牽引供電系統(tǒng)諧波過程的仿真研究

張根義

摘 要：為了分析牽引供電系統(tǒng)諧波過程的影響因素，本文利用機車-牽引網-等值電網聯合電磁暫態(tài)仿真模型分析了車網耦合關系下牽引網長度、機車位置和數量的變化對牽引網諧振特性和注入電力系統(tǒng)的電流諧波含量造成的影響。通過仿真分析，結果表明牽引網諧振頻率只與牽引網長度有關，也就是說牽引網分布參數不同會導致諧波過程變化，機車數量或位置對其并無影響。

關鍵詞：車網耦合；電流諧波；諧振特性；牽引供電系統(tǒng)

0 引言

電力機車產生的諧波經由牽引網和牽引變電所送往牽引供電系統(tǒng)。諧波對電力系統(tǒng)的影響主要分為直接影響和間接影響，直接影響主要是指對系統(tǒng)元件（如：斷路器、變壓器、容性裝置）、監(jiān)測裝置（如：繼電保護裝置、傳感裝置和儀器儀表裝置）及其他用戶造成的影響，間接影響則是指在共用走廊上對通信線設備產生的影響。

處于運行狀態(tài)的電力機車的基波功率和諧波功率會因機車位置或數量的不同而不斷變化，三者之間會相互影響。牽引網供電系統(tǒng)屬于分布參數的系統(tǒng)，流經牽引網的諧波電流可能會產生諧振現象，使得侵入到電力系統(tǒng)的諧波含量倍增。

綜合以上分析可知，現有的文獻在分析牽引供電系統(tǒng)中諧波的傳輸特性時，一般簡單地將電力機車按其電流諧波含有率的不同等效為電流源，將電力系統(tǒng)中其他組成部分簡化為等值阻抗，并未考慮電力機車與牽引網間存在的耦合特性關系。因此本文將利用機車-牽引網-等值電網聯合電磁暫態(tài)仿真模型來研究車網耦合關系下的牽引網長度、機車位置和數量變化時對牽引網諧振特性以及注入電力系統(tǒng)的電流諧波含量的變化特點。

1 牽引網諧振理論分析

為了便于牽引網中諧波電流諧振特性的分析，現將牽引供電系統(tǒng)作相應的簡化處理，如圖1所示。假設供電臂全部長度為Lkm，該區(qū)間內現有一輛電力機車在運行，當其位于牽引變電所lkm遠處時，機車產生的諧波電流設為n，經牽引網流向兩側供電臂后分別為ln和I′ln，Zsn為牽引系統(tǒng)等效諧波阻抗（由牽引變壓器阻抗和電源阻抗組成）。

設牽引網單位長度的n次諧波阻抗、導納分別為zn、yn，則其n次特征諧波阻抗Zcn和傳播常數γn如式1所示：

因此，可得到牽引網諧波電流放大倍數如下式：

式（4）表征了電力機車產生的諧波電流與注入到牽引系統(tǒng)中的諧波電流之間的關系，其受到機車位置、諧波次數以及牽引網分布參數的影響。當上式分母為零時，諧波電流值會無限放大，此時的牽引網將發(fā)生諧振現象。

2 牽引網穩(wěn)態(tài)電壓仿真分析

Q電力機車在行駛過程中，其基波功率會因牽引網中電壓的不同而變化。而確定牽引系統(tǒng)的供電方式以后，牽引網中的電壓分布與電力機車位置以及機車的數量之間的關系將被確定，本文分別對表1所示的三種情況下接觸線電壓分布進行仿真分析，采用電磁暫態(tài)仿真模型，其由機車、牽引網、等值電網聯合組成，仿真結果如圖2所示：

分析上圖可知，牽引系統(tǒng)接觸網上的電壓隨著供電距離的增加而呈現出下降趨勢，在機車位置處，電壓降至最低。由于自耦變壓器的補償作用，電壓又會略微上升，但就總體而言其仍另呈現下降趨勢。另外，隨著機車載荷的增加，牽引系統(tǒng)的整體電壓水平也降低。

