畢業(yè)論文-高鐵動車組交-直-交供電系統(tǒng)高次諧波特征研究

湖南大學畢業(yè)設計（論文）第頁1緒論1.1課題背景及目的1.1.1高速鐵路的發(fā)展趨勢在全世界大力提倡發(fā)展低碳經(jīng)濟的大趨勢下，研發(fā)更為低碳環(huán)保的交通方式成為各國的首要選擇，電氣化鐵路一直以來在節(jié)能、減排、降噪方面都具有顯著優(yōu)勢且技術(shù)經(jīng)濟性明顯，被譽為“綠色交通工具”。隨著高速鐵路的誕生和發(fā)展，全世界必將重新審視鐵路的價值。我國在高速鐵路領(lǐng)域與一些發(fā)達國家相比起步較晚，但自從進入21世紀以來，發(fā)展速度極快。經(jīng)過十余年的建設和改造工作，中國現(xiàn)在擁有世界上最大的高速鐵路網(wǎng)絡。目前，中國的高鐵速度已經(jīng)代表了世界高鐵的最高水平，中國只用了五年的時間，就走過了其他發(fā)達國家五十年的高鐵發(fā)展歷程，其成就令世人矚目。據(jù)我國《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃（2008年調(diào)整）》和工程建設進度顯示，2010年全國鐵路運營里程已超過90000公里，預計到2020年全國鐵路運營里程將超過120000公里。中國“四縱四橫”高速客運專線（四縱——京滬、京港、京哈、杭福深；四橫——徐蘭、滬昆、青太、滬漢蓉）鐵路網(wǎng)隱然成型，中國高速鐵路時代的到來，改變了城市之間的時空距離，為人們的出行方式增添了可選擇性，也為經(jīng)濟圈的發(fā)展與融合提供了條件，為中國經(jīng)濟版圖的改變提供了可能。高速鐵路作為陸上運行速度最快的交通運輸方式，與其他現(xiàn)在交通運輸相比，具有節(jié)約土地資源、運行速度和效率高、低碳環(huán)保、運輸能力較大、安全性高、帶動區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展等突出特點。1.1.2高鐵動車組中諧波的由來及其危害我國鐵路電氣化進入大提速時期后，CRH系列動車組先后投入運用，特別是在高速鐵路上全部使用CRH系列中時速250km以上的高速動車組[1]，動車組全部采用交流傳動系統(tǒng)。交直交型交流傳動機車功率因數(shù)較高，注入系統(tǒng)的諧波電流較小。實測顯示，動車組網(wǎng)側(cè)電流中3、5、7次等低次諧波含量比傳統(tǒng)直流電力機車諧波含量明顯減小，但諧波頻譜變寬。我國有各類車型混跑，導致牽引供電系統(tǒng)中諧波含量豐富。牽引網(wǎng)是連續(xù)分布電氣參數(shù)的電氣網(wǎng)絡，由于集膚效應的作用，當系統(tǒng)參數(shù)滿足一定條件時，相應次數(shù)諧波注入便會激勵系統(tǒng)產(chǎn)生諧波放大甚至高次諧振。這會對牽引供電系統(tǒng)本身的設備、公用電網(wǎng)電能質(zhì)量有較大影響。目前，在我國也已出現(xiàn)過高速列車產(chǎn)生的高次諧波電流被放大近20倍，引起變電所55kV母線電壓和分區(qū)所27．5kV母線電壓升高超過10kV，造成列車停運的事故[2]。運行以來已多次引發(fā)諧振等不穩(wěn)定現(xiàn)象。那么高鐵動車組的高次諧波從哪里來？高鐵動車組的牽引系統(tǒng)是由變壓器、變流器和電動機等部件組成的。由于變壓器、電動機為感性負載，變流器內(nèi)部要進行整流和逆變，勢必要產(chǎn)生諧波。對于PWM控制的電壓型變流器，其輸出的電壓波形均為矩形波，對電壓方波進行傅氏分解可獲得各次諧波的含量。諧波頻率的高低與變頻器調(diào)制頻率的大小有關(guān)，調(diào)制頻率低，人耳聽得見調(diào)制頻率產(chǎn)生的電磁噪聲；調(diào)制頻率高，人耳聽不見，但高頻信號仍存在。由于變流器中的逆變部分是通過高速半導體開關(guān)來產(chǎn)生一定寬度和極性的PWM控制信號，這種具有陡變沿的脈沖信號會產(chǎn)生很強的電磁干擾，尤其是輸出電流，會以各種方式把自己的能量傳播出去，形成對其他設備的干擾，嚴重地超出相關(guān)電磁兼容標準規(guī)定的極限值。目前我國普速鐵路線主要采用的是交直型電力機車，其通過控制晶閘管導通角實現(xiàn)機車功率的調(diào)節(jié)，功率因數(shù)較低且諧波豐富，而諧波是電網(wǎng)安全運行的主要威脅之一。我國目前執(zhí)行的關(guān)于限制電網(wǎng)諧波的標準是GB/T14549-1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》，該標準規(guī)定了各個電壓等級的電網(wǎng)諧波電壓畸變率，如表1.1所示。