（电力系统及其自动化专业论文）牵引供电系统综合负荷模型结构研究.pdf

a b s t r a c t e 1 e c t r i f i e dr a i l w a yh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nt h em o d e m r a i l w a yt r a n s p o r t a t l o n a si th a st h ea d v a n t a g e ss u c ha sh i g hs p e e d ，h e a v yl o a d i n g ，s a v i n go fp r i m a r ye n e r g y a n d1 e s se n v i r o n m e n tp o l l u t i o n b e c a u s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c s o ff l u c t u a t l o n ， a s 啪m e t r ya n dn o n l i n e a r ， e l e c t r i f i e dr a i l w a y t r a c t i o nl o a d sh a v ea r o s e s o m e h a z a r d o u se f f e c t st os e c u r i t ya n ds t a b i l i t y , r e a c t i v ep o w e re o m p e n s a t l o n a n dv o l t a g e c o n t r o l ，p o w e rs u p p l yq u a l i t y o fp o w e rs y s t e m t h i sp a p e rs t u d i e dt h et w oa s p e c t so fm o d e ls t r u c t u r eo f t r a c t i o nl o a d s o n e1 s s i m u l a t i o np l a t f o mo ft r a c t i o ns u p p l ys y s t e m t h eo t h e ri s l o a dm o d e ls t r u c t u r eo f t r a c t i o ns u p p l ys y s t e m ，w h i c hi sd i v i d e di n t ot w op a r t s ：o n ei sl o a dm o d e l s t m c t u r eo f e l e c t r i cl o c o m o t i r e ，a n dt h eo t h e ri sc o m p o s i t el o a dm o d e l s t r u c t u r eo ft r a c t i o n s u p p l ys y s t e m t h es i m u l a t i o nm o d e lo ft r a c t i o ns u p p l ys y s t e mc o u l db eb u i l tc o n y e n i e n t l yb y m a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r e t h ed i f f e r e n to p e r a t i o n c o n d i t i o no fd cd r i v e l o c o m o t i v ec a nb es i m u l a t e db ya l t e r i n g t h en u m b e ro fl o c o m o t i v et r a n s t f o m e r w i n d i n g sa n ds e t t i n gd if f e r e n tc o n d u c t i n ga n g l e so f t h y r i s t o r s t h em e c h a n i s ml o a dm o d e lo ft r a c t i o nm o t o ri s d e d u c t e db yi t sd l f f e r e n t l a l e q u a t i o n 。 