（电力系统及其自动化专业论文）基于matlab的对电力机车整流—斩波模型的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h e r ei sar a p i dd e v e l o p m e n ti ne l e c t r i c a lr a i l w a y i nc h i n a i tm a k e st h er a t i oo ft r u n k1 i n ee l e c t r i f i c a t i o nr e a c h2 5 t h e e l e c t r i c a lr a i l w a ya s s u m e5 0 o ft h et o t a lc a r g ot r a n s p o r t i tb r i n g sh u g e e c o n o m i c a lb e n e f i tt ot h ec o u n t r ye c o n o m y b u td u r i n gt h ef u n c t i o no f e l e c t r i c a lr a i l w a y ，w h i c ha l s oi n d u c e sam a s so fh i g h e rh a r m o n i ca n d n e g a t i v ec u r r e n t o nt h i sc o n d i t i o n ，i tm a k e st h ep o w e rq u a li t yd r o p i t t h r e a t e n st h es a f e t yo ft h ee l e c t r i c a lr a i l w a yf u n c t i o n ，t h es a f e t ya n d n o r m a lw o r ko fo t h e ru s e r s e q u i p m e n t s ot h er e s e a r c h e r sm a k eg r e a t e f f o r t st os t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h eh a r m o n i c e l e c t r i f i e dr a i l w a yi sas p e c i a lc o n s u m e ro fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m ； i t sl o a di so fn o n l i n e a r ，a s y m m e t r ya n df l u c t u a t i o n t a k i n gp o w e rs u p p l y o fs c o t tt r a n s f o r m e ra sa ne x a m p l ef i r s t l y ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h e u n b a l a n c e dh a r m o n i co fi n p u t t i n ge l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，e x p l a i n si t s i m p a i r m e n to ne l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，a n dp r e s e n t sas e r i e so fc o u n t e r m e a s u r e s b a s e do nt h el o w e r1 0 a dp o w e rf a c t o r so fe l e c t r i f i e dr a i l w a y ， i te x p o u n d st h en e c e s s i t yo fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ，e x i s t i n g p r o b l e m s ，a n dr e l e v a n tc o u n t e r m e a s u r e s d e t a i l e da n a l y s i ss h o w st h a tt h e n e g a t i v ee f f e c t so fe l e c t r i f i e dr a i w a yo np o w e rs y s t e mc a nb er e d u c e d g r e a t l y a tp r e s e n t ，t h em e a s u r et oc o n f r o n tt h eh a r m o n i cw h i c hp r o d u c e db