在不同的電壓等級下，公共電網(wǎng)所允許的電壓畸變率不同，各次諧波電壓的含有率也不相同。電壓等級較高的電網(wǎng)，諧波限值要求更加嚴格。表1.1公共電網(wǎng)諧波電壓含量限值電網(wǎng)標稱電壓（kV）電壓畸變率（%）各次諧波電壓含有率（%）奇次偶次0.385.04.02.064.04.01.610353.03.01.2661102.01.60.8電流總諧波畸變率（THD%）的計算式為：K=n=2∞In2I1上式中，In為n次諧波電流有效值，n=1時I1為基波電流有效值。設線路電阻為R，只有基波電流I1時含基波電流時，線路損耗為：I2R=I1采用電纜輸電時，諧波引起電壓畸變，導致線路老化速度加快、影響電纜使用壽命；另外，諧波含量較高的電流使電網(wǎng)斷路器電流過零時，其di/dt要比正常情況下大很多，導致斷路器開斷能力下降；諧波會影響到電網(wǎng)的波形，使電網(wǎng)提供的電能質(zhì)量下降，以致某些用電設備不能正常工作；輕微的諧波干擾會在通信系統(tǒng)中產(chǎn)生噪音，降低通話質(zhì)量，干擾嚴重時會使通信信號丟失，甚至還會損害設備危及工作人員的人身安全如上文所說，高鐵動車組交-直-交供電系統(tǒng)拓寬了諧波的頻譜，增加了在龐大、復雜的供電系統(tǒng)諧振發(fā)生的幾率。諧波諧振的危害可總結(jié)為以下幾點:(1)諧波諧振會產(chǎn)生高于電源數(shù)倍的電壓，引起高壓電氣設備絕緣損壞。若保護熔斷器未及時動作，可能會引起電壓互感器噴油甚至爆炸的嚴重后果；(2)諧振引起的過電壓會損壞氧化鋅避雷器。無間隙氧化鋅避雷器不能長時間承受過電壓，如果氧化鋅避雷器的直流電壓偏低，避雷器會在過電壓的作用下短時間內(nèi)多次動作而熱崩潰；(3)諧波諧振時兩相電壓升高，一相電壓降低，線電壓正常，其現(xiàn)象與單相接地相同，工作人員可能會誤判斷；(4)諧振時電磁式電壓互感器鐵芯逐漸飽和，增大變比的誤差，影響計量、測量精度等。綜上所述，對新型高速動車組展開電能質(zhì)量問題研究工作是非常必要的。1.2國內(nèi)外研究狀況諧波分析是電氣化鐵路電能質(zhì)量的重點問題，自提出以來，就受到很多國家鐵路、電力部門的重視。英國、德國等國家對這方面的研究進行得較早，取得了一定的成果。國內(nèi)研究工作起步相對較晚，但發(fā)展迅速，與國外差距不斷縮小。國內(nèi)外學者從電力機車諧波源仿真[3-6]、諧波標準以及水平評估[7-9]、牽引網(wǎng)中諧波傳播特性[10-14]、諧波的危害和影響[15-17]等方面進行的研究效果較好。文如文獻[10]中基于八端口牽引網(wǎng)模型的電力機車諧波分析等研究取得了與實際情況相符合的結(jié)果；文獻[14]討論并驗證了目前所應用的諧波抑制技術(shù)的有效性；文獻[15]對電力系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生機理、諧波的危害和影響和潮流分析等方面進行了較為細致的闡述；文獻[16,17]都對電力系統(tǒng)諧波的諧振以及放大效應做了相關(guān)的介紹和討論。1.3論文構(gòu)成及研究內(nèi)容本文的主要工作有：1、對高鐵動車組牽引供電系統(tǒng)的各個組成部分（牽引變電所、AT自耦變壓器所、牽引網(wǎng)、電力機車）做簡單分析；2、對實際結(jié)構(gòu)進行合理簡化，在MATLAB/Simulink中找到相應的模塊或構(gòu)建切合實際仿真的模塊，并為其設置切合實際的參數(shù)，再利用上述模塊搭建模型進行仿真；3、利用仿真結(jié)果分析電力機車在牽引和制動兩種情況下的諧波特性，得出相應結(jié)論；4、總結(jié)當前在電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的濾波方法。由于本人水平有限，未能找到合適的牽引網(wǎng)方法，無法測得實際仿真數(shù)據(jù)，故只搭建從電力機車受電弓到直流環(huán)節(jié)的仿真模型。牽引工況下，考慮到牽引網(wǎng)側(cè)連接被視為無窮大的電網(wǎng)、直流環(huán)節(jié)后的逆變環(huán)節(jié)和驅(qū)動電機有自身閉環(huán)調(diào)節(jié)，故默認牽引網(wǎng)送來的電能為25kV的工頻交流電、采用電阻代替負荷；制動工況下，用直流電壓源代替逆變器—牽引電機部分。2牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析概述：我國高速鐵路普遍采用CRH系列動車組。