w i t h o u tc o n s i d e r i n gt h e r e a c t i v ep o w e ro fl o c o m o t i v e r e c t l t l e r a n d t r a n s f o 彻e r t h i si st h ea c t i v ep o w e rm o d e lo fl o c o m o t i v e t oc o n s t r u c t t h el o a d m o d e lo fl o c o m o t i v e ，t h i sa u t h o ra l s os t u d i e dt h er e a c t i v ep o w e rc h a r a c t 锄s t l c s o t l o c o m o t i v er e c t i f i e r t h ep o w e r f a c t o ro fo v e r h e a dc o n t a c ts y s t e mw a sf o r m u l a t e da sa q u a d r a t i cf u n c t i o n o fv o l t a g e s i m u l a t i o nr e s u l t h a sp r o v e dt h a tt h em o d e ic a n e f f e c t i v e l yd e s c r i b et h el o a dc h a r a c t e r i s t i c s o fl o c o m o t i v e t r a i ni sm em a i n1 0 a dc o m p o n e n to f t r a c t i o ns u p p l ys y s t e m c o n s i d e r i n gt h el o a d c h a r a c t e r i s t i c so ft r a i na n di t sl o c o m o t i v ei n c l u d i n gp o w e rs u p p l yn e t w o r k s ，a n e w l o a dm o d e lw a si n s t r u c t e d ， w h i c hc a l l e dt h ei n d u c t i o nm o t o rp l u st r a c t l o nm o t o ra n d c o n s t a n ti m p e n d e n c e t h em o d e l i n gi n s t a n c et os i m u l a t i o nd a t ao f t r a c t l o ns u b s t a t l o n f r o ms i m u l a t i o np l a t f o ms h o w st h a tt h em o d e lp r e s e n t e db ya u t h o rc a n e f f e c t l v e l y d e s c r i b et h et r a c t i o ns u p p l ys y s t e mc o m p o s i t el o a dc h a r a c t e r i s t i c sa n d t h ec o m p o s l t e l o a dm o d e lw i t he x c e l l e n tp e r f o r m a n c e k e yw 。r d s ：p o w e rs y s t e m ；t r a c t i 。nl o a d s ；c o m p o s i t el o a d c h a r a c t e r i s t i c s ； s i m u l a t i o np l a t f o r m ；e l e c t r i cl o c o m o t i v e ；m o d e ls t r u c t u r e ；m e a s u r e m e n t b a s e dm o d e l i n g i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：私于囊日期：泸夕年5 月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并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。本人授权湖南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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“寸) 黧貉 导师签名：猕a 一 日期：吵年5 月矽日 魄一0 7 年，月7 日 硕_ j 学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 世界上第一条电气化铁路是德国的西门子公司和哈尔斯克公司于18 7 9 年在 柏林贸易展览会上铺设的【l 】。此后，随着科学技术的发展、铁路运量的增长和对 能源利用率的重视，全世界电气化铁路营业里程逐年增加，到9 0 年代初，在1 3 0 余万公里的铁路中，电气化铁路有1 8 万公里，占铁路总里程的1 3 8 。 与传统的蒸汽机车或柴油内燃机车牵引列车运行的铁路不同，电气化铁路是 从外部电源和牵引供电系统获得电能，通过电力机车牵引列车运行的铁路。它包 括电力机车、机务设施、牵引供电系统、各种电力装置以及相应的铁路通信、信 号等设备。