y e l e c t r i c a lr a i l w a yi si n s t a l lt w og r o u p so fi r r e v e r s i b l ep a r a i l e i c a p a c i t o rc o m p e n s a t i o nd e v i c e sa n df i l t e r s b u tt h et r a c t i o nl o d ei s i n t e r m i t t e n tl o d e t h i sk i n do f1 0 d ec h a n g e dl a r g e l y c a p a c i t o r c o m p e n s a t i o nd e v i c e sc a nn o tc o m p e n s a t ea u t o j i l a t i c a l l y i ti n f l u e n c e st h e a d v a n c eo ft h el o a dp o w e rf a c t o r so fe l e c t r i f i e dr a i l w a y a l lo ft h e s e i l 山东大学硕士学位论文 m e t h o d sc a n tr e s t r a i nh a r m o n i ce f f e c t i v e l y i nt h i sp a p e r ，e l e c t r i cl o c o m o t i v e sc h a r a c t e r i s t i c sa r ef i r s t l y i n t r o d u c e d s e c o n d l yan e wp r o j e c ti sp u tf o r w a r di no r d e rt or e s t r a i n h a r m o n i cr a d i c a l l y - - p w mr e c t i f i e r c h o p p e ri n s t e a do fs c rb r i d g ew h i c h i su s e dn o w t h i sp r o j e c tw a sd e v e l o p e db yu s i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r e s i m a l i n kb a s e do nm a t i b t h e nt h em a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h i sp a p e r s t w op r o j e c t sa r ee s t a b lis h e db yu s i n gt h ep s bo fs i m u l a ti o ns o f t w a r e o n t h eb a s eo ft h em o d e l s ，t h es i m u l a t i o ni sd o n e a tl a s tt h eh a r m o n i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h et y p eo fs s 4e l e c t r i c a ll o c o m o t i v ea r ep r e s e n t e d k e yw o r d s ：e l e c t r i f i e dr a i l w a y ，e l e c t r i cl o c o m o t i v e ，r e c t i f i e r ；c h o p p e r ； m 棚a bs i m u l i n k i i l 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 期：鲨z ：! ：! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：煎数量导师签名：墨曼缬期：兰竺z2 ：兰。 山东大学硕士学位论文 1 1 课题意义 第一章绪论 随着电力系统的发展，越来越多的人开始关注电能质量问题。我国对电能质 量制定了标准，包括对电压偏差、频率偏差、谐波含量、三相不平衡度、电压波 动与闪变的规定。其中，谐波污染是近年来最受关注的电能质量问题之一。 近年来，电力系统中大功率电力电子技术的发展以及它们在各领域的广泛应 用，是非线性负荷大量增加。而由此带来的日益严重的谐波污染问题也逐渐受到 越来越多地关注。谐波问题对电力系统造成多种危害，如缩短设备寿命，引起保 护设备误动，增加变压器和电网的损耗，影响电能计量的误差，还会对通信系统 造成干扰。谐波分析是应用一些时频域分析的算法对畸变波形进行分解，从而得 到各次谐波的幅值和相角。作为解决谐波问题的一个重要手段，谐波分析一直以 来是研究者们关注的热点，很多谐波分析算法被提出并应用于电力系统。 