輕軌供電系統(tǒng)諧波的測(cè)量與仿真分析_公共電網(wǎng)-論文網(wǎng)

1、輕軌供電系統(tǒng)諧波的測(cè)量與仿真分析_公共電網(wǎng)-論文網(wǎng)論文摘要：輕軌供電系統(tǒng)采用直流牽引，具有波動(dòng)性強(qiáng)、系統(tǒng)諧波含量豐富等特點(diǎn)，極可能威脅到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文研究輕軌供電系統(tǒng)在不同運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)公共電網(wǎng)諧波的影響規(guī)律。依據(jù)機(jī)車、牽引供電系統(tǒng)和公共電網(wǎng)的實(shí)際參數(shù)，搭建包括公共電網(wǎng)在內(nèi)的城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)整體仿真模型，并通過(guò)實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)諧波測(cè)試數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證。以此模型為平臺(tái)，得出該供電系統(tǒng)向公共電網(wǎng)注入諧波主要是24脈波整流導(dǎo)致的特征諧波（23次、25次）和逆變器開(kāi)斷導(dǎo)致（11次、13次）。諧波含量在單端供電極限運(yùn)行情況下較為嚴(yán)重，在列車啟動(dòng)瞬間其總諧波畸變率可達(dá)到17%。盡管在極端運(yùn)行情況

2、下，但各次諧波含量都未超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)允許值。這些研究可為調(diào)查城市軌道交通供電系統(tǒng)的影響提供理論支持。論文關(guān)鍵詞：城市軌道交通,供電系統(tǒng),公共電網(wǎng),電能質(zhì)量,仿真引言隨著我國(guó)部分特大中心城市人口的迅速增加，城市交通問(wèn)題日益突出，以城市軌道交通（包括輕軌和地鐵）為代表的城市軌道交通系統(tǒng)是解決大城市交通問(wèn)題的必由之路。部分中心城市正陸續(xù)開(kāi)通輕型軌道交通（簡(jiǎn)稱輕軌），其主要采用牽引供電系統(tǒng)，通過(guò)從公共電網(wǎng)供電到牽引變電所，通過(guò)牽引供電系統(tǒng)為牽引電機(jī)供電。由于牽引負(fù)荷的非線性、非正弦性、非對(duì)稱性和非連續(xù)性的“四非”特性，可能威脅到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，城市輕軌負(fù)荷處于人口密集的城市之中，對(duì)公共電網(wǎng)

3、的影響一旦造成事故有可能對(duì)整個(gè)城市的電力供應(yīng)和社會(huì)穩(wěn)定帶來(lái)影響。目前的研究方法以確定性的方法計(jì)算機(jī)車運(yùn)行產(chǎn)生的諧波電流。實(shí)際上，機(jī)車在運(yùn)行中負(fù)荷及其諧波電流會(huì)發(fā)生變化，受許多不確定的因素影響。盡管國(guó)外在研究牽引負(fù)荷諧波時(shí)采用了隨機(jī)模擬的方法，但主要以實(shí)測(cè)法進(jìn)行研究，但實(shí)際測(cè)量往往對(duì)列車實(shí)際的運(yùn)行狀況并不清楚，很難摸清諧波的規(guī)律。盡管文獻(xiàn)給出了機(jī)車在運(yùn)行中產(chǎn)生的隨機(jī)諧波電流計(jì)算方法。這種方法的實(shí)現(xiàn)需要正確掌握機(jī)車主電路的控制過(guò)程，技術(shù)較為復(fù)雜、不利于維護(hù)。目前，國(guó)內(nèi)大部分研究都是針對(duì)普通的電氣化牽引供電系統(tǒng)，由于輕軌供電系統(tǒng)采用直流牽引，并且采用3電平逆變系統(tǒng)，其供電系統(tǒng)有其特殊性，針對(duì)該問(wèn)題的

