電氣化鐵道牽引網(wǎng)基波與諧波模型分析

本文格式為Word版，下載可任意編輯——電氣化鐵道牽引網(wǎng)基波與諧波模型分析隨著我國現(xiàn)代經(jīng)濟社會建設(shè)發(fā)展速度進一步提升，傳統(tǒng)意義上的內(nèi)燃機車顯然已經(jīng)無法滿足鐵路部門在貨運重載以及客運快速方面的要求，電氣化鐵道的發(fā)展?jié)摿M一步凸顯出來。在電氣化鐵道快速發(fā)展的背景之下，隨著應(yīng)用的進一步成熟，部分問題開始凸顯出來。在各類問題當中，以電能質(zhì)量相關(guān)問題表現(xiàn)作為突出。立足于這一背景，文章重點圍繞電氣化鐵道牽引網(wǎng)基波與諧波模型方面的問題展開研究與探討，希望能夠引起各方人員的關(guān)注與重視。

電氣化鐵道牽引網(wǎng)建模電氣參數(shù)仿真

傳統(tǒng)意義上，建立在晶閘管或者是二極管整流技術(shù)基礎(chǔ)之上的交-直傳動電動機車產(chǎn)生的3次、5次、7次諧波電流含量較高，由此所帶來的問題不容忽視。與此同時，對于牽引網(wǎng)而言，由于其具有電氣參數(shù)連續(xù)分布的特點，故而在牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)、導(dǎo)線位置、接地方式確定以后，可能受到頻率升高因素的影響，導(dǎo)致導(dǎo)線電阻以及內(nèi)電感水平同樣升高，誘發(fā)諧振。綜合以上分析，需要立足于電氣化鐵道牽引網(wǎng)在高次諧波諧振方面的危險性，構(gòu)建基于基波與諧波的模型，通過仿真分析的方式，為諧波抑制技術(shù)方案的制定提供支持。具體分析如下：

1電氣化鐵道牽引網(wǎng)建模分析

牽引網(wǎng)的主要構(gòu)成包括回流網(wǎng)以及供電網(wǎng)兩個方面，主要工作價值為：為動車組或電動機車的運行提供電能輸送所必需電氣網(wǎng)絡(luò)。在當前技術(shù)條件支持下，牽引網(wǎng)不同的供電方式會致使其在拓撲結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)上游一定的差異。需要注意的一點是，無論牽引網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)如特點如何，均具有鏈式網(wǎng)絡(luò)的特征，均由并聯(lián)元件以及串聯(lián)元件組合形成。在自然分割位置，牽引網(wǎng)被劃分為多個均勻的區(qū)段，作為鏈式網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)原件，而并聯(lián)元件則多指自耦變壓器等相關(guān)設(shè)備。有關(guān)研究中指出：可以通過對并聯(lián)元件以及串聯(lián)元件進行建模的方式，獲取牽引網(wǎng)所對應(yīng)的節(jié)點導(dǎo)納矩陣。

對于我國當前的電氣化鐵道而言，牽引網(wǎng)供電模式多為建立在自耦變壓器基礎(chǔ)之上的供電模式，本方案的優(yōu)勢在于：由于牽引負荷電流在正饋線以及接觸網(wǎng)中的方向相反，故而不會對周邊通信線路的運行產(chǎn)生干擾。以此為例，研究本供電方案下整個牽引網(wǎng)的傳輸線模型。如下圖所示（見圖1），圖中I1、I2均為諧波電流源。

結(jié)合圖1來看認為：在本供電方案下，整個牽引網(wǎng)的骨架為平行多導(dǎo)體傳輸線，在拓撲結(jié)構(gòu)上形成一個完整的鏈式網(wǎng)絡(luò)。假定網(wǎng)絡(luò)中共存在m個平行導(dǎo)體，則如圖2所示的牽引網(wǎng)鏈式網(wǎng)絡(luò)等效網(wǎng)絡(luò)形式示意圖當中，阻抗矩陣所對應(yīng)的階數(shù)與導(dǎo)納矩陣對應(yīng)階數(shù)保持一致狀態(tài)，均為（m*m）。

2牽引網(wǎng)電氣參數(shù)分析

在對牽引網(wǎng)相關(guān)電氣參數(shù)進行計算分析的過程當中，可以通過對多導(dǎo)體傳輸線模型的應(yīng)用，為后續(xù)的仿真分析工作提供理論層面的基礎(chǔ)支持。在相關(guān)電氣參數(shù)的計算與分析過程當中，所涉及到的問題主要有兩個方面：