高速動車組采用交-直-交變頻方式。牽引供電系統(tǒng)由外部電源、牽引變電所、接觸網(wǎng)和電力機車等部分組成，本人認為傳動系統(tǒng)可以認為即電力機車上的電動系統(tǒng)，實現(xiàn)供電系統(tǒng)驅(qū)動電力機車運行的功能。傳動系統(tǒng)主要包括受電弓、牽引變壓器、變壓器、逆變器、三相異步電機、輪軸等。整個牽引供電、傳動系統(tǒng)如圖2-1所示。圖2.1作為電氣化鐵路運輸?shù)哪芰縼碓矗獠侩娫聪螂姎饣F路提供電壓等級為110kV或220kV的穩(wěn)定可靠交流電。目前，我國普速鐵路大多接入110kV電網(wǎng)，高速客運專線則接入220kV電網(wǎng)。牽引供電系統(tǒng)為單相工頻25kV交流電，主要組成部分包括供電電源、牽引變電所、分區(qū)所、自耦變壓器所、牽引網(wǎng)以及電力機車。2.1供電方式牽引供電系統(tǒng)的供電方式,分為直接供電方式、帶回流線的直接供電方式、BT供電方式、AT供電方式等。其中帶回流的直接供電方式和AT供電方式都能較好地抑制電氣化鐵路對沿線通信線路的電磁干擾，因而國內(nèi)新建的客運專線多采用這兩種供電方式。二者各有優(yōu)缺點,一般會根據(jù)線路技術(shù)要求以及線路投資等多方面因素綜合考慮后確定采用的供電類型。我國高速鐵路通常采用AT供電方式，其優(yōu)點在于以下幾個方面：（1）供電能力強，供電距離遠，牽引變電站數(shù)量少，可減少外部電源投資；（2）抗干擾能力強，可提高電磁環(huán)境，降低防干擾費用；（3）電分相數(shù)量少，從而有利于提高列車運行速度；（4）牽引網(wǎng)載流能力較強，牽引網(wǎng)電壓損失和電能損失較小。2.2供電電源由于電氣化鐵路是電能的大用戶，我國電氣化鐵路的電能均直接來源于變電站。我國電氣化鐵路有110kV、220kV兩種電壓等級，一般普速、快速鐵路主要采用110kV電壓等級的牽引站，如京廣線、京滬線等；高速鐵路的動車組運行速度快、驅(qū)動電機功率大、持續(xù)受電時間長，因而對電能的要求高，另外對電網(wǎng)的三相不平衡影響更大，所以一般選用220kV電壓等級的牽引所供電。選擇外部電源需要考慮電源容量，其一般可用短路容量來衡量。電力系統(tǒng)的發(fā)電容量越大、負荷接入點與電源的距離越近，則短路容量越大。輸電線路的電壓等級與電力系統(tǒng)短路容量成正相關(guān)關(guān)系。表2.1為電網(wǎng)短路容量分布范圍。表2.1電網(wǎng)短路容量分布范圍電壓等級（kV）短路容量分布范圍（MV?A）110440--20002203700--14000選擇較大短路容量的變壓器可有效減小電壓畸變。表2-2為牽引變壓器容量ST和短路容量Sd表2.2牽引變壓器容量與短路容量的關(guān)系普速鐵路、快速鐵路高速鐵路ST202531.5506375120Sd50075012001900180025004500S25303838293038由表2.1、2.2可知，高速鐵路的短路容量為1800-4500MV·A，相比之下接入220kV較為合適。電氣化鐵路均采用雙路電源供電以保證安全可靠性，且一般情況由電力系統(tǒng)不同區(qū)域、部位單一電源的變電站向牽引站供電，由此保證電氣化鐵路的供電不受電力系統(tǒng)故障影響。2.3牽引變電所牽引變電所根據(jù)不同電力機車對電壓、電流的不同需求，通過牽引變壓器將電力系統(tǒng)送來的110kV或220kV電壓等級的電能轉(zhuǎn)換成電力機車所需的單相工頻交流電，即牽引網(wǎng)上的網(wǎng)側(cè)額定電壓27.5kV或55kV，并通過饋線、受電弓、鐵軌等牽引網(wǎng)組件向電力機車供給電能。牽引變電所的主要設備是牽引變壓器，接線方式、容量、臺數(shù)、及備用方式直接影響牽引站主接線的型式、配電裝置的結(jié)構(gòu)和變電站屋外布置的占地面積，對整個牽引站技術(shù)經(jīng)濟指標的確定有重要意義。為了保證鐵路電力牽引的供電可靠性，在牽引變電站中需設置兩臺主變壓器，一臺主供，一臺備用。我國電氣化鐵路中有多種牽引變壓器投入應用，就未來的趨勢來看，V/v接線牽引變壓器和Scott平衡變壓器將逐步取代其他類型變壓器成為未來電氣化鐵路的主流牽引變壓器。圖為單相V/v接線原理圖。圖2.2單相V/v接線原理圖圖中，變壓器T1高壓側(cè)接入AC相，T2接入BC相，低壓側(cè)分別接接觸線和鋼軌。接觸線兩端均可供電。2.4自耦變壓所采用AT供電方式時需要自耦變壓器連接接觸線、鋼軌、正饋線。由于在AT供電模式中自耦變壓器的變比為2:1，可以使用單相雙繞組變壓器特定的接線方式來實現(xiàn)自耦變壓器的功能。