（电工理论与新技术专业论文）电铁牵引系统仿真模型建立及系统负序电流分析.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 目前我国电气化铁道采用单相工频交流制，使用电力系统三相中的两相分别通 过供电臂向电力机车供电，造成电压三相不平衡，对系统和其他负荷产生影响。因 此，正确建立电铁牵引系统的仿真模型，并研究电铁牵引系统在供电系统中产生的 负序分量，对于解决和改善供电系统负序问题具有重要实际意义。 本文利用p s c a d e m t d c 电磁暂态仿真软件建立电铁牵引系统( 包括s s 6 b 交 直型和c r h 2 交一直一交型电力机车) 的仿真模型，该模型山整流调压电路、牵引 电动机和晶闸管触发脉冲产生系统构成。利用f f t 谐波检测方法对所建仿真系统模 型进行谐波测量，验证其正确性。根据电力牵引负荷所产生负序电流的特点，进行 不同牵引变压器在系统中负序电流分析，对牵引变压器的选型具有参考价值。 关键词：电力机车，牵引系统，p s c a d e m t d c ，负序 a bs t r a c t a ip r e s e n lc h i n a se l e c t r i f i e dr a i l r o a du s e st h e s i n g l e p h a s ea c - “e q u e n c ys y s t e m ， e l e c r i f i c a t i o ns y s t e mt h r e e - p h a s ep o w e rs y s t e mo ft w o p h a s es e p a r a t e l yi h r o u 曲t h ep o w e r s u p p l ya r mt o t h ee l e c t r i cl o c o m o t i v ep o w e rs u p p l y ，r e s u l t i n gi nt h r e e p h a s ev o l t a g ei m b a l a n c e ， w h i c hh a st h ei n f l u e n c et ot h es y s t e ma n do t h e rl o a d s t h e r e f o r e ，t h er i g h tt oe s t a b l i s he l e c t r i c r a i l w a yt r a c t i o ns y s t e ms i m u l a t i o nm o d e la n dt os t u d yt h ee l e c t r i cr a i l w a yt r a c t i o ns y s t e mp o w e r s u p p l ys y s t e mi nt h en e g a t i v es e q u e n c ec o m p o n e n l s ，f o rs o l v i n gp r o b l e m sa n di m p r o v et h en e g a t i v e s e q u e n c eo fg r e a ts i g n j f i c a n c e 1 nt h i s p a p e r ，p s c a d e m t d ce l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n ts i m u l a t i o n s o f t w a r et oe s t a b l i s h s i m u l a t i o nm o d e lo fe l e c t r i cr a 订w a yt r a c t i o ns y s i e m ( i n c l u d i n gt h es s 6 bo fa c d c1 0 c o m o t i v ea n d i h ec r h 2t y p eo fa c d c a cl o c o m o t i v e ) ，t h em o d e ls u 唱eb yt h er e c i i f i e rc i r c u i i ，t r a c t i o nm o t o r a n dt h y r i s t o rt r i g g e rp u l s eg e n e r a t o rh a v et h es y s i e mc o n s t i t u t i o n h a r m o n i cd e i e c t i o nm e t h o du s i n g f f tb u j l to nt h em o d e ls i m u l a t i o ns y s t e mt ov e r i f yi t sc o r r e c t n e s s a c c o r d i n gt oe l e c t r i ct r a c t j o n l o a dg e n e f a t e db yt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h en e g a t i v es e q u e n c ec u r r e n t ，t t a c t i o nt r a n s f o r m e ra n a l y s i s o fn e g a t i v es e q u e n c