4、研究并不多。本文根據(jù)MATLAB/simulink的特點(diǎn)，從動(dòng)態(tài)的過(guò)程對(duì)某城市輕型軌道交通的牽引供電系統(tǒng)及電力機(jī)車進(jìn)行動(dòng)態(tài)建模、仿真和實(shí)際測(cè)量，以全面了解該城市軌道交通供電系統(tǒng)對(duì)公共電網(wǎng)的影響規(guī)律，這對(duì)提高電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量和避免事故有一定的意義。2仿真模型本文研究的城市軌道交通供電系統(tǒng)具有一定典型性，采用1500V直流牽引供電，其主接線原理如圖1所示。主變電所將城市電網(wǎng)的110kV電能降壓后以10kV電壓等級(jí)分別供給牽引變電所和降壓變電所。為保證供電的可靠性，設(shè)置兩座110kV主變電所，每個(gè)主變電所都由兩路獨(dú)立的電源供電，內(nèi)部設(shè)置兩臺(tái)主變壓器。牽引變電所電壓等級(jí)為10kV，為環(huán)網(wǎng)供電方式。其

5、中整流采用24脈波整流方式，機(jī)車上包括了逆變器和牽引電機(jī)，其中逆變器將直流通過(guò)IGBT斬波逆變成PWM（脈沖寬度調(diào)制）脈沖驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)。圖1城市軌道交通供電系統(tǒng)2.124脈波整流為減少牽引整流變電站網(wǎng)側(cè)諧波電流對(duì)城市電網(wǎng)的影響，我國(guó)城市軌道交通的牽引整流變電站正由原來(lái)的12脈波向24脈波發(fā)展。本系統(tǒng)采用了24脈沖整流技術(shù)，其原理及仿真模型如圖2所示。事實(shí)上，24脈波整流是由兩個(gè)12脈波整流并聯(lián)而成。圖2(a)中，兩個(gè)12脈波整流器的整流變壓器高壓網(wǎng)側(cè)并聯(lián)的繞組分別采用±7.5°外延三角形連接時(shí)，兩套整流器并聯(lián)運(yùn)行即可構(gòu)成等效24脈波整流。為了實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)整流變壓器在網(wǎng)側(cè)實(shí)現(xiàn)&#

6、177;7.5°的移相，在整流變壓器原邊采用延邊三角形接法。圖2（b）是利用MATLAB/simulink仿真模塊搭建的24脈波整流器模型，整流器接有理想電源，直流側(cè)有電阻負(fù)載運(yùn)行，通過(guò)此模型可以分析整流器的運(yùn)行特性。通過(guò)24脈沖整流后，110kV側(cè)電流的諧波含量如圖3所示。從電流諧波成分看出，通過(guò)整流后，明顯具有一些特征諧波：21、23、47和49次諧波。根據(jù)理論，24脈波整流后，理論上的諧波次數(shù)應(yīng)為：24k1，其中k為整數(shù)，因此仿真結(jié)果和理論相吻合。該整流方式對(duì)于消除3次、5次、7次、11次、13次等低次諧波非常有效。（a）整流原理（b）仿真電路圖224脈波原理及仿真模型圖324

7、脈波整流后網(wǎng)側(cè)的諧波電流成分2.2機(jī)車模型機(jī)車模型主要包括逆變器和牽引電機(jī)兩部分。目前大功率交流傳動(dòng)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的是中點(diǎn)箝位型三電平逆變器（NeutralPointClamped，簡(jiǎn)稱為NPC)，圖4是利用MATLAB/simulink搭建的NPC三電平逆變器仿真模型，右側(cè)為1500V直流電源，左側(cè)部分為三角載波和開(kāi)關(guān)程序模塊，中間的模塊為逆變器和三相異步電機(jī)。仿真電路輸出的三電平PWM脈沖電壓如圖5所示，與傳統(tǒng)的兩電平比較，諧波成分會(huì)更少一些，波形更接近正弦。通過(guò)在逆圖4三電平NPC逆變器仿真模型變器的輸入端測(cè)量到的諧波電流成分如圖6所示，可以看到，主要包括了3、5、11、13和19次諧波成分，其中以11和13次諧波成分最為顯著。圖5三電平PWM脈沖輸出圖6逆變器工作導(dǎo)致的諧波電流成分3公共電網(wǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采用Fluke434專用電能質(zhì)量分析儀，從110kVPT和CT二次側(cè)取電壓和電流信號(hào)同時(shí)監(jiān)測(cè)，普通負(fù)荷則采用短時(shí)測(cè)量為主（30分鐘），對(duì)輕軌供電的重要負(fù)荷采取長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量