铁路电网监控仿真技术研究黎秀程毕业设计

华东交通大学毕业设计（论文）题目： 铁路电网监控仿真技术研究 学 院: 电气与电子工程学院 专业: 电气工程及其自动化 班级: 函电气XXXX-X 学生姓名： 学号 指导教师： 屈志坚 完成日期 2013.6.5 毕业设计（论文）诚信声明本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。就我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写的研究成果，也不包含为获得华东交通大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。如在文中涉及抄袭或剽窃行为，本人愿承担由此而造成的一切后果及责任。本人签名 导师签名_年 月 日铁路电网监控仿真技术研究摘 要由于具有运输能力大、行驶速度快、消耗能源少、运营成本低、工作条件好等一系列的优点,电力机车已逐步取代了蒸汽机车、内燃机车,成为我国铁路运输发展的主导方向。然而大量电力机车的使用,又给电力系统带来了新的问题。 我国既有的电气化铁路上采用的电力机车大多是国产韶山系列单相工频交直传动型机车,这种机车是典型的整流负荷,运行过程中从电网汲取基波电流的同时也会向电网注入大量的谐波!负序电流,引起电网电压波形的畸变,对电力系统及其用户产生不利影响。因此,研究电气化铁路牵引负荷在电力系统中引起的谐波问题及其对电力系统电能质量主要参数的影响是十分必要的“。本文采用仿真的方法,通过建立牵引供电系统各组成部分的仿真模型,仿真分析了电气化铁路牵引负荷对电网的影响“主要包括以下几方面内容 :(1) 建立国内常用的五种接线方式牵引变压器的仿真模型,包括纯单相接线 V/v 接线 Yn/d11 接线 Scott 接线阻抗匹配平衡接线等五种接线方式;在两供电臂接恒电阻负载的前提下,分析得出牵引变压器原边副边的电压电流关系与原理要求相符,验证了模型的正确性。 (2) 以 SS4G 型机车为例,建立电力机车的仿真模型，根据机车牵引特性控制函数与整流回路的关系建立自定义模块来求解晶闸管的触发角,实现了动态仿真不同级位，不同运行速度的机车其整流回路的输出;分别对机车在五种不同的级位，速度运行时整流电路的工作情况进行了仿真,通过对整流回路输出波形的分析!理论计算值和仿真输出值的比较,验证了机车模型的正确性;对机车电流进行 FFT 分析,得出电力机车在不同级位和速度下注入牵引网的基波和各次谐波电流的幅值。 (3) 建立牵引供电系统的仿真模型,仿真分析电气化铁路牵引负荷在不同供电方式下(即牵引变压器的不同接线方式)注入电力系统的谐波!负序电流以及系统 110kV 侧的电能质量参数,包括谐波总畸变率，谐波含有率和不平衡度。分别就两供电臂接入对称负载(即两供电臂均有一台机车,且机车所处的级位!速度相同)非对称负载两种负荷状况对牵引供电系统进行了仿真,两种负载条件下系统侧电压总畸变率和不平衡度的大小都能体现出如下的变化规律:纯单相接线电压总畸变率!电压不平衡度最大,V/vYn/d11 接线次之,Scott 接线!阻抗匹配平衡接线最小。(4) 对江西地区某一单相接线牵引变电站 110kV 进线的实测波形进行分析“ 该牵引变电站 110kV 进线的谐波电压总畸变率以及 357 次谐波电压含有率,电压不平衡度均超出国标限值;将仿真数据与实测数据进行比较分析,说明仿真数据是合理的。(5) 仿真和实测数据都表明电气化铁路牵引负荷会给电力系统带来的谐波和负序的方面的影响,针对这些影响提出改善措施;结合滤波措施对单相接线牵引供电系统进行仿真,仿真结果表明:投入滤波装置后,注入电力系统的 3579 次谐波电流明显减小,系统侧的电压总畸变率!谐波电压含有率也降低到国标规定的范围内。 本文采用仿真的方法对上述五种不同接线方式牵引供电系统的详尽分为深入研究电铁牵引负荷对电力系统的影响以及治理措施提供了一定的理论依据。关键词:牵引供电系统、电力机车、谐波分析、电压不平衡度、仿真目 录第一章绪论.1 1.1 研究意义 .1 1.2 谐波和负序对电网的影响 .1 1.2.1 谐波的危害和影响 .1 1.2.2 负序的危害和影响 .2 1.3 电铁牵引负荷的研究历史及现状 .3 1.3.1 国外研究历史及现状 .4 1.3.2 国内研究历史及现状 .5 1.4 本文主要工作 .8 第二章 牵引变压器的仿真模型.9 2.1 牵引变压器接线原理及其特点 .9 2.1.1 纯单相接线 .102.1.2 单相 V/v 接线 .11 2.1.3 三相 Yn/d11 接线 .12 2.1.4 Scott 接线.132.1.5 阻抗匹配平衡接线 .152.2 牵引变压器仿真模型 .172.2.1 单相接线牵引变压器 .17 2.2.2 V/v 接线牵引变压器 .19 2.2.3 Yn/d11 接线牵引变压器 .20 