ef o rt h e i rs e l e c t i o nw i t hr e f e r e n c ev a l u e g a oz h i j i a n ( t h e o r ya n dn e wt e c h n o l o g yo fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f j i ax i u f a n g k e yw o r d s ： e l e c t l i cl o c o m o t i v e ，t r a c t i o n s y s t e m ， p s c a d e m t d c ， n e g a t i v e s e q u e n c e 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电铁牵引系统仿真模型建立及系统负 序电流分析，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构 的学位或汪书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 日期： 导师签名： 日期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究的背景及意义 第一章绪论 随着电气化铁路的发展，大量交一直型晶闸管相控机车与交一直一交型变频调 速交流机车投入运行。由于机车运行工况( 起动、加速和制动) 随机多变、列车牵引 重量和运行速度的不断提高，以及增强列车下坡可靠性的再生制动技术的使用，致 使电力牵引负荷增加、功率因数变坏、电流突变率和冲击率增大、谐波电流含量也 相应增加。电气化铁道牵引供电系统为一种较特殊的电力子系统，其负载电力机车 为波动性很大的大功率单相整流负荷或者逆变负荷。牵引供电系统运行时产生较大 的负序分量和高次谐波，同时剧烈变化的负荷造成电网电压波动。因此，谐波、无 功和负序被称为备受关注的电气化铁道三大技术课题。 由于电气化铁路分布日益广泛，对大电网的影响也越来越严重。全面研究电力 牵引负荷工况和故障时的负序特性，明确交一直型与交一直一交型电力机车在不同 工况下馈线电流的负序含量，为牵引供电系统度量仪表、保护继电器等在电力机车 工况下的谐波适应程度提供理论依据，并可据此对测控因谐波注入造成的误差采取 补偿措施。这些都对电力牵引供电系统的可靠性和大电网的安全稳定运行起到推动 作用，特别是对采用交一直一交型电力机车的高速铁路很有必要。 电力机车是单相大功率整流负荷，其用电会产生大量的谐波与负序电流，并通 过牵引变电站，注入电力系统。这不仅使电力系统中主要电气设备产生附加损耗、 降低容量利用率，而且影响了电网电能质量，对电力系统的稳定、安全及经济运行 构成了一定威胁。建立正确的电力机车仿真模型目的是为了进一步分析电力机车在 不同的工作情况下的对电力系统的影响，为减少负序三相不平衡提供仿真数据依 据；建立仿真模型的另一个意义也是为分析研究专供电力机车的测量仪表、继电保 护装置原理、误差补偿方法提供基础数据。 1 2 研究现状 对电气化铁道牵引工况的分析，科研工作者运用仿真模型研究了机车负荷的动 态过程1 4 引，但是，电力机车随时处于高速运动状态，网压波动大，机车操作过程因 人而异，线路状况变化多端，加上接触网的电晕、闪络、非金属性接地等故障，这 就使得如果要求动态仿真模型具有较高的准确性、普遍性将会变得较为困难。 文献【1 1 1 2 】根据电力机车操作及运行特点，为交一直型相控整流机车的牵引运 行仿真提供了基础。该文献主要仿真了电气化区间内列车依时间和距变电所公里数 华北电力大学硕士学位论文 的负荷变化过程，没有涉及各工况下馈线电流的变化。文献f 2 7 】仿真的模型是建立 在数学理论上而非具体的电路元器件，各种工况下的仿真模型不能灵活地根据实际 运行情况调整元件参数。文献【1 0 】从数学上论证谐波的相位分布，并建立了电牵引 负荷谐波在电力系统中分布计算的数学模型，为进一步研究谐波的分布规律提供了 工具。 负序影响的大小取决于两方面的条件：其一是电力系统的容量大小和运行方 式；其二为牵引供电系统的负荷大小和运行方式。因此，负序影响的计算应由电业 部门和铁道部门互相配合进行。计算电力牵引负荷对电力系统发电机的负序影响， 通常需要计算对该发电机的负序电流分配，并检验是否超出发电机负序电流允许 值。这就是分配系数法。其计算过程比较复杂【4 1 。对于容量较大的电力系统，可以 用短路容量法【4 j ，一般说来，单相负荷对电力系统的负序影响可以忽略不计。本文 应用对称分量法，该方法具有计算简单和分析方便的优点【5 1 。并结合负序电流的一 般表达式1 6 j 对电力牵引负荷的负序电流进行分析。 1 3p a q 蛐仿真工具 电磁暂态分析软件p s c a d e m t d c 是目前世界上被广泛使用的一种电力系统 分析软件，由加拿大m a n i t o b ah v d cr e s e a r c hc e n t e f 开发。其主要功能是进行电力 系统时域和频域计算仿真，还可以进行交流系统的谐波研究、暂态扭矩的分析，广 泛地应用于高压直流输电，f a c t s 控制器设计。因其具有大规模的计算容量、完整 而准确的元件模型库、稳定高效的计算内核、友好的界面和良好的开放性等特点， 已经在世界各国的科研机构、学校和电力生产部门广泛使用【7 羽。 p s c a d e m t d c 软件为用户提供了扩充功能的手段，即用户可根据需要方便地 自建模块，用户可以建立非线性的、具有动态特性的、能用代数方程、微分方程或 逻辑方程描述的模块。