电气化铁路具有运输能力大、行驶速度快、消耗能源少、运营成本低、 工作条件好等优点，对运量大的干线铁路和具有陡坡、隧道的山区干线铁路实现 电气化，在技术上、经济上均有明显的优越性。 铁路运输在实现了电力牵引后，由于电力机车牵引定数比一般内燃机车和蒸 汽机车提高约4 0 5 0 ，时速在6 0 1 5 0 的坡度上可提高5 0 1 0 0 以上，加 之电力机车整备、启动时间均短于其他类型机车，因此将大幅度提高铁路的运输 能力。同时，电力牵引有助于提高能源的利用率，降低化石燃料的消耗及防止环 境污染，因而具有较高的经济效益和良好的社会效益，从而铁路电气化是铁路运 输现代化的主要方向l z j 。 1 2 电铁牵引负荷建模的背景和意义 1 2 1 我国电气化铁路发展概况 我国的电气化铁路工程建设，是从1 9 5 8 年6 月开始的。1 9 6 1 年8 月1 5 日， 我国第一条电气化铁路一宝成线宝鸡至凤州段建成通车，运输效率显著提高，揭 开了我国电气化铁路建设的序幕【3 1 。近年来，在我国铁路实施“跨越式”发展的总 体思路下，电气化铁道事业又迎来了新的发展机遇。到2 0 0 7 年底，我国铁路总里 程7 8 万公里，其中电气化铁路2 4 万公里。按照国家发展与改革委员会批准的 中长期铁路网发展规划( 2 0 0 8 年修订) ，到2 0 2 0 年我国铁路总里程将达到1 2 万公里，其中电气化铁路7 2 万公里，包括将建设2 0 0 k m h 及以上的电气化客运 专线1 6 万公里。 就湖南省而言，目前湖南境内已运行的电气化铁路主要有京广、湘黔、渝怀 牵引供电系统综合负荷模型结构研究 铁路；基本建成即将投入运行的有焦柳、洛湛铁路；其中，国家“十一五”重点工 程武广高速客运专线正在建设之中，预计将于2 0 1 0 年通车；另外，湘桂线电 气化工程已于2 0 0 8 年1 2 月开工建设，预计于2 0 1 2 年竣工通车。这些电气化铁路 的建设与运行，将使湖南电网的电气化铁路牵引负荷迅速增长。例如，在建的武 广客运高速电气化铁路在湖南境内设计有1 1 座牵引变电站，牵引变电容量达1 6 2 万k v a 。预计到2 0 10 年，湖南电网的电气化铁路牵引负荷实际运行容量将达到 1 0 0 万k w 以上，其占全网网供负荷的比例将达到1 0 左右。 1 2 2 电铁牵引负荷的特点 电铁牵引负荷主要由电力机车及其车厢供电负荷( 对客运列车而言) 构成， 此类负荷具有以下特点：首先，电力机车是大功率单相负荷，而公用电力系统是 三相，单相负荷与三相电源之间电气结构的差异决定了牵引变电站拓扑结构的三 相不对称性。我国目前采用的最大功率电力机车为d j l 型，其额定功率为7 2 0 0 k w , 这只是轮周上的输出功率，考虑到机车主变压器及传动系统的能量损耗，机车吸 收的实际功率将大于这一数值。目前我国牵引动力的主力一韶山系列电力机车中 最大功率的是s s 4 g 和s s 6 g 型，其额定功率达到6 4 0 0 k w 。对重载列车或者坡度 较大的牵引区段，列车往往采用双机甚至多级牵引。我国在2 0 0 6 年3 月在大同至 秦皇岛电气化铁路进行的2 万吨重载列车试验中，就采用了4 台6 4 0 0 k w 的s s 4 型电力机车组合牵引，从而整列列车功率大大增加，对三相系统的不平衡影响程 度增大。为了减轻大功率单相负荷对三相电网造成的不对称影响，牵引供电系统 一般采取相邻变电所接入电网时进行相序轮换、使用平衡变压器等措施，在补偿 无功功率的同时兼顾抑制负序h 7 1 。 其次，电力机车是移动性负荷，由此决定了牵引网电气结构的特殊性。为了 把电能可靠地送给高速行驶的电力机车，应尽量简化牵引网结构，减少线路中的 机械薄弱环节。我国地域幅员辽阔，当电力机车经过不同的供电区段时，由于接 触网与地回路的回流对沿途通信线路的不对称影响，从而对本地区的通信电缆造 成较大干扰，致使部分通信信号质量降低甚至阻断，严重情况下还会影响到相邻 地区，极大威胁国家的通信安全【引。为此，铁路部门为了减小回流对通信信号的 干扰，牵引网通常在直接供电方式的基础上引入了吸流变压器( b t ) 供电方式、 自耦变压器( a t ) 供电方式、同轴电缆供电方式和带负馈线的直接供电方式，由 此造成了牵引网的拓扑结构复杂。 第三，电力机车是非线性负荷，谐波含量丰富。我国大量采用交直整流型( 或 称直流传动型) 电力机车作为牵引动力，如韶山系列电力机车。直流传动型电力 机车的主电路一般为晶闸管相控整流电路，因此接触网侧电流含有较大的谐波成 分。谐波对电力系统及其设备的安全稳定运行造成威胁，致使系统供电质量降低、 硕士学位论文 网损增加、电能计量装置及继电保护装置的灵敏度降低或误动，严重影响电网的 安全运行 5 - 1 0 】。近年来，电力机车生产厂家通常在新型电力机车牵引绕组设置晶 闸管投切的三次谐振补偿电路，以达到从机车侧抑制谐波进入电网的目的，鉴于 该措施吸收谐波能力有限，供电部门仍需在牵引变电站内部装设滤波装置。目前 世界上电力牵引传动方式正在向交流方式转化，交直交传动技术在大功率电力机 车和高速动车组上得到广泛应用，这将使得牵引负荷的谐波问题在未来可望得到 较大程度的缓解。 