高速牽引供電系統建模及其運行參數對電網諧波的影響

羅世界王維博劉 勇鄭永康

（1.西華大學電氣與電子信息學院，成都 610039；2.國網四川省電力公司阿壩供電公司，四川 茂縣 623299；3.國網四川省電力公司電力科學研究院，成都 610072）

高速牽引供電系統建模及其運行參數對電網諧波的影響

羅世界1王維博1劉 勇2鄭永康3

（1.西華大學電氣與電子信息學院，成都 610039；2.國網四川省電力公司阿壩供電公司，四川 茂縣 623299；3.國網四川省電力公司電力科學研究院，成都 610072）

本文在對牽引供電系統中交直交機車運行原理分析的基礎上，建立了以有功功率、功率因素、直流側電壓3個指標作為參考的CRH380B型機車簡化模型，并采用PSCAD/EMTDC搭建了電力機車-牽引網-電網牽引負荷聯合仿真模型，通過仿真分析了運行參數AT變壓器漏抗、外部電源容量（電網容量）、牽引變壓器容量對電網電流諧波的影響。仿真結果表明，AT變壓器漏抗、牽引變壓器容量對電網電流諧波有影響較大，而外部電源容量對電網電流諧波的影響較小。

高速牽引供電；機車；電網諧波；仿真

高速鐵路牽引供電系統是電網的重要用電負荷，也是重要的諧波源。隨著高速鐵路運營里程的增加、動車組功率的提升以及行車密度的增加，研究高速鐵路牽引供電系統對電網的電能質量的影響具有重要意義。為了對高速鐵路機車運行對電網諧波的影響這個問題進行深入研究，搭建高速動車組和牽引供電系統模型變得十分重要。早期文獻[1]主要將電力機車等效為恒阻抗源、恒電流源或恒功率源，以機車的單一電氣特性來表現機車運行，存在一定不合理性，且不能體現機車諧波特性。近幾年，文獻[2-4]通過建立等效電路，分析機車諧波產生機理，構建了諧波電流源并聯等效阻抗的電力機車諧波等效模型并使用編程實現，但理論計算與機車實際諧波特性尚存在一定差距，理論計算結果過于理想化。文獻[5-7]通過對機車工作電路進行詳細建模，對機車運行及產生諧波進行仿真。但鑒于大多電力機車傳動系統控制算法復雜，尤其是高速列車，使得建立精確的機車仿真模型比較困難。本文在分析現有文獻資料的基礎上，建立了簡化機車仿真模型，即以有功功率、功率因數、直流側電壓3個控制指標來建立 CRH380B型機車簡化模型。該模型結構簡單，只需要搭建機車的整流器部分與直流環節，便能分析交直交機車正常運行的電壓電流情況和機車的諧波特性，這對于研究高速鐵路對電網的影響有積極作用。

本文采用 PSCAD/EMTDC中的模型庫建立機車-牽引網-電網牽引負荷聯合仿真模型，分析了動車組在穩定運行時AT變壓器漏抗、外部電源容量（電網容量）、牽引變壓器容量對電網電流諧波的影響。

1 牽引供電系統

本文所要分析的高速鐵路牽引供電系統是由外部電源（電網）、牽引變電所、牽引網、AT自耦變壓器和CRH380B型動車組構成。

1.1 外部電源（電網）

外部電源是由電網引入，為高速鐵路系統提供電能。目前高速客運線主要接入 220kV，對于電源的額定電壓，考慮輸電線路的電壓降，本文將外部電源的額定電壓設為230kV。

1.2 牽引變電所

牽引變電所的核心是由牽引變壓器構成。本文采用V/v接線牽引變壓器，通過將兩個單相雙繞組變壓器并聯，將外部電源230kV電能變為2× 27.5kV輸出的電能。

1.3 牽引網

牽引網為平行多導體傳輸線，但是導體數目較多，各線空間位置也不盡相同，不易于建模。因此，在建立模型時可根據牽引網空間分布以及導體參數計算出牽引網電氣參數，然后利用導線合并方法，將整個牽引網合并為3條平行導體（接觸線T、饋線 F、鋼軌）。本文利用文獻[1]的方法將 5km單線牽引網線路等效為單位長度的T型電路，然后擴展到任意長度的牽引網線路模型。