將單相雙繞組變壓器的一次側(cè)和二次側(cè)繞組的異名端相連，再作為中點抽頭與鋼軌相連，其余兩個抽頭分別與接觸線和正饋線連接，仿真模型如圖2.3所示。圖2.3自耦變壓器仿真接線圖2.5牽引網(wǎng)2.5.1牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)分析牽引網(wǎng)的主要組成部分有饋電線、接觸線、承力索、鋼軌、回流線等，這些部分共同組成牽引網(wǎng)的懸掛系統(tǒng)。懸掛系統(tǒng)沿鐵路線布置，實時向運行中的電力機車進行供電。懸掛系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)復雜，且多方面因素隨實際環(huán)境等因素變化，而其又是電氣化鐵路供電的重要部分，因此對其正確等效與化簡對仿真模型的建立有很重要的作用，論文[2,66]對這方面做了詳細論述，本文的將對牽引網(wǎng)的等效及簡化進行分析。牽引網(wǎng)組成如圖2.4所示：圖2.4牽引網(wǎng)組成與其它供電形式相比，AT牽引網(wǎng)供電臂較長，一般可達40-50km。為了減小牽引網(wǎng)出現(xiàn)故障時牽引供電系統(tǒng)的停電范圍，同常會在供電臂中間位置設置開閉所，進行保護分段。此外，在重要的編組站也可以設置開閉所進行分段，雙線區(qū)段開閉所還能夠?qū)崿F(xiàn)上、下行牽引網(wǎng)的扭結(jié)供電，有助于減小牽引網(wǎng)沿線的電能損失，改善整個牽引網(wǎng)的電壓水平。雙線區(qū)段分區(qū)所能實現(xiàn)上行和下行牽引網(wǎng)的并聯(lián)供電方式，在一定程度上可以提高供電質(zhì)量。此外，當相鄰牽引變電所停電時，單線區(qū)段和雙線區(qū)段都可以通過位于分區(qū)所的聯(lián)絡開關(guān)實現(xiàn)臨時的越區(qū)供電。2.5.2牽引網(wǎng)簡化（一）簡化原理從Carson的推導知，任何導線—地回路的單位自阻抗為：z=r+π2f×10-4+j其中r為單位長度導線的有效電阻(Ω/km)，f是電流頻率（Hz）；Dg兩條并行導線—地回路之間的單位互阻抗為：zm=π2f×式中d為兩條平行導線的間隔距離。標準工作情況下（f=50Hz）:z=r+0.05+j0.145lgDgReqΩ zm=0.05+j0.145lgD（二）簡化接觸網(wǎng)只有一條導線作為接觸線的接觸網(wǎng)是簡單懸掛的，由上式可得：z1=r1r1是單位長度接觸線的電阻，Req1鏈式懸掛比簡單懸掛多一條承力索。接觸線、承力索分別與地構(gòu)成帶自阻抗的回路，而且兩個回路之間也存在互阻抗。為簡化計算，需要將接觸線和承力索等效為一條等值導線，形成等值導線—地回路。由上式可得到接觸線—地回路自阻抗和承力索—地回路自阻抗分別為：zT=rT+0.05+j0.145zc=rc+0.05+上式中rr、rc分別為單位長度的接觸線、承力索的有效阻抗，Reqr、Reqc分別為接觸線—地回線與承力索—地回線之間的互阻抗為：zTC=0.05+j0.145lgDgdTC(Ω/上式中dTC為接觸線與承力索的中心距離。通過dTC=h-23fc 式中，h是懸掛線最高點和地之間的距離，fc是根據(jù)電路理論和電壓平衡，得到等值線路—地回路自阻抗計算式：z1=zTC+11zT有加強線的鏈式懸掛比普通鏈式懸掛在承力索上方多一條加強線。根據(jù)上文的推導，同理可得加強線—地回線自阻抗為：zc=rc+0.05+j0.145lg其中rc為單位長度加強線的有效電阻，Reqc加強線、承力索、接觸線分別與地形成的回路之間的互阻抗為：zTL=0.05+j0.145lgDgd式中，dTL為接觸線、承力索、加強線三條導線間dTL=3dTCdTAdCA 上式中，dTC、dTA、dCA分別為接觸線、承力索、加強線兩兩之間的中心距離。類似于鏈式懸掛的自阻抗計算方式，帶加強線的z1=zTL+11z（三）軌道的簡化由上文分析，一條軌道—地回路自阻抗為：zR=rR+0.05+j0.145lg上式中，rR為單條鐵軌單位長度的等效電阻；ReqR為兩條軌道—地回路互阻抗為：zmR=0.05+j0.145lgDgd上式中，dR為兩條鐵軌之間的中心距離（我國標準軌距dR=1435兩條鐵軌是并聯(lián)的，根據(jù)電路原理可得等值軌道—地回路自阻抗為：z2=rR2+0.05+j（四）單位牽引網(wǎng)模型根據(jù)上文論述的線路簡化原理，將接觸線、承力索、加強線等效為一條接觸線，兩條并聯(lián)鋼軌等效為一條鋼軌，則牽引網(wǎng)可以等效為接觸線（T）、鋼軌（R）、正饋線（F）三線構(gòu)成的等值模型。