩相各次電壓諧波含有率幾乎保持一致，高壓側(cè)A、B、C三相13次電壓諧波含有率比其它各奇次諧波含有率都高，超出了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值1.6%，而且諧波總畸變率也都超過(guò)了國(guó)標(biāo)限值2%。

4.2 諧波電流分析

當(dāng)系統(tǒng)雙邊負(fù)荷平衡時(shí)，兩臂電流如圖11所示。從圖11中可見(jiàn)，兩供電臂電流波形幾乎相同，近似為方波，但存在一定的相位差。X標(biāo)簽與O標(biāo)簽對(duì)應(yīng)時(shí)間差為0.003s，對(duì)應(yīng)相角為60°，與理論分析相符。

將高壓側(cè)A、B、C三相電流信號(hào)輸入到FFT分析元件，對(duì)波形進(jìn)行傅里葉分析，得出各次諧波含量，以A相為例，如圖12所示。

圖12 V/v接線高壓側(cè)A相諧波電流含量

從圖12中可以看出電流畸變要比電壓畸變更厲害，其中奇次諧波電壓相對(duì)較高，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表2所示。

表2 V/v接線高壓側(cè)A、B、C三相諧波電流含有率（%）

由表2數(shù)據(jù)分析可知，高壓側(cè) A、C兩相各次電流諧波含有率基本保持一致，總電流諧波畸變率也相差不多，但B相電流諧波總畸變率較A、C兩相相差較多。

5 仿真實(shí)例應(yīng)用

以某實(shí)際電網(wǎng)為例，將上述仿真模型接入該電網(wǎng)內(nèi)，分析牽引供電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的影響。如圖13所示為機(jī)車接入電網(wǎng)后的模型。

圖13 機(jī)車接入電網(wǎng)后模型

由于電氣化鐵路牽引負(fù)荷具有沖擊性、非線性、不對(duì)稱等特性，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行將產(chǎn)生不利的影響。

電鐵負(fù)荷接入系統(tǒng)和未接入系統(tǒng)A、B、C相諧波電流含有率對(duì)比如表3所示。

表3 三相諧波電流含有率

電鐵負(fù)荷接入系統(tǒng)和未接入系統(tǒng)三相諧波電壓含有率對(duì)比如表4所示。

表4 三相諧波電壓含有率

根據(jù)《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》GB/T 14549-9的規(guī)定，公用電網(wǎng)諧波電流限值經(jīng)修正后變?yōu)椋?次為6.23A，5次為6.23A，7次為4.41A；公用電網(wǎng)諧波電壓含有率不得超過(guò)1.6%。由表3、4可知電鐵負(fù)荷接入時(shí)諧波電流明顯增大，大部分都超出了國(guó)標(biāo)值，諧波電壓含有率小部分也超出了國(guó)標(biāo)值。因此需要一定的治理措施來(lái)防治諧波污染。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文在電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD中搭建了電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)仿真模型，利用FFT分析110kV交流系統(tǒng)諧波含量，奇次諧波電流的幅值隨諧波頻率的增大呈逐漸減小的趨勢(shì)，通過(guò)比較仿真結(jié)果與理論計(jì)算分析論證了仿真模型具有一定的實(shí)用性。并且通過(guò)實(shí)例分析使模型更加具有說(shuō)服力，而且該模型還可以變換各種接線方式和各種型號(hào)電力機(jī)車。由此說(shuō)明本文建立的電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的仿真模型具有很高的靈活性和較高的精度，可以滿足實(shí)際工程需求。

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