1.4 AT自耦變壓器

在 AT牽引供電系統中，牽引變電所牽引側電壓為兩相27.5kV。牽引網接觸線T和正饋線F接在自耦變壓器的原邊，構成 55kV回路，而鋼軌與自耦變壓器中點連接，接觸網與鋼軌的電壓保持為27.5kV。

1.5 電力機車

目前，我國電力機車已經逐漸采取交直交變頻方式，其基本結構包括整流器、直流環節、逆變器、電機。本文分析了交直交機車穩定運行時機車諧波產生的原理，搭建了 CRH380B型交直交機車動力模型（省略了逆變器與電機部分）。機車模型中的動力模塊是由電壓型四象限變流器組合而成的。

圖1 電壓型四象限變流器原理圖

如圖1所示，將變壓器二次側電路等效到一次側，可知

當機車處于正常運行時，四象限變流器及輸出功率的控制滿足以下3個條件：

1）中間直流環節Ud穩定在允許范圍內。

2）車載變流器一次側功率因數接近于1。

3）有功功率Ps穩定在允許范圍內。

假設以上3個條件都得到滿足，就可以進行以下分析：

若Un、R、L和變壓器原副邊變比已知，則式（1）成為Uc和In的約束條件。網側電壓Un是確定的，而In可以通過改變Uc的幅值與相角來控制。由圖1可得機車有功功率表達式為

由圖2所示相量關系，可得基波下的Uc、In的表達式

圖2 基波頻率下的電壓型PWM變流器相量圖

由式（2）、式（3）、式（4）可知，當機車穩定運行且有功功率Ps確定時，則PWM變流器輸入電壓的基波分量Uc和網側輸入電流基波分量In可以確定。當機車運行參數、外界條件確定時，用雙傅里葉級數表達Uc(t)可確定輸入電壓的諧波分量Uc(h)[3-8]。

當機車運行參數、外界條件確定時，可用雙傅里葉級數表達

式中，Ma為PWM變流器的調制系數；δ為采樣因子；ωm為調制波角頻率；ωc為載波角頻率；Jn為第一類的n階Bessel函數[3-8]。

由式（1）推導可得諧波電流In(h)為

式中，H為最高次諧波次數；Un(h)為h次諧波電壓；Z(h)為等效到接觸網側的機車主變壓器的h次諧波阻抗。

由以上理論分析可知，當交直交機車處于穩定運行狀態時，機車的諧波源于機車的整流部分，即當機車模型只搭建變壓器、整流器和中間直流環節，也能夠較準確的分析機車穩定運行時諧波特性。本文根據理論分析搭建了簡化CRH380B型機車模型。為驗證該模型能否較準確的反應機車的運行狀態與諧波特性，本文進行了仿真分析。

圖3 機車控制仿真圖

當對機車仿真運行時，機車有功功率Ps、網側功率因數φ，以及中間直流環節電壓Ud滿足四象限變流器及輸出功率的控制的要求，如圖3所示。機車產生電流諧波頻譜分布（基波除外）如圖4所示。圖2表示的機車含有3、5、7、9等低次諧波，而高次諧波主要集中分布在2倍、4倍于幵關頻率附近，且頻譜從3～27范圍內的奇次諧波含有量呈凹扇形分布，諧波頻譜為27次附近的奇數諧波含量向兩邊遞減，符合文獻[2-8]理論分析，證明了本文建立機車模型的準確性。

圖4 機車產生電流諧波頻譜分布圖

2 系統仿真分析

2.1 仿真參數設置

本文搭建了機車與供電網絡聯合仿真模型，模型相關參數設置見表 1。在該模型上，分析了運行參數AT變壓器漏抗、外部電源容量（電網容量）、牽引變壓器容量對電網電流諧波的影響。

表1 系統參數設置

2.2 運行參數AT變壓器漏抗對電網電流諧波的影響分析

AT變壓器漏抗是影響AT牽引供電系統電氣特性的重要因素，而目前實際運行的 AT變壓器漏抗差異較大。本文參考文獻[8]，將短路電抗分別取0.45Ω、0.9Ω、1.8Ω、3.6Ω，通過仿真分析AT變壓器漏抗對電網電流諧波的影響，見表2（表2中AT變壓器漏抗換算成標么值）。