在电力系统中，比较显著的主要谐波污染源有电气化铁路，电弧炉等。目前， 电气化铁路在中国得到了越来越广泛的普及。电气化铁路具有牵引重量大、速度 高、节约能源、乘务员劳动条件好、对环境污染小等优点，已经成为我国铁路动 力改造的主要方向。电气化铁路的迅猛发展也使得电力系统中非线性负荷大量增 加，大大加重了谐波污染。由文献 1 中给出的数据可以看到电气化铁路已经成 为最主要的谐波源之一。电气化铁路作为电力系统的一个特殊用户，其负荷具有 非线性、不对称和波动性的特点。而电气化铁路产生的谐波具有时变性、波动性， 需要特别的关注和处理。电气化铁路谐波问题已经在欧美地区造成多次较为严重 的事故，因此我们也要防患于未然，做好电铁谐波治理工作。 1 2 国内外发展情况 从2 0 世纪5 0 年代开始，修建电气化铁路的国家逐渐增多，电气化铁路建设速 度不断加快。2 0 世纪6 0 7 0 年代时，电气化铁路发展非常迅速，平均每年修建达 山东大学硕士学位论文 5 0 0 0 多千米，前苏联、德国、法国、意大利、波兰、日本、南非、印度都是当时 大力发展电气化铁路建设的国家。n 2 0 世纪7 0 年代末，在工业发达的西欧、日本、 前苏联以及东欧等国家，运输繁忙的主要铁路干线都已经实现了电气化，而且基 本上已成网。 中国电气化铁路是从1 9 6 1 年建成宝鸡风州段( 9 3 k m ) 开始的，它经历了 从无到有、从山区到平原、从单线到复线，从一般干线到繁忙干线、从常速到准 高速、高速的发展历程。但在改革开放前，我国的电气化铁路发展缓慢。到1 9 7 7 年开通运营的电气化铁路只有宝鸡到成都线和阳平关到安康线，总共才1 0 3 2 k m ， 并且都是单线。党的十一届三中全会后，改革开放的春风推动了我国的经济建设， 我国的电气化铁路建设也进入了比较快的发展时期。特别是铁道部将大力发展电 力牵引做为铁路的主要技术政策之一，要求电力牵引在主要繁忙干线、高速铁路、 运煤专线、长大坡道、长隧道( 群) 地区等线路上广泛应用。同时，通过多年的 实际应用，电气化铁路技术不断提高，电力牵引在提高运输能力、提高速度和运 输质量显示出了很强大的优越性。电力牵引在节能降耗、降低运输成本和减少环 境污染等方面比内燃牵引有较大的优势，产生了良好和社会和经济效益。 随着国家国民经济持续稳步快速增长，人民生活水平的提高，客货运输的人 流物流也会不断增加，对处于基础地位之一的铁路运输提出了更高的要求，特别 随着我国社会主义市场经济的逐步形成，各种运输工具铁路、公路、航运、航空 等也面临着激烈竞争，铁路运输在提高运输服务质量的同时，也要改善自己的运 输条件，提高旅客的旅行速度，加大货物列车的重量，而电气化铁路的建设在这 方面处于很大的优势，因此，在加大新线铁路建设的同时，也要大力搞好对现有 铁路的技术改造，而电气化铁路就是铁路技改的一个重要内容。中央最近提出的 关于实施西部大开发的战略和加强东、中、西部地区的联系，加快和支持中西部 地区经济发展的精神，给铁路建设和铁路电气化的发展带来了广阔的发展前景， 我们一定要抓住这一历史机遇，做好规划，扩大电气化铁的规模，并使用连网成 片，以提高电化铁路的综合运输能力，并充分发挥电气化铁路的经济效益，显示 其电气化铁路的优越性。现在，我国的电气化铁路里程已跃居世界前列。 目前我国采用的电力机车主要由我国自产的韶山1 8 型电力机车以及一些 从国外引进的机车，其中使用较多的有：国产机车中的s s l 、s s 3 、s s 4 、s s 7 ，引 2 山东大学硕士学位论文 进机车8 g ( 苏) 、8 k ( 法) 、6 k ( 日) 、6 g 5 3 ( 法) 。国产机车早期的韶山系列 的机车整流装置简单，但调速能力不足，目前我国主要用的是韶山3 型以后的电 力机车，其整流电路一般是由晶闸管和电力二极管组成的多段桥式相控整流电 路。其产生的谐波情况也相对比较复杂，更加严重，对谐波分析的算法提出了更 高的要求。 在以往的一些研究和实际应用中，谐波分析往往采用f f t 算法。作为谐波 分析最经典的一种算法，这种方法在处理稳定的谐波情况时有其优势，但在包 含时变谐波的信号处理中显得有些力不从心。在谐波抑制方面，目前对电力机 车引起的谐波采取的措施一般只是在变电所安装两组不可调并联电容补偿装置 及滤波器等，但由于牵引负荷为间歇性负荷，负荷变化大，电容补偿不能自动 追踪补偿，影响功率因数的提高，都不能有效抑制谐波。以上治理谐波的方法 都是在电网已经被污染的情况下采取的措施，由于改造机车的整流装置是治理 谐波污染的一条根本措施，在这种思想的引导下本文的目的就是机车的整流部 分用p w m 整流装置和斩波装置代替，并进行仿真。 1 3 本文工作 本文首先对电气化铁路及其谐波情况作了一些介绍和分析。先是对电气化铁 路的基本结构和电气化铁路对电力系统的影响进行了详细介绍，其中包括对电力 系统各方面的影响，然后对电铁的无功补偿及谐波和谐波分析的基本概念做了介 绍，给出了改善电铁对电力系统影响的主要措施等，接着给出了电气化铁路的谐 波特点。随后又对电力机车主电路结构和电气化铁路中的主要谐波源整流装 置的结构和工作原理进行了介绍。