3 牽引網諧振特性仿真分析

由第1節(jié)的分析可知，當諧波電流注入到牽引網后，牽引系統(tǒng)會發(fā)生諧振現象，牽引網長度，機車位置、數量均會對其諧振特性和注入系統(tǒng)的諧波電流產生影響，接下來本文就這三個方面對牽引系統(tǒng)的諧振特性和諧波電流畸變率的影響進行仿真分析。

3.1 機車位置對系統(tǒng)諧波畸變率的影響

研究機車位置對牽引系統(tǒng)的諧振現象和諧波電流畸變率的影響，需進行實驗來對比分析，在仿真過程中使電力機車處于距離變電所5km、15km、25km、35km、40km的位置。當機車在不同位置時其取流和牽引網的首端電流中各次諧波電流含量對比結果如圖3所示，不同距離下機車諧波的電流放大情況如圖4所示：

圖3 機車不同位置時機車取流和牽引網首端電流各次諧波含量對比

由圖3和圖4可以看出，牽引系統(tǒng)發(fā)生諧振的頻率不因機車位置的不同而變化，均為27次諧波，同時電力機車距牽引變電所距離越遠時，其諧振點的電流放大倍數越高。

3.2 牽引網長度對系統(tǒng)諧波畸變率的影響

為了仿真分析牽引網長度對牽引網諧波傳輸特性和系統(tǒng)諧波畸變率的影響，將仿真模型中的牽引網長度分別設置為20km、30km、40km，同時電力機車始終處于牽引網末端。牽引網長度對首端電流諧振的影響如圖5所示；不同牽引網長度的電壓、電流諧波畸變率如表2所示。

由表2可知，盡管牽引網長度增加時，在第45次、33次和27次諧波處均出現諧振現象，但是由于諧波含量較低，110kV側電壓、電流總諧波畸變率仍然是降低的。

同時由圖5可知當牽引網長度為20km時45次諧波處出現諧振現象；當牽引網長度為30km時諧振發(fā)生在第33次諧波處；當牽引網長度為40km時諧振發(fā)生在第27次諧波處。綜上可知，牽引網諧振點隨著牽引網長度的增加而逐漸降低。

3.3 機車數量對系統(tǒng)諧波畸變率的影響

牽引網長度為40km時，在牽引網左臂上分別接入2、3、4輛機車，牽引網首端諧振情況如圖6所示，機車取流、牽引網首端電流、110kV母線處電流、電壓諧波畸變率值如表3所示。

由圖6可以看出，機車數量與牽引網諧振頻率不存在明確的關系。盡管在25-31次諧波中，牽引網電壓會隨著電力機車數量的增加而下降，此時由機車注入到牽引網中的諧波電流含量也呈下降趨勢，但是從圖中也能看到110kV側電壓畸變率仍然是上升的，且增加值已超過國家的規(guī)定標準——2%。

4 結論

本文分析了影響牽引系統(tǒng)中諧波電流諧振特性變化的因素，通過仿真分析研究表明，牽引網諧振頻率只與牽引網長度有關，也就是說牽引網分布參數不同會導致諧波過程變化，機車數量或位置對其并無影響。當電力機車處在牽引網末端時，諧振頻率隨牽引網長度的增加而降低，注入到牽引供電系統(tǒng)的諧波電流的含量較低；當牽引網長度確定后，牽引網諧振點是隨之確定，盡管機車到牽引變電所距離增加時，其注入到牽引供電系統(tǒng)的諧波含量也呈現下降趨勢，同時此時諧振點電流放大倍數也逐漸升高，當機車運行至牽引網末端時放大倍數達到最大，但是由于被放大的諧波電流的含量比較低，因此注入電力系統(tǒng)電流諧波含量還是呈現下降趨勢。