首先，從多導(dǎo)線線路導(dǎo)納的角度上來說，結(jié)合電磁場相關(guān)理論認為：在導(dǎo)電媒體介質(zhì)當中，自由電荷的體密度取值會受時間的影響而發(fā)生相應(yīng)的變動。同時認為，對于電力系統(tǒng)而言，在電磁暫態(tài)過程實際可能出現(xiàn)的頻率范圍內(nèi)，認為電荷集中分布在導(dǎo)電媒體介質(zhì)的表面，即可以直接通過靜電場完成對線路電容的計算，計算期間剔除頻率對計算參數(shù)的影響。假定系統(tǒng)當中存在n條保持平行架設(shè)關(guān)系的導(dǎo)線線路，且與地面保持平行關(guān)系，故而認為其能夠與大地共同作用，形成一個多導(dǎo)線系統(tǒng)。在這一系統(tǒng)當中，會對線電荷密度取值產(chǎn)生影響的因素主要包括導(dǎo)線對地電位、導(dǎo)線半徑、導(dǎo)線與導(dǎo)線距離、以及導(dǎo)線與地面平均高度等。

其次，在導(dǎo)線符合合并條件的狀況下，可以將牽引網(wǎng)中所涉及到的導(dǎo)線合并形成等值半徑的單根導(dǎo)線，能夠為計算與分析提供便利。且單根導(dǎo)線由于具有電氣特性上的等效性，進而能夠?qū)崿F(xiàn)對參數(shù)矩陣的合理簡化。對于電氣鐵道牽引網(wǎng)而言，導(dǎo)線合并的實現(xiàn)途徑有兩種方案：其一，將符合合并條件的導(dǎo)線逐一進行合并，以達到等效相參數(shù)標準；其二，根據(jù)等值半徑對等效相參數(shù)進行計算，然后進行導(dǎo)線合并。一般來說，電氣化鐵道牽引網(wǎng)中并聯(lián)導(dǎo)線的合并多采取逐根合并的方案，以確保計算結(jié)果的確切性。在這一背景下，對應(yīng)假定的i、l、m、n導(dǎo)線而言，在將其合并形成同一導(dǎo)線a的狀況下，需要滿足條件①②：

①qa=qi+ql+qm+qn；

②ua=ui=ul=um=un；

3牽引網(wǎng)模型軟件仿真分析

對于本文所研究的電氣化鐵道牽引網(wǎng)模型而言，仿真計算的主要仿真對象為高次諧波在牽引網(wǎng)中的傳播動作。具體的工作原理為：經(jīng)由仿真軟件中的編輯截面設(shè)定牽引網(wǎng)系統(tǒng)運行期間所涉及到的各項電氣參數(shù)，從外部對機車電流文件進行讀取。進而根據(jù)讀取數(shù)據(jù)對牽引網(wǎng)的節(jié)點電壓取值進行計算。

整個牽引網(wǎng)模型軟件仿真建立在Windows7操作系統(tǒng)基礎(chǔ)之上實現(xiàn)，C#語言支持程序開發(fā)，設(shè)計理念為面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法。主要構(gòu)成模塊包括界面設(shè)計模塊、仿真計算模塊、以及輸入輸出流模塊這三個方面。主要結(jié)果為：獲取電氣化鐵道牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及導(dǎo)線型號、位置等關(guān)鍵信息，進入操作界面，輸入流獲取機車電流文件，同時進入操作界面，程序計算后輸出流完成編寫文件。

在引入面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)條件之下，整個牽引網(wǎng)模型軟件仿真中涉及到了大量的代碼模塊，各個模塊對應(yīng)有不同的編程應(yīng)用功能，相互之間保持獨立關(guān)系。本編程方案下的優(yōu)勢在于：編程完成后便于進行修改與維護，可以直接判定出現(xiàn)問題的模塊，直接對模塊進行獨立修改，不對整個程序產(chǎn)生影響。以對電氣參數(shù)的計算為例，該程序的求解步驟為：

第一步，輸入電氣化鐵道牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)；其次步，獲取該結(jié)構(gòu)參數(shù)所對應(yīng)的頻率取值，對該頻率下的牽引網(wǎng)導(dǎo)線進行初始化處理；第三步，在該頻率取值條件下，計算導(dǎo)線內(nèi)阻抗參數(shù)、地中回路內(nèi)阻抗參數(shù)、牽引網(wǎng)阻抗矩陣取值、電位系數(shù)矩陣取值，同時計算在導(dǎo)線合并之后所對應(yīng)的電容矩陣取值以及導(dǎo)納矩陣取值。在此過程當中，考慮到電動車組建模方法為電流源模式，該模式以下車位置以及所對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)維持穩(wěn)定狀態(tài)，故而可以根據(jù)等值電流構(gòu)建相對應(yīng)的節(jié)點導(dǎo)納矩陣，在LU三角分解作用下，獲取對應(yīng)的節(jié)點電壓取值。

4終止語

大量的研究結(jié)果說明：電氣化鐵道牽引網(wǎng)在電氣元件，乃至在網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)上都具有一定的特別性，通過數(shù)學(xué)建模的方式展開對電