并对典型的机车s s 4 型电力机车建立了模型进 行了m a t l a b 仿真。 在谐波抑制方面，目前对电力机车引起的谐波采取的措施一般只是在变电 所安装两组不可调并联电容补偿装置及滤波器等，但由于牵引负荷为间歇性负 荷，负荷变化大，电容补偿不能自动追踪补偿，影响功率因数的提高，都不能 有效抑制谐波。以上治理谐波的方法都是在电网已经被污染的情况下采取的措 施，由于改造机车的整流装置是治理谐波污染的一条根本措施，在这种思想的 3 山东大学硕士学位论文 引导下本文的核心就是把机车的整流部分用p w m 整流装置和斩波装置代替， 建立模型并进行仿真。最后对比了两种不同方案的谐波含量，并提出新的展望。 4 山东大学硕士学位论文 第二章电气化铁路与谐波 目前我国电气化铁路的发展如火如荼。电气化铁路主要由牵引变压器、电 力机车，输电线路和其他相关设备组成。现在的电气化铁路已经成为电力系统 中最严重的谐波污染源之一，已在欧美地区造成过多次较严重的事故。而我国 电气化铁路的蓬勃发展也带来了日益严重的谐波问题，值得重视。电气化铁路 的电力机车牵引负荷，是波动性很大的大功率单相整流负荷，具有不对称性、 非线性、波动性和功率大的特点，将产生高次谐波和基波负序电流。电力机车 中的整流装置和变压器二者是电气化铁路的主要谐波源。 2 1 电气化铁路结构及数学模型 电气化铁路按国家规定为一级负荷。因此，牵引变电站必须由两路输电线 供电而且两路输电线要有各自的杆塔和走线，以保证一路输电线发生故障时牵 引变电所电力不致于长时间中断。实际中，根据电力系统的具体情况，这两条 输电线路将可能采用一边供电、两边供电或环形供电。两边供电或环形供电比 一边供电有更高的可靠性和供电质量，其中环形供电的优越性主要是边线在电 网电压波动的幅值较小。 2 i 1 电气化铁路接线结构 电气化铁路接线示意图：一般是从牵引变压器的三条出线引两条分别给两 辆电力机车供电，另一相直接接地。如图： 5 山东大学硕士学位论文 1 l o k v b 爻 b 站 乇i o a 站 ￥乡t b c 图2 1 普遍采用的y d 1 1 牵引变压器供电系统 而在电力机车的行驶路线中，是由多个牵引变电站供电的，在两个牵引变 电站之间衔接的部分叫做分区亭，机车由牵引变电站1 供电的状态进入分区亭， 之后进行一段无牵引电流的行驶过程，再进入由牵引变电站2 供电的行驶状态。 2 1 2 交一直型机车电力牵引的数学模型 文献 8 中提出了交一直型机车电力牵引的数学模型。在牵引供电网络一电 力机车系统中，电力机车的电流是牵引变电所经由接触网送给机车的，然后由 轨道和大地流回牵引变电所。对电力牵引建立数学模型时，将牵引供电网络一 电力机车系统分为牵引变电所、牵引网、电力机车三部分，如图所示。 6 山东大学硕士学位论文 ；l 一 ，2 习l j雨 i f ： 变电所= 次侧供电同 电力机车 图2 2 交一直型机车电力牵引的数学模型示意图 牵引变电所的主要功能是降压，主要设备为牵引变压器。牵引变电所采用 三相变压器时称为三相牵引变电所，采用单相变压器时称为单相变电所。无论 为哪种变电所，牵引变压器二次侧绕组分别接入馈线和轨道地回路。将牵引变 压器阻抗折算n - 次侧后，牵引变电所的等效电路如图所示，图中【厂。为牵引变 压器二次侧电压，e 和l ，为折算后的变压器电阻和电感。牵引变电所用于无功 补偿的并联电容，暂时未考虑做没有投入运行处理。 牵引供电网在不同的供电形式下有接触线、正馈线、架空地线、轨道、地 回路等电流通道。本论文在进行电力牵引网建模时，将其统一折算后用电阻r ， 和电感，来表示。牵引网正常运行时，由于支柱绝缘瓷瓶和支撑瓷瓶污秽而导 致绝缘失效产生漏电现象，数学建模时对此可用时变电导表示。考虑到漏电损 耗在牵引负荷功率中比例较小，本论文在建立牵引网模型时将漏电电导忽略。 交一直型电力机车的数学模型如图中电力机车部分。图中电力机车主变压 器z b 原边通过机车主断路器k 与馈线连接。主变牵引绕组在图中标“1 ”为一 段桥绕组，“2 ”为二段桥绕组，“3 ”为三段桥绕组。牵引绕组交流电压通过晶 闸管t ，二极管d 组成的相控整流桥后，串联平波电抗器p k ，进入串励支流牵 引电机m ( 图中电感k 为牵引电机励磁绕组) 。电阻制动时，电机励磁绕组k 不 与牵引电机电枢串联，励磁电流单独由相控整流桥提供。通过闭合主断路器k 调节整流桥晶闸管的控制角即可以对励磁涌流过程和各牵引制动工况进行仿 真。 7 山东大学硕士学位论文 2 2电气化铁路对电力系统的影响 随着我国市场经济的发展，传统的内燃机式机车已越来越不能满足市场的需 求，电力机车运营成本可以降低3 0 4 0 ，因此越来越成为发展的方向。但是 由于电铁电力机车是波动性很大的大功率单相整流负荷，对于三相对称的电力系 统供电来说，电铁牵引负荷具有非线形、不对称和波动性的特点，将产生三相不 平衡的谐波电流注入系统，使电力系统的电压波动，因此必须对电铁机车对电力 系统的影响有足够的重视并且采取应对措施。 2 2 1电铁经牵引变压器注入系统的不平衡谐波电流 电铁的供电是在铁道沿线建立若干个牵引变电站，一般由电力系统l l o k v 双 电源供电，经牵引变压器降压为2 7 5 k v 或5 5 k v 后通过牵引网向电力机车供电，电 力机车采用2 5 k v 单相工频交流电压，经全波整流后驱动直流牵引电动机，在架空 接触导线和钢轨之间行驶。