為保證牽引網(wǎng)能安全、穩(wěn)定、持續(xù)地向電力機車供電，一般采用接觸線、軌道、饋線均有備用的復線并聯(lián)AT牽引網(wǎng)，可以用6條線等效模擬上下行接觸網(wǎng)，如圖2.5所示。圖2.5單位長度牽引網(wǎng)的仿真模型2.6分區(qū)所復線電氣化鐵路的供電臂末端(即兩座牽引變電所的銜接處)一般均設有分區(qū)所。傳統(tǒng)分區(qū)所內(nèi)設置上下行聯(lián)絡開關(guān)和越區(qū)開關(guān),其主要功能是：（1）連接上下行接觸網(wǎng)，可以從兩個方向向供電臂中任意位置的列車進行供電，使上下行接觸網(wǎng)電流分配更合理，達到減小供電臂上電能的目的；（2）在主牽引變電所由于故障或供電規(guī)劃變更而不能正常運行時，分區(qū)所可以通過閉合越區(qū)開關(guān)改由相鄰變電所供電，維護電氣化鐵路的正常運行；（3）由于分區(qū)所在供電臂末端將連接上下行接觸網(wǎng)減小了網(wǎng)上的電壓差，限制了分段絕緣器處的電弧，因而分區(qū)所還有保護接觸網(wǎng)設備的功能。2.7電力機車電力機車是體現(xiàn)高速鐵路其他工作成效的顯性部分，與旅客的關(guān)系最為緊密。電力機車通過受電弓將接觸線上的電能引入車體內(nèi)部的車載變壓器，得到功率因數(shù)接近于1、電壓為1500V的電能，再通過變流器將電能整流后進入直流環(huán)節(jié)，通過濾波結(jié)構(gòu)后，將電能逆變?yōu)?000V的三相交流電，最后將三相交流電供給三相異步驅(qū)動電機，從而驅(qū)動機車運行。整體結(jié)構(gòu)中，脈沖變流器是非常重要的部分。分析電力牽引的諧波等一般從機車負荷的主變壓器低壓側(cè)開始，因此仿真中的機車模型用變流器替代，而機車變流器之后的部分，其電氣參數(shù)的變化有其自身閉環(huán)控制系統(tǒng)約束，可以視作一個恒定負載，用負荷代替。2.8本章小結(jié)本章主要介紹牽引供電系統(tǒng)各個組成的功能和結(jié)構(gòu)。以CRH3系列動車組牽引變電所通過V/v變壓器或Scott平衡變壓器接受來自電力系統(tǒng)變電站的工頻交流220kV交流電，將其變換為27.5kV或55kV電壓等級后接入等效為接觸線、鋼軌、饋電線的三線牽引網(wǎng)，通過受電弓向電力機車內(nèi)部供給25kV電壓等級的電能。CRH3共八節(jié)車廂，四動四拖間隔分布，四節(jié)車廂為一個動力單元，一輛車分兩個動力單元。每個動力單元有兩臺車載三繞組變壓器，變比均為25kV/1500V/1500V，每個二次繞組接一臺變流器，其中包含兩個并聯(lián)的整流器和一個逆變器，連接四個并聯(lián)牽引電機。3仿真模型的建立及諧波分析概述：第二章中分析了電氣化鐵路的主要結(jié)構(gòu)組成和數(shù)學建模原理，即牽引變電所、AT自耦變壓器所、牽引網(wǎng)、電力機車等；本章將利用MATLAB/Simulink建立高速動車組牽引供電系統(tǒng)仿真模型，并根據(jù)運行仿真模型得到的結(jié)果進行諧波分析。3.1MATLAB/Simulink仿真軟件介紹MATLAB是matrix&laboratory兩個詞的組合，即矩陣工廠（矩陣實驗室）。是主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環(huán)境。它為科學研究、工程設計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。Simulink是MATLAB的一個極為重要的組件。在Simulink集成環(huán)境中，有大量仿真子模塊，不需要大量書寫程序、代碼，只需要通過簡單直觀的鼠標操作對器件庫里的子模塊進行調(diào)用、組合，就可構(gòu)造出復雜的系統(tǒng)。Simulink貼近實際、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細、適應面廣，操作靈活，運行效率高、速度快，因此控制理論和數(shù)字信號處理的復雜仿真和設計多選用Simulink。本文主要應用MATLAB/Simulink中專門為電力系統(tǒng)分析提供的仿真環(huán)境。在遵守電氣原理的前提下，把各種模塊連接在一起，根據(jù)提示設置各器件的電氣參數(shù)，即可運行模型得到相應的仿真結(jié)果。這種方法能直觀地觀測到各個器件、模塊的電壓、電流、相位等參數(shù)，易于分析與設計。總的來說，Simulink功能全面，操作簡單。3.2仿真模型建立：本章的機車仿真模型采用CRH3的結(jié)構(gòu)進行仿真。