第四，由于电气化铁路线路条件和自然条件复杂多变，列车行进过程中遇到 的阻力也不断变化，列车要比较频繁的在启动、加速、惰行、制动等工况间切换， 造成牵引负荷波动剧烈。变化剧烈的大功率单相负荷在电网薄弱时容易造成电压 波动和电压闪变，影响电力线路供电电压质量，严重者可能威胁电力系统的安全 和稳定运行。有关资料表明【2 1 ，1 9 9 6 年6 月，由于贵州电铁的谐波和负序影响， 贵州电网遵义一贵阳2 2 0 k v 变电站高频保护误动跳闸，造成贵州电网解列，大面 积停电。 1 2 3 电铁牵引负荷对电力系统的影响 目前，运行于我国电气化铁路的列车大多由交一直传动型电力机车牵引，此 类电力机车在运行中对电网注入大量的谐波电流和负序电流，对电网的安全、稳 定运行形成较大威胁。本节就谐波电流和负序电流对电力系统的影响和危害作一 阐述。 1 2 2 1 负序电流对电力系统的危害 负序电流对电力系统的危害主要集中体现在对系统中同步发电机、异步电动 机、继电保护装置、电力变压器、送电线路等元件的安全稳定运行方面 4 - 1 0 】： 负序电流对同步发电机影响最大的是转子的附加损耗与发热，其次就是附加 振动。当系统中存在有负序电流时，负序电流流过发电机定子绕组时产生负序旋 转磁场，其转速与转子的转速相同，均为同步转速，但方向相反。相对于转子而 言，转速为同步速的2 倍。这种负序磁场在励磁线圈、阻尼绕组及转子本体中感 应出2 倍同频率的电势，并引起涡流，从而产生额外的能量损失。除此之外，负 序还将引起发电机的不对称运行。从发电机的安全运行考虑，其每相电流均不应 超过额定值，因此负序实际上限制了发电机的出力。 对于异步电动机来说，正序电压产生正序电流和顺转的电磁转矩，负序电压 产生负序电流和逆转的电磁转矩。负序电压对异步电动机的运行是十分不利的， 较小的负序电压加到异步电动机上将会引起较大的负序电流及逆转电磁转矩，直 接影响异步电动机的效率和安全可靠运行。 负序电流容易使电力系统中以负序分量启动的继电保护装置误动作。例如， 牵引供电系统综合负荷模型结构研究 当负序电流作用时间较长时，常规的距离保护就要转入闭锁状态，使一段时间内 距离保护的快速动作段退出运行；而当电铁负序作用于解除闭锁后，如系统此时 发生振荡，则距离保护可能误动作跳闸。所以，为消除负序的影响，将增加继电 保护装置的复杂性，降低可靠性。 另外，三相电流的不对称将造成变压器不能有效发挥额定出力，造成变压器 的附加能量损失，在变压器铁心磁路中产生附加发热；当负序电流流经送电线路 时，增加网损，降低了送电线路的输送能力。 1 2 2 2 谐波电流对电力系统的危害 谐波电流对电力系统的影响大致可分为以下两个方面：其一，过大的谐波电 流流入电气设备，会造成过负荷、过热现象，并可能在一定条件形成谐振现象。 其二，对利用电压波形进行控制的设备和仪表计量设备会引起误控和计量误差， 影响准确性。运行实践表明，3 次谐波以其频率低、数值大、三相组成零序系统 等特征，给电网造成的危害较大。 在高、低压电网中，牵引负荷产生的三相不平衡3 次谐波，其三相电流之和 为零，仅有正序、负序分量而无零序分量，不论系统中性点是否接地乃变压器是 否有绕组，3 次谐波均不受任何阻拦，在电网中随处流动；电网中安装的并联 补偿电容器，其串联电抗器的电抗值一般为4 5 6 ，3 次谐波注入后会形成谐 波谐振或谐波电流放大，造成并联补偿电容器过电流跳闸、电容器或电抗器损坏。 随着电网规模的扩大和电压等级的升高，造成线路对地电容增大，3 次谐波的注 入会形成局部电网的谐波谐振和放大。据有关资料介绍，陕西安康电网6 0 0 k m 以 上的1 1 0 k v 线路，共有6 所牵引变电站，先后发生过3 、5 次谐波谐振和严重放 大的事故【l o 】。 由此可见，电铁牵引负荷对电网运行状况的影响已成为电网规划设计、运行 控制中迫切需要研究解决的重要课题。深入、系统、综合地研究电铁牵引负荷对 电网运行状况的影响，进而提出和制定相应的应对措施，对于确保在电铁牵引负 荷影响下的电网安全、稳定、经济运行，确保电网供电质量，具有迫切的现实工 程意义；对保证电铁与电网的健康、协调发展也具有重要的理论指导价值。 1 3 电铁牵引负荷建模的发展和研究现状 1 3 1 电铁牵引负荷模型的研究方法 随着电气化铁路的比重增加，对系统各组成部分及其相互关系的研究提出了 更高的要求。同时，电力牵引系统还存在有若干技术难题尚未有效的解决，诸如 谐波、无功、负序、弓网关系、故障探测、继电保护等深层次的问题，使系统难 以达到最优化的运行状态。因此，目前对于电力牵引系统的研究大多也都集中在 4 以上各点，其中有关牵引负荷模型的研究方法主要有数字仿真法、机理分析法和 随机过程法。 1 3 1 1 数字仿真法 由于牵引供电系统自身的复杂性，很难采用现场的方法进行测试分析、事故 再现和更深层次的研究，因此，借助计算机仿真技术模拟系统的运行过程是分析 和研究整个牵引供电系统一种有效的方法。该方法通常从牵引供电系统或者电力 机车负荷的物理机理出发，应用相关动态仿真软件对实际系统的各元件特性进行 模拟，从而得到实际系统的计算机仿真模型，进而对牵引负荷及牵引供电系统在 各种运行工况下的特征量进行测量和评判【l l 1 引。