电铁为两相或单相不对称的谐波电流，经各种牵引变 压器的变换后，高压侧注入电力系统的谐波电流为三相不平衡谐波，且有基波负 序电流注入系统。下面以牵引变压器斯考特( t ) 接线为例分析( 这里把基波作 为谐波的特例h = l 统一分析) 。t 接线的斯考特变压器为一次侧三相系统和二次 侧两相系统之间的变压器，其原理接线及电压相量如图2 3 所示。一次三相侧绕 组不对称，匝数关系为w s a - h k ，矸么一3 。2 ，中性点n 位于绕组a d 的1 3 ( 讳一h 么3 ) ，二次侧两相绕组的匝数相等h 么h t 。高压侧接1 1 0 k v 系统三 相对称的正弦电压，低压侧两相电压u 0 滞后于u 0 9 0 。，组成了a 、两相系 统，分别向两侧的牵引网及电力机车供电。 山东大学硕士学位论文 ( a ) 原理接线圈 两供电臂输入牵引变压器的各次谐波电流以超前相电压以。为参考，则 次 ik 1 1 ，(2-1) 【k - k p 儿 “州 式中：九和唬参照与各自供电臂电压的谐波初相角。 设变压器t 的绕组的变比为巧一既，利用口、卢、o 两相系统转换至 。击 隹 2 0 出】 弘z ， 9 目 l 山东大学硕士学位论文 ， + 一，三+ ，矗+ 2 l ，m c o s 妒h 一+ ( 一1 ) 9 0 。】 2 k r 厶一圪+ ，矗+ 2 l 屯c o s 【九一+ + 1 ) 9 0 。】2 巧 i m i “kr i m - j 二i + ，矗+ 2 4 3 i “i nc o s 【九一+ h x 9 0 。 2 k r ，c 。，二+ j 二+ 2 q r 3 i d , i 抽c o s 【九一+ i lx 9 0 。 2 k r ( 2 - - 3 ) 当变比采用变压器一、二次额定线电压之比k 时，k h k 矸么一2 k r 3 ， 上列各式中k ，- f 3 k 2 。 当九一时，对于电力机车产生的奇次特征谐波电流，输入电力系统的特 征电流简化为下式： 匕一2 1 “( 4 3 k ) i 。- i 。- i ：+ i ：( 4 9 r ) ，i + i n ) ( , l a r ) h 4 m + 1 k 。k ki ( 4 5 1 0 h + 4 r a + 3 ( 肼一0 , 1 , 2 ) 小舷毫) i 哆( x 3 k ) 黑i ( l + k 厅。钥+ 伽一0 , 1 , 2 ) ( 2 4 ) 假设保持一臂为最大电流，( 令h = 1 ) 如，。一1 1 ，另一臂电流j 6 ，在零到 ，。一之间变化时，令，。，1 = z 则由式( 4 ) 可得： i l “刮越+ 叻f 、( 2 - - 5 、 1 0 一，l 。x ( 1 - x ) 4 3 k 则，1 1 1 一( 1 一曲( 1 + 功 ( 2 6 ) 由以上分析可知，除基波正序电流是由系统向电馈供的电流外，所有谐波电 流及基波负序电流均为电铁产生，并向系统倒送电流。 1 0 山东大学硕士学位论文 由式( 5 ) 可知输入系统的基波负序电流为： t 一( ，1 。彳机) 3 k = ( o 5 r 7 ) 。 ( 2 7 ) 在零到最大值之间变化，而最大基波负序电流为供电臂最大电流折算值的l 2 左右输入系统的最大相谐波总电流估计为i n - 2 5 。即在电铁不采取抑 制措施的情况下，高压侧输入系统的最大相谐波总电流为供电臂最大电流折算 值的1 4 ，为输入系统的基波负序电流最大值的1 2 左右。 2 2 2 谐波电流和负序电流对电力系统的主要影响 对旋转电机的影响 汽轮发电机转子为敏感部位，因为汽轮发电机转子的谐波和负序温升比定子 大，存在局部的突出高温部位，国内曾发生过向电铁供电的汽轮发电机转子部件 嵌装面过热受损的事故。并且当负序电流流过发电机时，产生负序旋转磁场，产 生负序同步转矩，使发电机产生附加振动。谐波也会引起电机的振动并发出噪声， 长时间的振动会引起金属疲劳和机械损坏。 对邻近牵引变电所而远离( 指电气距离) 电源的异步电动机，其定子绕组为 敏感部位。同时还将在电动机中产生一个反向旋转磁场，此反向磁场对电动机转 子起制动作用，影响其出力。在谐波和负序电流的共同影响下，国内曾发生多起 定子绕组过热烧毁事故。 对电力变压器的影响 谐波电流在变压器绕组要产生附加损耗，该损耗相当大，除此之外还能引起 外壳、外层硅钢片和某些紧固件发热，并可能局部过热，加速变压器的老化，影 响其使用寿命。负序电流造成电力系统三相电流不对称，造成变压器的额定出力 不足( 即变压器容量利用率下降) 。 对输电线路的影响 谐波使网损增大，在发生系统谐振或谐波放大的情况下，谐波网损可达到相 当大的程度。负序电流流过电力网时，它并不作功，只是降低了电力线路的输送 能力。 1 1 山东大学硕士学位论文 对继电保护和自动装置的影响 谐波在负序( 基波) 量的基础上产生的干扰，如对各种以负序滤波器为启动 元件的保护及自动装置的干扰。由于保护按负序( 基波) 量整定，整定值小、灵 敏度高。