網(wǎng)側(cè)變流器實現(xiàn)動車組與牽引網(wǎng)的能量傳遞和轉(zhuǎn)換，其工作性能是動車組負荷特性的最主要印象因素。牽引工況時，變流器以牽引變壓器牽引繞組輸出有效值為l550V、頻率為50Hz的交流電壓作為輸入，利用已編寫好具體控制方法的控制模塊把直流側(cè)電壓控制在3000V左右，把牽引網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)控制到接近于1。電力機車制動工況時，脈沖整流器起到逆變電能的作用。變流器以牽引電機回饋的3000V直流電壓為輸入，向牽引變壓器側(cè)輸出交流l550V、50Hz電壓。動車組網(wǎng)側(cè)變流器都采用單相四象限整流器(或稱PWM整流器)，基本拓撲有兩電平結(jié)構(gòu)和三電平結(jié)構(gòu)兩類，在各種車型中這兩種基本拓撲有多種組合方式，一般驅(qū)動電機為交流異步電機的采用電壓型四象限變流器；驅(qū)動電機為直流電機的采用電流型四象限變流器。動車組牽引傳動控制尤其是網(wǎng)側(cè)變流器控制對網(wǎng)側(cè)諧波有至關(guān)重要的影響。變流器的PWM控制方法，決定了其固有的特征諧波分布規(guī)律，相關(guān)控制參數(shù)對網(wǎng)側(cè)電流的諧波含量有一定的影響。本文在保證闡述原理的基礎(chǔ)上，選用控制相對簡單的兩電平結(jié)構(gòu)變流橋進行仿真研究。3.2.1主電路原理分析圖3.1電壓型四象限交流器原理圖LN和RN分別為牽引變壓器二次側(cè)牽引繞組的等效漏感和漏電阻；由圖3.1可知，變流器UN=R'IN+jω式(3-1)中：UN、IN分別為車載變壓器一次側(cè)電壓、電流基波R'、L'為二次側(cè)牽引繞組的漏電阻和等效漏感折算到一次側(cè)的ω為電流角頻率；Uab圖3.2脈沖變流器等效電路圖圖3.2為脈沖變流器的等效電路圖。由式(3.1)可知，若UN、RN、LN三均已知，那么該式即為UC和IN的約束表達式。網(wǎng)側(cè)電壓的幅值和相角是確定的，而圖3.3為變流器工作在牽引工況和再生制動工況時的向量圖。用雙閉環(huán)控制，通過控制uab的幅值來調(diào)節(jié)IN的相位，保證交流側(cè)電網(wǎng)的基波功率因數(shù)為1；而通過調(diào)節(jié)uab的相位來調(diào)節(jié)I圖3.3變流器向量圖整流部分采用絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）。3.2.2PWM控制模塊脈沖整流器采用雙閉環(huán)控制：電壓為外環(huán)，電流控制為內(nèi)環(huán)。本章仿真模型建立采用瞬態(tài)直接電流控制，其具體的數(shù)學公式如式（3.2）。IN1=K式中Kp、Ti是Ud'為中間直流側(cè)電壓給定值；Id、Ud分別為中間直流環(huán)節(jié)實測K--比例放大系數(shù)；ω--網(wǎng)側(cè)電壓的角頻率；uabt-中間直流環(huán)節(jié)電壓的給定值Ud'和反饋的實際直流電當Ud'=Ud時，誤差e=0，輸入與輸出達到平衡，整流器直流側(cè)和交流側(cè)功率平衡，當Ud'<Ud時，誤差P>0，PI調(diào)節(jié)器將增大IN1，增加整流器輸入電流及功率為了減輕中間直流環(huán)節(jié)電壓PI調(diào)節(jié)器的負荷，改善PI調(diào)節(jié)器的動態(tài)響應，用中間直流環(huán)節(jié)的電流Id來計算給定電流的有效分量IN2，并將它和I調(diào)制信號uabt由式（3-2）所示的公式產(chǎn)生，PWM控制信號由三角載波與調(diào)制3.2.3建立模型根據(jù)上文所分析的高速動車組供電系統(tǒng)原理和控制理論，本節(jié)采用功能強大、操作簡單的MATLAB/Simulink來嘗試搭建所需的機車模型。先從MATLAB/Simulink的各個元件庫中找到需要的元件，根據(jù)這些基礎(chǔ)元件，制作仿真所需要各種模塊，建立機車主電路模塊、控制模塊、PWM信號模塊等，將上述模塊根據(jù)實際組合邏輯連接成一個整體進行仿真。圖3.4牽引工況仿真模型最后構(gòu)建的仿真模型如上圖所示。由于水平有限，缺乏牽引網(wǎng)單位長度接觸線、鋼軌、正饋線的阻感及線與線之間的互感等參數(shù)，缺乏對實際情況的考察，暫不對牽引網(wǎng)部分進行仿真。本模型僅對電力機車上從車載變壓器到直流環(huán)節(jié)的部分進行仿真分析。