通常采用的仿真软件有m a t l a b 、 p s c a d 等，该类软件通常自带有非常成熟的常见的各种电气元件的数学模型及接 口，研究人员可以方便地利用各种元件可视化地建立自己所需要的仿真对象，从 而可以有效解决由于牵引负荷周期性、随机性强等特点给机理分析带来的不便。 此方法的主要优点是可以直观地再现牵引负荷及牵引供电系统的运行特性，不足 之处在于仿真模型是基于相似原理建立的，难以做到与实际系统特性的完全一致， 仍需在仿真系统与寥际系统的相似性对比和验证方面进行深入研究。目前，该方 法普遍应用于对各类电力机车进行谐波特性和运行特性的相关研究中。 文献 1 1 。1 2 利用m a t l a b 仿真平台之上的s i m u l i n k 仿真软件建立了韶山1 型( s s l ) 、s s 3 b 和韶山4 型( s s 4 ) 电力机车的数字仿真模型，对电力机车特性控 制函数与整流回路的关系进行了研究并由此推导了机车整流器晶闸管导通角口的 计算方法。通过对电力机车不同运行工况的仿真分析，得到了不同类型电力机车 的谐波电流数据库；文献 1 3 1 建立了计及韶山型( s s 4 ) 电力机车运动过程的动 态仿真模型，提出了一种计算该型电力机车谐波电流及其概率分布的方法，并且 根据机车的运动方程、控制系统以及整流回路的拓扑结构，模拟了机车的机械和 电气动态过程，并考虑了多台机车运行时的随机因素，应用蒙特卡罗法对机车的 随机谐波电流进行了计算；文献 1 4 采用面向结构图的思想，对电力机车调速系统 仿真模型的建立过程进行了详细的论述，并给出了计及电力机车运行过程中详细 外部因素的数学模型；文献【1 5 给出了牵引供电系统仿真模型的整体结构；文献 1 6 】 在m a t l a b 环境下建立了两种接线形式的平衡变压器的仿真模型；文献 1 7 1 就牵引 供电系统的计算机仿真模型及其控制系统的构建过程进行了详细的论述；文献【1 8 】 为研究系统内部的短路故障，详细论述了系统中元件如整流变压器、牵引负荷等 的仿真模型的详细建立过程。文献 1 5 1 8 】中所述的建模思想和建模方法对建立牵 引供电系统的仿真模型具有一定的参考意义。 1 3 1 2 机理分析法 该方法通过机理分析牵引供电系统的电气原理及负荷构成特性和运行机理， 通过合理简化分析和等值推导，得到实际系统的等值数学模型或简化电路图，进 牵引供电系统综合负荷模型结构研究 而得到一系列的线性和非线性方程组，通过对方程组的求解即可对实际系统的各 项运行指标给出合理的评价【1 9 q 1 1 。该类方法的特点是建立的数学模型物理意义明 确，因为有严密的数学理论作指导，所以推导过程严谨，结果可信度较高。但由 于牵引负荷的随机性较强，而机理分析仅仅是对系统某一特定工况的简化分析计 算，造成不同运行工况下所得结论分散性强，缺少对系统不同运行状态转化过程 中的暂态特性方面的研究，从而对系统的整体特性把握不足，通常应用于对系统 实际运行某一工况的特性分析或者系统组成元件( 如变压器、线路等) 的数学模 型推导中。近年来，该方法主要应用于对牵引负荷的谐波、负序电流等方面的特 性研究中，特别是利用系统已有的各项运行数据，对系统运行状态进行评判的分 析研究中。 文献【19 】基于列车牵引计算和牵引供电系统的内在联系，构建了包含列车牵引 计算和牵引供电系统模型的计算机仿真软件，并且验证了改进p q 分解法是求解电 气化铁路供电系统潮流分布的有效方法；文献 2 0 2 4 通过分析牵引供电系统中的 元件如不同接线形式的牵引变压器、轨道等设备的运行特性，给出了详细的数学 j j 模型及电气量变换关系；文献 2 5 1 在自耦变压器等值电路的基础上，提出了将机车 视作恒功率模型的牵引网潮流改进算法，并且利用迭代法和叠加原理进行供电区 段多列车的潮流计算；文献 2 6 通过分析牵引负荷的谐波特性，利用基于电流注入 技术的平均有效值算法，对含牵引负荷的电力系统潮流计算方法进行了修正；文 献 2 7 2 9 1 对牵引供电系统的谐波和不平衡特性进行了深入分析，并给出了各自的 计算模型；文献 3 0 】推导了适用于任意接线形式的牵引变压器两侧电气量的通用变 换关系，并由此给出了牵引供电系统的三相等值电路模型，对研究牵引负荷对电 力系统的影响提供了一种思路；文献 3 1 结合牵引变电站的变压器接线方式给出了 线路最大电流变化量的估算依据和估算方法，这较好地解决了由于牵引负荷产生 电流突变而启动的继电保护元件整定值的计算问题。 1 3 1 3 随机过程法 由于电铁牵引负荷受线路条件等多种因素的影响而波动性较强，从而造成牵 引供电系统运行工况的变化随机性强，进而造成数字仿真法和机理分析法对牵引 负荷动态行为的解释存在不足。目前，随机过程法主要应用于对电力系统的谐波 分析中，通过引入随机变量并用概率的方法来分析电力系统中的非线性负荷特性， 诸如在电铁牵引负荷的谐波随机特性等方面已取得了一些有意义的成果【3 2 3 6 1 。该 方法通过将已获得的大量牵引负荷的运行数据作为随机变量函数的样本，利用样 本信息，针对性的采用合适的概率密度函数获得方法，从而找出对牵引负荷相关 特性具有良好拟合能力的概率分布模型，借助于概率理论的支持，该方法已大量 应用于牵引负荷谐波特性的研究中。 