滤波器为启动元件时，实际运行中已引起下列保护和自动装置误动： 1 ) 电机的负序电流保护误动。 2 ) 变电站主变压器的复合电压启动过电流保护装置的负序电压启动元件误动。 3 ) 母线差动保护的负序电压闭锁元件误动。 4 ) 线路相差高频保护误动。 5 ) 自动故障录波装置的负序启动元件的误启动，导致无故障记录而浪费记录胶 卷。在频繁误动时，可能造成未能及时装好新胶卷而导致发生故障时无记录。 6 ) 当谐波注入系统，在谐振或谐波放大的情况下，会造成过流、过压、过负荷 及过热，可能造成电容器或串联电抗器的损坏，导致无功补偿装置无法投入 运行。 2 3 电铁的无功补偿及谐波分析 针对电铁负荷功率因数较低的现象，严重危害设备和线路的安全，必须对电 铁采取相应的无功补偿措施。目前电铁牵引变电所一般安装两组不可调并联电容 补偿装置，分别补偿两个供电臂牵引负荷。但由于牵引负荷为间歇性负荷，负荷 变化大，电容补偿不能自动追踪补偿，影响功率因数的提高。 1 、电铁的无功补偿 目前电铁无功补偿存在的问题： 1 ) 电容补偿装置容量为固定容量，不能根据电力机车负荷进行无功补偿。 2 ) 供电臂负荷与电容补偿容量不匹配，没有根据供电臂负荷决定补偿装置容量。 3 ) 电容器、电抗器设备有缺陷，造成电容补偿装置不能投运。 4 ) 无功计量方式不合理，牵引供电部门无法投入电容补偿装置。 为了解决目前电铁无功补偿存在的问题，可以采取以下措施： i ) 实现电容分组补偿。即将电容器和电抗器分成5 6 组独立补偿单元，根据近 期、远期运输量及牵引负荷情况，分组投入补偿装置，使电容补偿装置产生 山东大学硕士学位论文 适量无功，补偿电力机车所需的无功功率，尽量不产生过补。虽然这种方法 仅能减少无功功率的过补偿，不能进行追踪补偿，但比现有的固定容量补偿 的方式效果要好，适合新建变电所和改造旧的变电所采用“1 。 2 ) 研制新型的电容补偿设备，达到自动跟踪补偿的目的。目前许多国家研制了 多种类型的静止无功补偿装置( 简称s v c ) 。s v c 具有快速调节无功的功能， 能够达到较为理想的补偿效果，虽然价格较高，但无疑是今后的发展方向0 1 。 3 ) 选择高质量的电容器、电抗器，减小电容、电抗值误差。 4 ) 在电力机车上装设电容补偿装置，直接吸收电力机车牵引过程中产生的无功 成分。 2 、谐波的基本概念 在电力系统中，发电厂出线端电压一般具有很好的正弦特性，但在接近负荷 端，电压电流畸变率比较大。在绝大多数情况下，畸变并不是任意的，多数畸变 是周期性的，属于谐波范畴。国际公认的谐波定义为：“谐波是一个周期电气量 的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。” 早在2 0 世纪2 0 年代和3 0 年代的德国，人们就注意到使用静止汞弧变流器会造 成电压、电流波形的畸变。到了5 0 年代和6 0 年代，由于高压直流输电技术的发展， 人们对变流器引起的电力系统谐波问题更加重视。7 0 年代以来，随着电力电子技 术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益 广泛，谐波所造成的危害也日趋严重。 关于工程实际中出现的谐波问题的描述及其性质需要明确下列几个问题： ( 1 )所谓谐波，其次数h 必须为基波的整数倍。对于我国的电力系统来 说，额定频率为( 也称为工作频率，工频) 5 0 h z ，则基波频率为 5 0 h z ，所以h 次谐波的频率为5 0 * h h z 。 ( 2 )间谐波和次谐波。在一定的供电条件下，系统出现非工频频率整 数倍的周期性电流的波动，这种波动成为分数谐波，或称为间谐 波。频率低于工频的问谐波又称为次谐波。 山东大学硕士学位论文 ( 3 )谐波和暂态现象。许多电能质量问题中常把暂态现象误认为是波 形畸变。尽管暂态过程中有高频分量，但暂态和谐波是两个完全 不同的现象，它们分析方法也是不同的。电力系统仅在受到突然 扰动之后，其暂态波形才呈现出高频特性，但这些高频分量并不 是谐波，与系统的基波频率无关。谐波按其定义来说是在稳态情 况下出现的，并且其频率是基波频率的整数倍。产生谐波的畸变 波形是连续的，或至少持续几秒钟，而暂态现象则通常在几个周 期后就消失了。暂态常伴随着系统的改变，而谐波则与负荷的连 续运行有关。有些情况下也存在着两者难以区分的情形，又是暂 态现象也会持续较长时间。 ( 4 )短时间谐波。对于短时间的冲击电流，将包含短时间的谐波和问 谐波电流，成为短时间的谐波电流或快速变化的谐波电流，应将 其与电力系统稳态和准稳态谐波区别开来。 ( 5 )陷波。换流装置在换相时，会导致电压波形出现陷口或成为相缺 口。这种畸变虽然也是周期性的，但不属于谐波范畴。 3 、谐波分析的基本概念及典型谐波源 在频域分析中，将畸变的周期性电压电流分解成傅立叶级数 “0 ) - 耋厄s i n ( h r o 。t ( 2 - - 8 ) 埘一 f ( f ) 一荟2 ls i n 唧+ 以) ( 2 9 ) 其中，q 为工频的角频率，h 为谐波次数， 分别为第h 次谐波的电压电 流均方根值，成分别为第h 次谐波的电压和电流的初相角，m 为所考虑的谐波 最高次数，由波形的畸变程度和分析的准确度要求柬决定，一般情况下m 小于5 0 。 