下面對整體模型進行分析：模型采用DC25kV、50Hz工頻交流為電力機車進行供電；用變比為25Kv/1500V的雙繞組變壓器模擬車載變壓器，忽略變壓器到變流器的線路電阻，僅用感抗為2.3mH的電感模擬線路；簡便起見，采用兩電平PWM控制方法，門極信號由控制模塊輸出的調(diào)制波與頻率為1250Hz的三角形載波相互比較產(chǎn)生；整流器輸出的電能經(jīng)過容值為3000uF的支撐電容，和L=0.42mH、C=3000uF的并聯(lián)LC濾波器，為逆變器及驅(qū)動電機供電；由于逆變器和電機有相應的調(diào)節(jié)方式，故采用純電阻代替進行仿真分析。電力機車制動模式下，驅(qū)動電機將向供電系統(tǒng)饋電，此時用直流電壓源替代負載電阻，去掉整流器的支撐電容。如圖3.5所示：圖3.5制動工況仿真模型圖3.6控制模塊圖3.6為產(chǎn)生調(diào)制信號的控制模塊，具體控制方式見3.1.2的控制模塊內(nèi)容，在此不再贅述。PI調(diào)節(jié)器中比例系數(shù)Kp=0.2，Ti=0.13.3諧波仿真分析3.3.1牽引工況圖3.7直流環(huán)節(jié)電流波形圖3.7為直流環(huán)節(jié)電流波形圖，從圖中可以觀測到，電壓在初始化振蕩后逐漸穩(wěn)定在2500V的水平。圖3.8網(wǎng)側(cè)電流、電壓波形上圖為網(wǎng)側(cè)電壓電流的波形圖，根據(jù)圖中波形可觀測到，電壓和電流波形相位基本相同，功率因數(shù)基本為1.圖3.9網(wǎng)側(cè)電流傅里葉分析待仿真波形趨于穩(wěn)定以后，利用powergui模塊里的FFTAnalysis對網(wǎng)側(cè)電流0.8s-1s時間間隔內(nèi)的兩個周波的諧波含量進行傅里葉分析，得到上圖的諧波含量柱狀圖統(tǒng)計。從圖中可知網(wǎng)側(cè)電流總諧波畸變率為2.56%。圖3.10各次諧波畸變率從上圖可看出，網(wǎng)側(cè)電流3、5、7次諧波畸變率分別為0.52%、0.17%、0.14%，總體諧波畸變率相對較低且呈現(xiàn)依次下降的趨勢，而50次左右的幾次諧波畸變率較高，47次、49次、51次、53次諧波畸變率分別達到0.99%、1.43%、1.35%、0.85%。上文已經(jīng)分析PWM控制載波頻率為1250Hz，對于基波50Hz的倍數(shù)為n=1250/50=25，諧波畸變率較高的高次諧波理論上應該為2n±1、2n±3次?？梢娔Ｐ头抡?.3.2制動工況電力機車在制動時向牽引網(wǎng)回饋電能。下圖為制動工況網(wǎng)側(cè)電流和電壓波形。理論上說，如果交流側(cè)為無源負荷，功率因數(shù)應為-1，即電壓波形、電流波形相位相差半個周期即180o.而實際仿真模型中網(wǎng)側(cè)被視為電壓源，所以保持功率因數(shù)為1。圖3.11網(wǎng)側(cè)電流、電壓波形圖3.12傅里葉分析圖上圖為制動工況下，對穩(wěn)定后的網(wǎng)側(cè)電流取兩個周波進行傅里葉分析，得出各次諧波的畸變率的棒狀統(tǒng)計圖。圖3.13各次諧波的畸變率從圖中可以看出，50次左右的奇次諧波畸變率較為明顯。47次、49次、51次、53次諧波畸變率相對較突出。理論分析見牽引工況的分析，該統(tǒng)計符合理論規(guī)律。3.4本章小結(jié)本章首先介紹了用于模型仿真的MATLAB/Simulink工具，分析了建立電力機車模型的原理，列出了模型中最關(guān)鍵的控制模塊公式，建立了電力機車從牽引變壓器到直流環(huán)節(jié)的仿真模型，運行牽引工況和制動工況模型仿真得出波形，把仿真結(jié)果與理論結(jié)果進行對比分析，發(fā)現(xiàn)牽引工況下直流側(cè)電壓經(jīng)過初始化波動后可以穩(wěn)定，網(wǎng)側(cè)電流諧波畸變規(guī)律和網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近于1的結(jié)果與理論相吻合，證明所建立的仿真模型有較好的參考性。4諧波抑制方法為減小高速鐵路產(chǎn)生的諧波對電力系統(tǒng)的影響，有必要采取相應措施減小或消除諧波。目前牽引供電系統(tǒng)主要采取兩種方法：一種是改進機車的換流裝置，主要是通過移相載波技術(shù)從源頭上減小或消除諧波；另一種即是設置濾波電感等濾波裝置。本章主要介紹通過設置濾波裝置來實現(xiàn)減少諧波滲透入電力系統(tǒng)。4.1簡單濾波器交-直-交供電方式的高鐵動車組有效克服了老一代交-直供電機車產(chǎn)生的較多低次諧波的弱點，但拓寬了頻譜。