文献 3 2 3 3 考虑了电气化铁道牵引负荷受线路及操作规程等随机因素的影响 硕士学位论文 特性，分别利用蒙特卡罗法和最佳平方逼近法对牵引负荷谐波电流的概率分布和 统计特性进行了分析，对于建立牵引负荷谐波分布模型起到了关键的帮助作用； 文献 3 4 3 5 1 建立了由交一直变换元件控制策略造成的谐波电流概率模型，并将其 应用于有关仿真模型中，取得了很好的效果；文献 3 6 提出了牵引供电系统的电压 是由系统最大功率吸收和机车的行驶速度这两个随机因素决定的，通过对电压有 无降落两种工况下系统等值模型的研究比较，提出了一种牵引供电系统的概率模 型。 1 3 2 电铁牵引负荷建模的发展动态和研究趋势 我国电气化铁路应用始于1 9 6 1 年，但在2 0 世纪8 0 年代以前应用尚不广泛， 其对电网运行状况影响的研究成果也鲜见报道。早期的相关研究主要集中于单相 牵引负荷的不对称和谐波抑制及其装备研制方面，在此期间由湖南大学与云南变 压器厂等单位联合攻关，成功研制了我国第一台阻抗匹配平衡变压器，该变压器 可有效降低牵引负荷对三相系统的负序和谐波影响。 上世纪9 0 年代以来，我国电气化铁路发展迅速，相关单位在电铁牵引负荷模 型及其对电网的影响工况方面均开展了一些有意义的研究工作，取得了一些可喜 的成果。如西南交通大学在牵引供电系统供电方式、单相牵引负载的三相等值模 型、牵引负荷的随机谐波特性以及牵引负荷的无功特性研究及其治理方面做了大 量的研究工作【2 5 2 6 , 3 0 , 3 3 】；西安交通大学在电铁牵引负荷的机理分析、电力机车的 数字仿真模型及概率谐波源模型方面做了大量的工作 1 1 1 2 , 2 7 , 3 2 】；北京交通大学联 合铁道第二勘察设计院在牵引变压器的数学模型及其运行特性以及牵引变电站馈 线电流的仿真计算和软件开发方面也进行了详细的研究【1 9 以0 1 。 国外对电铁牵引负荷的相关研究也主要集中于牵引供电系统的数字仿真模型 1 7 “1 8 】、牵引供电系统电气元件的机理分析【2 1 2 4 】及其负序、谐波对电网的运行工 况的影响及其治理方面 2 8 2 9 , 3 4 - 3 6 “。 纵观迄今国内外的研究成果，电铁牵引负荷建模及其对公网运行状况影响的 研究比较薄弱。其主要不足表现为以下两点：一是从建模的角度来看，现有研究 主要集中在电力机车本身的机理和数学模型描述、牵引供电系统元件的数学模型 描述方面，进而研究其谐波特性或不平衡特性，而没有考虑牵引负荷在运行中的 综合负荷特性及其对公网的综合影响：另一方面，从应用的目的来说，目前的研 究尚没有站在全局的高度、从电力系统的角度定量地研究电铁牵引负荷对电网运 行工况的影响。 综上所述，目前有关电铁牵引负荷建模及其对电网运行工况影响的研究相对 比较薄弱。随着电气化铁路的快速发展，牵引负荷的比重也将大幅上升，因此牵 引负荷特性的研究是电力系统分析与控制领域应当加强的重要基础性工作。 牵引供电系统综合负荷模型结构研究 1 4 本文的研究内容 论文首先阐述了电铁牵引负荷建模的背景及重要意义，从四个方面论述了电 铁牵引负荷本身的特点及其对电力系统稳定性和安全性的影响机理，指出了电铁 牵引负荷建模工作的重要性和紧迫性；文中对电铁牵引负荷建模的基础理论及牵 引负荷模型的三种研究方法进行了综述，并对各自的特点进行了分析。最后深入 论述了现有牵引供电系统负荷模型的研究进展，并指出了现有研究方法在分析电 铁牵引负荷特性方面的不足及进行改进的必要性。 第二章研究了牵引供电系统的结构。分别对交流牵引供电系统采用的几种供 电方式进行了论述，指出了各自的特点和不足；分模块介绍了直流传动电力机车 的组成结构，对典型电力机车各主要回路的负荷构成特性作了详细的说明，并给 出了机车整车负荷构成框图。利用m a t l a b s i m u l i n k 软件平台构建了牵引供 电系统的仿真平台，文中比较详细的阐述了仿真平台的构建过程和步骤，并就牵 引供电系统及电力机车的不同运行工况在仿真平台中的实现方法和参数设置方法 进行了说明。 第三章研究了直流传动电力机车的负荷模型。根据电力机车的运行特性和负 荷构成特性给出了牵引电机的稳态数学方程和暂态微分方程，推导了牵引电机的 有功负荷模型。鉴于牵引回路的机理无功模型结构复杂，参数繁多，通过详细分 析电力机车整流器对交流侧功率因数的影响机理，文中采用关于电压的二次函数 模型简化描述交流侧电力机车的功率因数，由此得到了电力机车的负荷模型。通 过利用总体测辨法对前述牵引电机的有功负荷模型和电力机车负荷模型的辨识检 验，验证了文中所提两种负荷模型对各自负荷特性的描述能力是有效的。 第四章基于牵引供电系统负荷构成提出了一种“牵引电机并联感应电动机和 恒阻抗 的综合负荷模型。模型结构中，各组成部分分别等值描述列车负荷的主 要成分电力机车、机车辅助机组和静态负荷以及牵引供电系统的供配电网络。除 此之外，静态负荷部分还对系统整体无功起到平衡作用。文中给出了感应电动机 模型的数学描述，并结合牵引供电系统负荷构成特性提出了一种模型参数的简化 辨识策略。