2.2.4 Scott 接线牵引变压器.20 2.2.5 阻抗匹配平衡接线牵引变压器 .22 2.3 本章小结 .23 第三章 电力机车仿真模型.253.1 SS6 B 型电力机车的工作原理.253.2 SS6B 型电力机车仿真模型.263.2.1 控制策略. .26 3.2.2 仿真模型的建立.293.3 仿真结果.313.3.1 整流回路电压波形.32 3.3.2 整流回路电流波形.35 3.4 本章小结. .37 第四章 牵引供电系统仿真分析.394.1 基本概念.394.1.1 谐波的基本概念.394.1.2 不平衡度.424.2 牵引供电系统仿真.43 4.2.1 纯单相接线牵引供电系统.43 4.2.2 V/v 接线牵引供电系统. 49 4.2.3 Yn/d11 接线牵引供电系统. 55 4.2.4 Scott 接线牵引供电系统 . .59 4.2.5 阻抗匹配平衡接线牵引供电系统. .644.3 仿真结果分析.69 4.3.1 对称负载条件下仿真结果分析.69 4.3.2 非对称负载条件下仿真结果分析.70 4.4 本章小结.73 第五章 牵引变电站实测波形分析.75 5.1 电压实测波形. 75 5.2 电流实测波形. .77 5.3 本章小结.78 第六章 谐波和负序的改善措施.79 6.1 减小谐波电流影响的措施. .79 6.2 减小负序电流影响的措施. 806.3 含有滤波装置的牵引供电系统仿真.806.3.1 滤波装置的构成和基本原理. 81 6.3.2 仿真结果 .81 6.4 本章小结 .83 第七章 结论与展望.85 7.1 全文总结 .85 7.2 工作展望 .86 参考文献.89第一章 绪论1.1 研究意义 1879 年 5 月 31 日在德国柏林举办的世界贸易博览会上,由西门子和哈尔斯克公司展出了世界上第一条电气化铁路,这条电气化铁路看起来比今天的儿童铁路还小,但它却是世界电铁(电气化铁路的简称)的先驱 20 世纪 50 年代,一些工业发达的国家为了完成急剧增长的运输任务,以及与其他运输业竞争的需要,开始大规模的进行铁路运输业的现代化建设,主要是牵引动力现代化的建设，20 世纪 60-70 年代,电铁在全世界发展迅速,平均每年修建 5000 多千米 70 年代末,西欧、前苏联、东欧及日本的主要铁路干线均已完成电气化并已逐渐成网，80 年代末又出现一轮铁路电气化的热潮“若干发展中国家如中国!印度!南非! 巴西!智利等国纷纷兴建电气化铁路“截止到 2000 年底,世界电气化铁路总里程已达 262179.2 千米,占世界铁路总营业里程 1208843 千米的 21.7%,承担世界铁路总运量的 50%以上1。近年来我国的电铁发展较快“1996 年至 2000 年/九五 0 期间建成开通了电铁 5030 千米,平均每年建成 1000 多千米。现在,我国的电铁总里程已跃居世界前列“到 2005 年底,我国共建成开通了 43 条电气化铁路干线,通车里程己突破两万千米,达到了 20132 千米,己占全国铁路营业里程的 27.08%,完成铁路运量的 50%以上2,3。尽管电铁具有运输能力大、行驶速度快、消耗能源少、运营成本低、工作条件好等一系列的优点,特别是有利于提高能源的利用率! 防止环境污染,具有较高的经济效益和良好的社会效益,但随着电铁的高速发展,其对电网的影响也越来越受到关注“随着人们对电能质量要求的不断提高,研究电铁牵引负荷在电力系统中引起的谐波问题及其对电力系统电能质量主要参数的影响,并为进一步研究治理方案和需采取的措施提供依据,无论对铁路部门还是对电力部门都具有十分重要的现实意义。1.2 谐波和负序对电网的影响 1.2.1 谐波的危害和影响 理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现,对公用电网是一种污染,它使用电设备所处的环境恶化,也对周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害。谐波对公用电网和其他系统的维护大致有以下几个方面: (1) 谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗,降低了发电，输电及用电设备的效率,大量的 3 次谐波流过中线时会使线路过热甚至发生火灾。 (2) 谐波影响各种电气设备的正常工作 “谐波对电机的影响除引起附加损耗外,还会产生机械振动!噪声和过电压,使变压器局部严重过热“谐波使电容器!电缆等设备过热!绝缘老化! 寿命缩短,以至损坏。 (3) 谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振,从而使谐波放大,这就使上述(1)和(2)的危害大大增加 ,甚至引起严重事故。 (4) 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作,并会使电气测量仪表计量不准确。