牽引網(wǎng)系統(tǒng)較為復雜，其諧振頻率取決于其自身的電氣參數(shù)，所以寬頻頻譜的諧波可能會與牽引網(wǎng)發(fā)生諧振。設置濾波裝置的原理是通過并聯(lián)裝置，使牽引網(wǎng)自身的頻率--阻抗特性發(fā)生改變，改變其諧振頻率，使牽引網(wǎng)諧振頻率盡量不在電力機車產(chǎn)生的諧波頻譜內(nèi)，從而避免牽引網(wǎng)發(fā)生諧振。常用的濾波器有調(diào)諧濾波器和阻尼濾波器。其結(jié)構(gòu)如圖4.1所示：圖4.1濾波器對于n次諧波，上圖的濾波器的阻抗分別為： （4-1） （4-2） （4-3） （4-4）、、、分別為單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器、一階阻尼濾波器、二階阻尼濾波器對n次諧波的阻抗，為基波的角頻率。將上述濾波器并聯(lián)入牽引網(wǎng)，即可改變牽引網(wǎng)阻抗從而改變牽引網(wǎng)系統(tǒng)的諧振頻率點，解除高次諧波諧振的危險。4.2靜止無功補償裝置靜止無功補償裝置（StaticVarCompensator,SVC）既可以補償無功也可以過濾諧波。目前晶閘管控制電抗器（TCR）和晶閘管投切電容器（TSC）應用得較多，一般安裝于供電臂母線側(cè)。圖4.2TCR+FC原理接線圖上圖為TCR+FC的原理接線圖。VT1和VT2分別在其承受正向電壓峰值到過零點導通，觸發(fā)角α決定了有效電流的大小。類似于一般濾波器，TCR在不同頻率下表現(xiàn)出不同的阻抗值，因此具有濾波效果。4.3鐵路功率調(diào)節(jié)器鐵路功率調(diào)節(jié)器（RailwayPowerConditioner,RPC）功能較多，可以實現(xiàn)負序補償、無功補償和諧波抑制。接線原理如圖。圖4.3鐵路功率調(diào)節(jié)器的應用如圖所示，RPC的兩個背靠背式變流器和并聯(lián)電容通過電感、變壓器與供電臂連接，除濾波外，還可以實現(xiàn)調(diào)和兩邊的功率差值的功能。4.4有源濾波器有源濾波器是電力電子裝置集成的設備，可以實現(xiàn)對幅值、頻率均變化的動態(tài)諧波的補償。有源濾波器有以下優(yōu)點：對動態(tài)諧波進行動態(tài)補償，且響應速度快；對儲能元件的容量要求不高；過載能力強，可以補償很大的電流以及不易引起系統(tǒng)諧振等。圖4.4有源濾波器原理圖上述有源濾波器有如下關(guān)系式：is=iL+iciL=式（4.5）中，is代表電源電流；iL為負荷電流；ic為補償電流；iLf為負荷電流中所包含的基波分量；4.5改進機車我國電力機車主要分為交—直型機車（如韶山系列）和交—直—交型機車（如CRH系列）兩大類。電氣化鐵路系統(tǒng)中，電力機車是諧波的根源。若要從源頭上治理諧波，目前采用的改進電力機車的方法有：在電力機車內(nèi)部裝設濾波裝置、采用多段順序控制或PWM變流器。上述方法對諧波進行就地治理，避免了諧波電流的放大和諧波傳播過程中的附加損耗，顯然這是一種高效率的濾波策略。另一種改進機車的方法是改變變流方式，即采用交—直—交傳動方式的四象限PWM整流方式，這可以把低次諧波含量降到理想的水平。因此，采用交—直—交傳動方式的電力機車才得以發(fā)展并成為電氣化鐵路的發(fā)展方向。4.6本章小結(jié)諧波是電氣化鐵路的一大難題，治理諧波就是電氣化鐵路的重要課題。本章從主要從當前現(xiàn)狀出發(fā)，介紹了幾種使用較為廣泛的濾波裝置，其中靜止無功調(diào)節(jié)器、RPC兼有補償無功的功能。除此之外，本章介紹的從源頭開始治理諧波的方法也相當高效，避免了諧波在牽引網(wǎng)中傳播可能引起的電流放大等問題，技術(shù)革新的交—直—交型電力機車逐步取代交—直型電力機車也得益于其四象限變流器可以有效控制諧波含量的優(yōu)點?？偨Y(jié)與展望采用四象限變流器的交—直—交型電力機車有效地降低了交—直型電力機車產(chǎn)生的低次諧波，但因此而拓寬了諧波頻譜，其中高次諧波使牽引供電系統(tǒng)存在諧波電流放大、高頻諧振等安全隱患。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們對電力機車速度的要求越來越高，高鐵動車組勢必發(fā)展起來，高次諧波的問題是不得不解決的。為研究高鐵動車組高次諧波特性，本文主要做了以下努力：（1）、分析電氣化鐵路的構(gòu)成，從外部電源、牽引變電所、牽引網(wǎng)、電力機車等方面逐步解析構(gòu)造；（2）、主要分析從電力機車的車載變壓器到變流器直流環(huán)節(jié)之間的電氣構(gòu)成，闡述了控制的方法，查閱參考文獻找到相應電氣參數(shù)，