谐波分析中常用h 次谐波的含有率h r i ，h r “，以及谐波总畸变率删d 。分 另i i 定义如下： 1 4 山东大学硕士学位论文 h r i h 一鲁姬0 0 c z 叫。， h r u 鲁蛆0 0 thd避。1。午 觋蜒 1 0 0 ( 2 一1 1 ) ( 2 1 2 ) 1 0 0 ( 2 1 3 ) 我们国家对这些指标规定了其允许的范围，谐波治理的目的就是要将这些指 标限制在国家规定的允许范围之内。 可将弼d 中所采用的基波电流改为基波额定电流的峰值，称为总需量畸变 率，简称t d d 。 谐波源指产生谐波的设备，这种设备是具有非线性特性的用电设备。电力系 统中的主要谐波源，就其非线性特性而言有三类： ( 1 ) 电力电子装置。包括变速传动装置、不间断电源( u p s ) 、整流器、逆变器、 开关电源和晶闸管控制系统等。 ( 2 ) 电弧装置。包括电弧炉、荧光灯和水银灯等。 ( 3 ) 饱和设备。如变压器、电动机和发电机等。 2 4 改善电铁对电力系统影响的主要措施 电铁产生的负序电流和谐波电流对相关电厂以及其他电力设备有着重大影 响，对其安全性构成很大的威胁，因此必须对电力机车负序电流的影响程度进行 定量分析，在此基础上制定切实可行的技术措施。 2 4 1 降低和限制负序电流的措施 1 ) 牵引变电站高压侧接入系统采用换相连接。 山东大学硕士学位论文 2 ) 合理安排列车方式，使单相负载均衡分配在电铁沿线。 3 ) 采用同相供电系统与对称补偿技术。 4 ) 合理安排牵引站供电电源，使每一个保证有可靠的主供电源和备用电源，不 至使牵引站产生的负序电流过于集中，要由多个电源分担，特别要注意离牵 引站的电气距离，容量小的发电机组不能接受较多的负序电流，更不能单独 作牵引电源。 5 ) 对电力系统的改进，可在发电厂或枢纽变电站安装特殊的同期调相机，其允 许承受负序电流的能力较大，负序阻抗较低，而且有良好的防震性能。在发 电机的出线端加装限流电抗器，可以有效地减小注入发电机的负序电流。 2 4 2 谐波防治措施 1 ) 利用整流变压器绕组移相，抑制高次谐波。 2 ) 对牵引变电站应加装谐波监测仪器，各个供电臂均应装设滤波器。 3 ) 单相应用条件下，将两组工作于不同电磁参数的单相可控电抗器并联，通过 实施协调控制，可使每个并联单元( 可控电抗器) 所产生的谐波相互补偿，从而 使单相并联电抗器组的谐波水平大大降低m 。 4 ) 保持电铁牵引变专线用电，其余铁路生产、生活用电必须与电铁供电严格分 开。 电铁负荷对电力系统的影响不但与系统结构、容量大小关系较大，而且还与 铁路运量的增长运行、方式及牵引变压器的接线方式有一定的关系。因此，电铁 的技术发展，必须充分研究和处理这些方面的问题，根据具体情况采取相应的措 旌，使电铁对电力系统的影响控制在合理范围内，保证电力系统安全运行，并有 利于电铁发展，从而获得满意的综合社会经济效益。 2 5 电气化铁路谐波特点 1 6 在电力机车的各个不同工作阶段中，谐波含量有时会有很大的区别。文献 8 山东大学硕士学位论文 中以s s 3 型电力机车为例介绍了电气化铁路中的谐波情况。由于和后面的机型整 流装置结构及整流过程类似，因此这种机型的机车的谐波特点也能在一定程度上 表现出其后机型( 如s s 4 型) 机车在不同工况下的谐波含量情况。 1 合主断路器及过分区亭。此时，由于机车主变磁通不能突变，发生励磁涌流 现象。根据主断路器合闸时刻电压初相角的不同，各次谐波的含量变化比较 大。此时馈线电压降落较多，波形畸变较为严重且有较多的谐波；馈线电流 波形关于横轴不对称，出现间断角且电流波形有尖顶。 2 惰性阶段。当机车运行到下坡道或者进站等情况时，机车级位手柄为“0 ” 且各辅机均处于断电停运状态，此时机车从馈线取流甚小，机车处于惰行状 态。惰行时馈线电流主要为机车主变压器损耗、机车控制电路用电和馈线的 电晕、电弧等损耗。高速惰行时，随着机车位置的移动，受电弓与接触线一 直处于滑动接触状态，如果两者接触不良，受电弓会短时脱离间出现产生电 弧。这种现象包括两个物理过程：a 电弧放电，产生各次整数及分数谐波， 含量丰富频谱广泛；b 带剩磁的励磁涌流，此时馈线电流含有一定量的2 、 3 次谐波，但由于受电弓通过电弧和接触网接触，机车励磁涌流根据实际条 件变化范围较大。不考虑馈线电晕等损耗的话，惰行时馈线电流几乎为正弦 波，谐波含量基本为零。 3 级位运行。此时馈线电流即一次侧电流随着晶闸管的整流输出电压u 。、机 车牵引力和电机电枢反电动势( 与机车运行速度相关) 的大小而变化。 4 启动阶段。晶闸管开放后馈线电流上升，受机车主变、平波电抗器和牵引电 机电抗的影响，这种上升过程较慢。馈线电流谐波在晶闸管出发时刻产生， 谐波含量也突然增加不过因为电流有上升过程而缓慢增加。不过在启动阶 段，由于整流器上流过的电流非常小，所以由其产生的谐波基本可以忽略不 计，这时牵引变压器是主要谐波源。 5 加速及制动工况。机车加速。电力机车的加速，也就是晶闸管导通角的增 加过程。