仿真平台测量数据的总体测辨建模结果表明该模型对牵引供电系统综 合负荷特性具有良好的描述能力。 最后对全文工作进行了总结和展望。 8 第2 章牵引供电系统仿真平台研究 2 1 牵引供电系统的结构 牵引供电系统是指电气化铁路从电网获得电能，经牵引变电站降压转换后供 给牵引负荷的电力网络，牵引供电系统由牵引变电站和牵引接触网组成，其结构 如图2 1 所示【37 1 。我国现有电网对电气化铁路的电力供电系统与常规供电方式基 本相同，主要采用三相交流1 1 0 k v 供电制式。近年来，由于高速铁路的迅速发展， 在建高速铁路一般采用2 2 0 k v 供电制式，以提高供电可靠性，降低对电网的影响 程度。本章主要对现有牵引供电系统的供电方式及其仿真模型的构建方法做一阐 述。 图2 1 电气化铁路供电系统示意图 2 1 1 牵引供电系统的供电方式 交流牵引供电系统可采用的供电方式主要有4 种：直接供电方式，b t ( 吸流 变压器) 供电方式，a t ( 自耦变压器) 供电方式和c c ( 同轴电缆) 供电方式。 交流电气化铁道对邻近通信线路的干扰主要是由接触网与地回路对通信线的不对 称引起的。如果能实现由对称回路向电力机车供电，就可以大大减轻对通信线路 的干扰。采用b t 、a t 、c c 等供电方式就是为了提高供电回路的电气对称性，其 中c c 供电方式效率最高，但投资过大。目前，电气化铁路多采用b t 、a t 供电 方式【3 7 1 。 2 1 2 牵引变电站 牵引变电站的作用是从电力系统接受电能，并以不同的电压向牵引负荷、区 域负荷分配供应电能。由于牵引负荷属于一级负荷，为保证供电可靠性，我国牵 引变电站主要采用两台主变压器，互为备用的方式。牵引主变压器是牵引变电站 的主要电气设备，为适应不同区段的牵引供电需求，牵引变压器的接线方式也不 牵引供电系统综合负荷模型结构研究 尽相同，以下介绍几种常见的接线方式。 2 1 3 牵引主变压器接线形式 电铁牵引负荷是单相、波动性负荷，牵引变压器的选择除了应满足容量、并 列运行、能耗和过负荷能力等要求外，还应遵循有利于改善牵引变电站高压侧的 负序、提高牵引变压器的容量利用率和降低牵引变压器电压损失的原则。通过选 择合适的主变压器接线形式，可显著降低牵引负荷对电网的不利影响。例如国产 阻抗匹配平衡变压器当运行于上、下行供电臂负荷水平相等的工况时，理论上其 对电网无负序影响。目前国内电气化铁路牵引变电站采用的主变压器接线形式主 要有以下几种：y n d l1 接线；单相v v ；阻抗匹配平衡接线；单相接线及三相一两 相斯科特接线。其中，前三种接线是国内采用较多的接线形式【3 2 1 ，本章中所述牵 引供电系统仿真平台中的牵引变压器模型主要采用前三种接线形式。 2 1 3 1y n d l l 接线变压器 目前我国三相牵引变电站主变接线大多为此接线形式，高压侧为y 形接线，接 到电压为l1 0 k v 的电力网上；而牵引变电站二次侧母线额定电压为2 7 5 k v ，比接触 网的额定电压高出1 0 。其接线原理图如图2 2 所示。在实际工程应用中，除了对 牵引变压器选取合理的连接组别外，还对各三相牵引变电站的进线进行相序轮换， 以减少对电网产生的负序影响。 a b c a 。 l 二| a 薹 - ： ， ： ， ： x 图2 2 y n d l l 接线牵引变压器原理图 图2 2 中牵引变压器的高压侧接电网，低压侧端子( c ) 接到接地母线和钢轨； 其他端子( a ) 与( b ) 分别接n 2 7 5 k v 的牵引侧母线上，并由此分别馈入牵引变 电站两侧的牵引网。由于两侧牵引网电压相位不同，因此在接触网上必须互相绝 缘，通常由分相绝缘器来实现。l 、，疗分别为左右两侧牵引负荷电流。 y n d l l 主变接线形式的牵引变电站其优点是变压器的次边即牵引侧仍然保持 三相，为变电站内的三相自用电及地区三相负荷提供方便的三相电源。当两台变 压器并列运行时，其供电更为可靠，操作也比较简便。三相牵引变电站由单相牵 引负荷所引起的负序电流对电网的影响要比单相牵引变电站小。当两供电臂负荷 硕l j 学位论文 相同时，其不对称系数为1 2 ，即负序电流是正序电流的一半。y n d l1 主变接线的 牵引变电站的主要缺点是变压器容量不能充分利用，变电站内所需的设备比单相 牵引变电站要多，因而维修工作量增多。 2 1 3 2 单相v v 接线变压器 v v 接线，即用2 台单相变压器连接成开口三角形，其原理电路如图2 3 所示。 在图2 3 中，1 b 和2 b 为单相牵引变压器。1 b 和2 b 的高压侧分别接入a 、c 相与 b 、c 相。低压侧各取一端接至1 j 2 7 5 k v 的口、相母线上，另一端接到接地网和钢 轨。当两供电臂负荷相同时，v v 接线变压器的不对称系数为1 2 。 运行时，口相母线对地电压叱，供应左侧牵引负荷l ，相母线对地电压 供应右侧牵引负荷i 疗。v v 接线牵引变电站结构较y n d l1 接线牵引变电站简单，变 压器绕组中的电流与纯单相变压器相同，都等于馈线电流，容量利用率可达到 1 0 0 。 a b c vvvvvv a b i 。 