(5) 谐波会对临近的通信系统产生干扰,轻者产生噪声,降低通信质量; 重者导致信息丢失,使通信系统无法正常工作。1.2.2 负序的危害和影响 (1) 对发电机的影响 (a) 出力下降“从发电机的安全运行考虑,其定子绕组每相电流均不应超过额定值;否则,电流最大的一相将超过额定温升“当发电机向不对称负荷供电,最大的一相电流达到额定值时,较小的两相却小于额定值,所以就限制了发电机的出力。 (b) 造成转子表面发热，当负序电流通过发电机定子绕组时,将在定子绕组中产生旋转磁场,该磁场的转速和转子的转速相同,而方向却与转子旋转方向相反“所以负序旋转磁场与转子间的相对转速为同步转速的两倍,它必将在转子的激磁绕组阻尼绕组中感应出两倍于工频的附加电流,在转子表面感应产生涡流，附加电流和涡流形成附加损耗,引起额外温升“由于趋表效应,转子的表面温升更为明显。 (c) 产生附加振荡“转子绕组中感应产生的两倍于工频的电流,会在转子中造成脉动转矩,引起附加振动“当负序电流超过一定值时,可使发电机的振动超出其运行程度 。(2) 对感应电动机的影响 单相牵引负荷使三相电力系统的各相电压不对称,对接在线路上的其他负荷供给不对称的三相电压“由于负序电压的存在使正序电压减小,电动机出力下降; 负序分量还有产生负序旋转磁场,对转子产生制动力矩而起制动作用,更直接限制了电动机的出力因此,负序分量的存在降低了电动机的运行效率。 (3) 对电力变压器的影响 从电力变压器的安全运行考虑,其每相电流均不应超过额定值或允许过载值“由于负序进入电力系统而使三相电流不对称,当最大的一相电流达到额定值或允许过载值时,较小的两相电流却小于该值,从而使变压器的容量利用率下降。另外,负序电流还会造成变压器的附加能量损失,并在变压器铁芯磁路中造成附加发热。(4) 对输电线路的影响 负序电流流过输电线路时,实际上并不作有功,而只造成电能损失,从而降低了输电线路的输送能力。 (5) 对继电保护及自动装置的影响 负序电流容易使电力系统中由负序分量启动的继电保护及自动装置误动作,从而增加了保护的复杂性“ 我国电力部门对电铁牵引负荷的影响反映最多的是以下两类4。(1) 对电容器组的影响“通常电容器组损坏是由谐波的谐振或谐波放大而至。具体原因有以下两方面:一是电效应,主要是峰值电压 ,可以认为电压每上升 10%寿命减半;二是热效应,谐波使损耗功率增加而引起附加温升 ,温升一般服从 6 度规则,即温度每升高 6 摄氏度寿命减半。 (2) 对继电保护和自动装置的影响“最多的事例是 110kV (或 220kV) 输电线路或变电站的保护和自动装置工作失误,尤其以负序闭锁或负序启动元件的误动作为主。1.3 电铁牵引负荷的研究历史及现状 上世纪初不少电力系统研究人员就着手于电力系统波形畸变方面的研究,当时主要讨论由于变压器铁芯饱和引起的谐波以及通过三相三角形接法抑制谐波的问题“上世纪二十年代德国提出了静态整流器产生的波形畸变问题“ 五!六十年代由于高压直流输电技术的发展,对换流器谐波问题的研究成为了热点“近年来谐波污染及其危害更加严重,世界各国都对谐波问题十分重视“国际电工委员会 (IEC) 和国际大电网会议 (CIGRE)都相继组成了专门的工作组,己经并正在制定包括配电系统!各项电力和用电设备以及家用电器在内的谐波标准“我国在 1984 年原水利电力部颁布了 5 电力系统谐波管理暂行规定 6,使电力系统谐波的管理监测工作有了依据,也推动了谐波研究工作的展开 1993 年 7 月国家技术监督局颁布了 5 电能质量公用电网谐波 6 的国家标准,并于 1994 年 3 月正式实施,使我国电能谐波管理工作规范 。随着电铁的高速发展,电铁牵引负荷(下文中均简称为/ 电牵引负荷 0)对电网的影响越来越受到关注,有关电铁谐波问题的分析和研究的文章被大量发表“国内外研究人员主要采用以下四种方法即实测法!数学模型法!解析法和仿真法对电铁谐波进行分析研究。 1.3.1 国外研究历史及现状 国外对谐波随机特性的研究工作始于 1972 年,当时 W.G.Sherman 提出了一种计算随机向量同次谐波之和的方法7“由于随机向量的相角不同,其和为矢量求和,难以计算“ 因此提出了三个假设 ,假设向量的相角在(0, 2F)上均匀分布; 谐波源之间相互独立;向量的幅值是固定的“1974 年,N.B.Rowe 在此基础上放宽了第三个条件,允许向量幅值在零到最大值之间均匀分布。另外,以上两种方法还要求随机变量的幅值和相角在统计特性上必须是相互独立的“这些假设简化了数学上的计算,但实际证明8随机谐波向量的相角和幅值不总是均匀变化,实!虚部之间也不是相互独立的“为了突破这些假设的限制 ,将随机向量由极坐标系转换到平面直角坐标系下,分别对其实!虚部求和“于是就将计算矢量和转化为求代数和 ,不再需要幅值和相角必须是均匀分布这样的限制了“ 在假定所有谐波电流源之间