导通角的增加，也就是控制角的减少过程，既可能是每一段整流桥 内部晶闸管控制角的减少，也可能是整流桥之间的顺序过渡。对于整流桥内 部晶闸管控制角的减少的情况即前面说的级位运行时的情况，而加速时整流 桥之间的顺序过渡情况下，当新触发整流桥时馈线电流开始上升，各次谐波 1 7 山东大学硕士学位论文 含量会在过渡开始的时候开始增加，经过一个过程之后最后达到稳定。机 车减速与电阻制动。机车减速时，相当于加速过程的逆过程，跟上面提到的 机车加速时的变化类似，各次谐波含量将平滑变化，最后减小到一个稳定值。 而电阻制动时，由于电力机车主要的谐波源各牵引绕组晶闸管关闭，牵 引电机处于他励发电机状态，机车的主要负载为三相异步辅助机组。这个时 候机车没有非线性负荷，馈线电流基本没有谐波。 6 馈线接地故障。馈线接地故障时，不考虑电弧在接地故障时的作用，谐波含 量基本为零。但有时由于接地故障时电弧反复熄灭与重燃，会出现高次谐波 较为丰富的情况。 通过上面的电力机车各运行状态时谐波情况的分析，可以得到这个结论：电 气化铁路中在一些工况下或在一些工况之间的交界处时，其中的谐波含量会发生 变化，而且有一定的随机性，因此需要使用一种比较能适应时变谐波的分析方法 来进行谐波分析。 1 8 山东大学硕士学位论文 第三章s s 4 型交一直电力机车仿真 要了解电力机车整流装置产生谐波的特点，要先了解其工作原理。国产的韶 山系列的机型中s s 4 比较典型，是学习和研究的常用车型。电力机车的电气主回 路由牵引变压器，整流装置，直流电机等部分组成。 3 1s s 4 型电力机车结构 s s 4 型电力机车主电路电气原理结构简图如图3 1 。s s 4 型电力机车为八轴机 车，由相同的两节组成，每节有两个转向架，每个转向架有两台牵引电机。其中 主变压器有四个牵引绕组，每两个组成一组，每组分别给两台并联牵引电机供电。 每组采用由不等分三绕组变压器供电的4 段半控桥式整流调压电路。三个绕组为 图1 中的口1 6 l ，6 和a 2 屯( 其中n ，岛和6 1 五共抽头岛) ，其空载额定电压为3 3 5 v ，3 3 5 v $ f 1 1 6 7 0 v 。若h 2 为三绕组电压之和，则有：n l - “6 - - u 2 4 , u 。h 2 - 叱2 ，即组成1 4 ， 1 4 ，1 2 的3 段不等分比例。4 段半控桥控制方式为：第1 段，五，五触发使绕组口，6 1 投入工作，五，疋，d 1 ，d 2 桥移相，整流电压为( 0 1 4 ) ( 为总整流电 压) ，岛，日续流；第1 i 段，互，五维持满开放，再触发五，t 使绕组投入 工作，顺序移相，整流电压为( 1 4 1 2 ) u d ；第1 i i 段，封锁五，l 而互，瓦 满开放，使绕组口也投入工作，王，夏进行移相，整流电压为( 1 2 3 4 ) ； 第1 v 段，五，五，正，瓦维持满开放，毛，l 进行顺序移相，整流电压为( 3 4 1 ) 山东大学硕士学位论文 i d 一 p 2 ；t ，2 ：7 il b l d 、b hl 、 辩l 、 ji n fb 2 d 2 zs ”。? 2 譬嗔 r 2 ：l 拼h ”本2 图3 1s s 4 型电力机车电气原理图 3 2 整流回路的数学模型 在之前的研究里，文献 1 0 建立了s s 4 型电力机车运动过程的动态仿真模 型，对s s 4 型电力机车的牵引控制系统、牵引工况主电路进行了数学建模并加入 了机车运动方程式，从而组成了一个比较完整的数学模型，不过建立其中的牵引 工况主电路的数学模型时，采用的是简化的，没考虑换相过程的模型。而文献 1 1 ， 1 2 中则对前面提到第四段整流换相过程进行了分析，并得到方程组求得半个周 期内的电流变化情况。两篇文章虽然使用的具体表达稍有区别，但基本思想是相 同的，下面进行具体介绍。 假设绕组口。玩和岛而的电阻值及电感值均为r 1 和l 1 ，绕组口：x ：电阻和电感值 分别为r ：和l ：( 均折算到副边) ，平波电抗器电阻和电感值分别为r ，和工，电 抗器和牵引电机的总电阻及电感值分别为和l ，副边绕组n a 电压为 u s i n w t ，整流变压器变化为k u 。u 。电动机反电动势为。关于反电动势 的算法可以参照文献 9 。整流回路的交流侧电流特点是其后半周期为其前半周 期的奇延拓，所以只需要分析其半周期的电流情况。 设初始状态五，d 4 ，毛，d 2 导通，q 0 ，( 由上图设f 。为电流l 。1 c ；设f ：为电 一2jjij5ji j 衢 。 山东大学硕士学位论文 流k ；设f 3 为电流f 。：，) i l ，i 2 ，毛均为负值( 相对于以上所设置的流向) ，且 等于一i d 。考虑到变压器绕组阻抗的影响，电压。与“。不会同时过零点设 t o t 一声时，u 。- o 。下面将根据不同区间的电路拓扑结构，分别列出并求解相 应的电路方程( 编号c g 点位置以图3 一l 为准) 。 1 一卢s t o t r l 由于变压器绕组电感续流作用，五，d 4 ，瓦，d ：仍导通；同时，五，d 1 ，瓦，d 3 亦 导通，c 、d 、e 、f 、g 五点短路。在此区间中，译一f 尹，五上无电流通过。假 设f 3 比f l ，i 2 衰减慢，当o g