如圖5所示，a、b、c相的電流總諧波畸變率在AT變壓器漏抗值為0.1p.u.時，取得最小值。由此可知，AT變壓器漏抗變化將會影響電網電流的諧波畸變，且在某個值時，對整個電網的電流諧波影響將會降到最低。因此當選擇 AT變壓器漏抗參數時，應綜合考慮，選取漏抗小且對電網諧波畸變影響較小的值。

表2 變壓器漏抗對電網電流諧波畸變率

圖5 AT變壓器漏抗對電流總諧波畸變曲線圖

2.3 運行參數外部電源短路容量對電網電流諧波畸變的影響分析

電氣化鐵路沿線的外部電源（電網）不同地區會存在一定的差異性，同一地區的電網運行工況也具有時變性，所以有必要分析外部電源系統對電網諧波畸變的影響。不同外部電源短路容量時電流總諧波畸變率見表 3。由表 3可知，當外部電源短路容量逐步增大時，電網各相的總諧波畸變率沒有較大變化，表明外部電源短路容量變化對電網電流諧波畸變影響較小。

表3 外部電源短路容量變化時電流諧波畸變率

2.4 運行參數牽引變壓器容量對電網電流諧波畸變的影響分析

牽引變壓器是高速鐵路供電系統中的重要一環，它的參數將會直接影響整個鐵路供電系統的性能。本文分析了不同牽引變壓器容量時電網電流諧波畸變情況，見表4。

表4 牽引變壓器容量對電網電流總諧波畸變率

將表4中各相數據繪成圖6，可以看出，a相電流總諧波畸變率真隨著牽引變壓器容量的增大，迅速下降。而牽引b、c相電流總諧波畸變率真變化不大，下降趨勢平穩。這說明牽引變壓器容量越大，電流諧波畸變越小，且牽引變壓器容量對空載相的電流諧波畸變影響最為明顯。

圖6 牽引變壓器容量變化時電流總諧波畸變曲線圖

3 結論

本文利用 PSCAD/EMTDC搭建了機車簡化模型及電力機車—牽引網—電網牽引負荷聯合仿真模型，分析了 CRH380B型動車組在穩定運行時，牽引網供電系統中AT變壓器漏抗、外部電源容量（電網容量）、牽引變壓器容量對電網電流諧波的影響。通過仿真分析得到以下結論：

1）本文搭建的機車模型，結構簡單，能較好分析機車穩定運行時的諧波產生，其諧波電流頻譜分布符合理論分析。

2）AT變壓器漏抗將會影響電網電流的諧波畸變，且在某個值時，對整個電網的電流諧波影響將會降到最低。當外部電源短路容量逐步增大時，電網各相的總諧波畸變率沒有較大變化，說明外部電源短路容量變化對電網電流諧波畸變影響較小,在設計外部電源短路容量參數時,可以不考慮其對諧波的影響。牽引變壓器容量越大，電流諧波畸變越小，且牽引變壓器容量對空載相的電流諧波畸變影響最為大。由以上仿真的結論可知，牽引供電系統中的運行參數 AT變壓器漏抗、牽引變壓器容量對電網諧波的影響較大，為了減小機車穩定負載時電網諧波畸變，可以對供電系統的運行參數進行優化設計，選擇更合適的 AT變壓器漏抗值、牽引變壓器容量值。

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High-speed Traction Power Supply System Modeling and the Harmonics Influence of Operation Parameters on the Grid

Luo Shijie1Wang Weibo1Liu Yong2Zheng Yongkang3
(1.Electrical and Electronic Information,Xihua University,Chengdu 610039;2.Aba Power Company Sichuan Electric Power Company,Maoxian,Sichuan 623299;3.State Grid Sichuan Electric Power Research Institute,Chengdu 610072)

Based on the analysis of the operation principle of AC-DC-AC locomotive in traction power supply system,this paper established a simplified model of CRH380B with active power,power factor,DC side voltage as a reference,and the united model of traction loads of electric locomotive,traction network and power system by PSCAD/EMTDC,analyzed what impact would have on grid current harmonics for AT transformer leakage reactance,the external power supply capacity (network capacity),the impact of traction transformer capacity by simulation.Simulation results showed that AT leakage reactance transformer,traction transformer capacity had a greater impact on the grid current harmonics,and current harmonics was less affected by the external power supply capacity.

high-speed traction power supply;locomotive;harmonic of the grid;simulation

羅世界（1987-），男，漢族，四川德陽人，碩士研究生，主要從事鐵路軌道交通供電系統研究工作。