1 8 图2 3v v 接线牵引变压器原理图 2 1 3 3 阻抗匹配平衡变压器 阻抗匹配平衡变压器是在普通y n d l l 接线变压器的自由相上增加两个绕组， 并使其次边内各绕组阻抗满足z a 6 = k ：z b 。= 恐z c 4 的匹配原则而达到原边平衡的变 压器。阻抗匹配平衡变压器的原理接线如图2 4 所示。 c ( x ) 图2 4 阻抗匹配平衡变压器接线原理图 图中，x w = c 4 ；1 ) w 2 2 ，在次边内，设z c 口= z b 。= z r i ，乙6 = 恐z 兀，则l 、厶在 内各绕组上的电流分配为： 1 1 牵引供电系统综合负荷模型结构研究 卜嚣厶+ 南易 卜一壶厶+ 南易 卜一南乞一嚣易 i a i 峨7k l = 0 i b + i 口一i p ) k 2 一ib ) ，k l = 0 【乇一k k l = 0 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 将式( 2 1 ) 代入式( 2 2 ) ，可得变压器次边l 、厶与原边l 、厶、丘的关系为 阱 1 k + 2 k z + 1 k z + 2 m ( 2 3 ) l 如j 式中，k l = 矾，k 2 = 矾矾 根据平衡变压器的定义，无论l 、j 口负荷如何，三相侧的零序电流必须为零， 不难解出恐= 3 + 1 。亦即只要变压器次边a 内满足z 口6 = ( 3 + 1 ) z b c = ( 4 3 + 1 ) z c 4 的条件，那么三相侧零序电流一定为零。 在阻抗匹配平衡变压器的原边施加三相对称电压时，次边两相系统的电势忘、 意8 为： 一( 历一) 吼 一( 压一) 吼 由向量图可知，两相电动势大小相等，相位差为9 0 。 若令丘= 丘z o 。，厶= - j 厶，且将砭= 历+ 1 代入式( 2 3 ) ，则有 豳 1 2 ( 2 4 ) 翻z 汜5 ， 一 l 一k u u 2 2 pl pl 土墨上墨 = 一一 或 d + l 二“ 肌之书 一q 1 ；3 上凰 硕士学位论文 当变压器次边两臂均载，即乞= 厶= 屯时，有 l = 簧牡 厶= 蔫牡m 。 6 ， 站= 簧删。 从式( 2 6 ) 可以看出，阻抗匹配平衡变压器次边两相电流大小相等时，原边 三相电流完全对称。 2 1 3 4 单相接线变压器 单相接线变压器结构较简单，其一次侧绕组跨接于1 1 0 k v ( 或2 2 0 k v ) 的三相 高压输电线路的两线上，接触网取用线电压。牵引变压器二次侧绕组则一端连于 牵引变电站的牵引母线上，另一端连至钢轨，如图2 5 所示。当经过三个牵引变电 站的相位轮换后，三相输电线的电源侧可达到三相负荷近似对称，由此来降低其 对电网的不对称影响。 单相牵引变电站内设备和布置均较简单，运营维修比较方便，造价和运营费 用也比较低廉。但它没有三相电源，必须另设劈相设备，或由地方引入三相电源， 不利于变电站内三相自用电及地区三相电力的供应。单相接线牵引变电站对电力 系统的不平衡影响较y n d l l 接线及v v 接线严重，其不对称系数为1 ，这种接线变 电站仅适用于电力系统较发达的地方。 a b c 1 a 图2 5 单相接线晕引变压器原理图 2 1 3 5 斯科特( s c o t t ) 接线变压器 斯科特接线变压器由两台变压器构成。变压器的原边底绕组b c 和高绕组a o 接成倒t 形，三个出线端接入电力系统三相电网，如图2 6 所示。次边接成9 0 。的v 形，若是向2 7 5 k v 的直接供电方式或b t 供电方式的接触网供电，将次边口、端 子接上、下行两条供电臂接触网，另外两个端子联成公共端直接与钢轨相连；若 是向5 5 k v 的a t 供电方式的接触网供电，将次边口相、相对应两组端子分别接上、 下行接触网的t 线或f 线。 牵引供电系统综合负荷模型结构研究 b i8 图2 6 斯科特接线牵引变压器原理图 根据变压器原、次边磁势平衡原理，有 i 一+ 1 b + i c = 0 鱼2 l 一厶= 。 吉厶一丢站一易= o 式( 2 7 ) 可以变换成式( 2 8 ) 的形式 la i b i c 2 五i 一： 獭 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 式( 2 8 ) 中，肛矾w 2 。 空载时，s c o t t 平衡变压器次边电压相位相差9 0 。当变压器次边两相负荷幅 值相等时，近似有l = 以，代入式( 2 8 ) ，有 卜怎易 卜志( 压一- ，) 易 卜志( 岳帕 从式( 2 9 ) 可以看出，当变压器次边两相负载电流相等时， 器原边电流是对称的。 14 莽弓i 相享刍由网 接触网直接向牵引动力电力机车供电， 相交流制接触网主要有以下几种电压等级： ( 2 9 ) s c o t t 平衡变压 按不同区段供电方式的不同，工频单 2 7 5 k v 或5 5 k v ( a t 供电方式，对地 硕士学位论文 电压) 。不管选用何种供电方式，接触网对电力机车电压均为2 5 k v 。 接触网供电方式有单边、双边供电和越区供电，其中单边和双边供电为正常 的供电方式。越区供电是一种非正常供电方式( 也称事故供电方式) ，是指当某一