自建模块也是图形化的，可以根据需要有若干个输入和输出， 以便在图形化建模时与其它的模块连接。每一个模块在其定义文件中调用一个 f o r t r a n 子程序来决定其特性。一旦模块形成，就能放在用户库文件中随时调用。 在电力牵引系统仿真中，电力机车的晶闸管触发脉冲产生系统以及电力牵引系统谐 波电流测量中均需要采用自建模块来实现。本文用f o i 盯r a n 语言编制了上述模块， 编程中充分考虑了模块的通用性和参数设置的方便，在一定程度上方便了仿真工 作。 1 4 本论文的主要工作 基于上述对电气化铁道仿真与负序的认识以及在该领域研究现状分析可知，解 决谐波负序对电力系统的影响，是目前一个迫切需要解决的课题。本文建立了电力 2- 华北电力大学硕士学位论文 牵引系统仿真模型并对负序电流分析进行了研究，主要有以下几方面的内容： 1 ) 用p s c a d e m t d c 仿真软件建立电力牵引系统( 包括交一直型电力机车和各 种牵引变电所) 模型，并根据f f t 对电铁牵引系统的谐波进行分析，所得结论与实 测值相吻合，表明所建仿真系统的正确性。 2 ) 建立了c r h 2 型动车组( 交一直一交型) 仿真模型，通过功率因数及产生谐 波验证其可行性和正确性。 3 ) 根据电气化铁路所产生负序电流的特点，用负序电流一般表达式【1 5 】分别对 y n d l l 牵引变压器、v v 接线牵引变压器、s c o t t 接线牵引变压器、阻抗匹配牵引 变压器与s s 6 b 型电力机车组成的电铁牵引系统的负序电流进行分析，为牵引变压 器的选型提供了参考依据。 3 华北电力大学硕士学位论文 第二章交直型电力机车原理与仿真 2 1 交直型电力机车 2 1 1 交直型电力机车简介 目前，我国电气化铁路上运行较多的交直型电力机车为韶山系列机车。这些机车 按照调压方式的不同，可以分为机车变压器抽头调压( 主要是s s l 型) 、晶闸管相控 调压( 例如s s 3 型4 0 0 0 系列、s s 4 型、s s 6 型和s s 8 型等) 以及两种调压相结合的方 式( 例如s s 3 a 型) 。变压器抽头调压机车大多采用二极管整流( 更早的机车采用引燃 管整流) ，整流电压的大小是借助于机车主变调压开关换接变压器抽头来实现，输出 的脉动直流电压不能平滑调节。晶闸管相控调压机车则是随着可控硅元件的发展才出 现的，这种机车采用晶闸管整流，整流电压的大小由晶闸管的触发角实现平滑调节。 交直型电力机车的晶闸管整流电路，按照整流的负荷性质区分，为大电感带反电 动势整流电路。这种整流电路为保证感性反电势负载的续流，一般将整流电路接成半 相控方式，以利用整流桥的二极管作为续流二极管。 在有再生功能的机车上，晶闸管整流桥采用全相控方式使整流桥可以在四象限运 行，再生时触发晶闸管在续流期间导通可实现再生制动。由于再生制动的控制方式较 为复杂，再生工况时功率因数低且馈线谐波成分增加，除了进口的8 g 、8 k 等类型机 车和少数几种国产交直型机车外，韶山系列其他类型交直型机均没有采用再生制动而 采用电阻制动方式【9 1 。 2 1 2s s 6 b 型电力机车的特点 本文以s s 6 b 型电力机车为代表研究交直型电力机车。s s 6 b 型电力机车是我国 作为标准化、模块化原则设计的6 轴货运机车，它同s s 4 b 型8 轴重载货运机车构成 模块化系列，被列入铁道部1 9 9 2 年科技发展计划新产品开发项目，由株洲电力机车 厂和株洲电力机车研究所等单位于1 9 9 4 年研制成功，并成为郑宝铁路第三批国际招 标中标机车。该型电力机车在韶山系列电力机车成熟技术的基础上，吸收消化8 k 、 6 k 等国外机车的先进技术，使韶山型系列机车整体技术性能和运用品质得到进一步 的提高，使相控电力机车的交直电传动系统实现标准化和模块化。 s s 6 b 型电力机车是一种最高速度1 0 0 k m h ，总功率4 8 0 0 k w 的6 轴机车，可担 当货运和客运牵引，多机重联时也可以担当重载货运牵引。 s s 6 b 型电力机车电传动系统采用标准化的不对称三段半控桥整流电路，实施相 控调压，实现了恒流准恒速控制的牵引调速特性。整流桥按先大桥后小桥的顺控方式， 4 华北电力大学硕士学位论文 结构合理，控制简单，可靠性高，能获得近似于四段桥的综合效果。设有功率因数补 偿装置，利用谐振原理重点对三次谐波分量的吸收，使机车网侧电源获得较高的功率 因数和较小的谐波干扰电流，具有明显经济效益。机车采用z d l l 型6 极串励脉流牵 引电动机，按标准化设计原则实现单电机功率8 0 0 k w ，1 0 2 0 v 级中等端电压，c 级全 绝缘结构，新型刷架系统，整流换向性能好。 s s 6 b 型电力机车的主要技术参数为： 电流制：单相交流5 0 h z ；工作电压：额定值2 5 k v 、最大值2 9 k v 、最小值1 9 k v ； 电传动方式：交直电传动系统；机车功率：4 8 0 0 k w ；持续速度：5 0 k m h ；最高速度： 1 0 0 k m h ；电制动方式：加馈电阻制动；总效率：大于o 8 2 ( 额定工况) 。 为实现转向架独立控制方式，每台机车采用两套独立的整流调压电路，分别向相 应的转向架供电。图2 1 为s s 6 b 型电力机车一个转向架供电的不等分三段半控整流 桥的主电路图。 。2 图2 1s s 6 b 型电力机车转向架单元整流调压简化电路 不等分三段整流调压电路通过顺序触发晶闸管v 9 和v 1 0 、v 3 和v 4 、v 5 和v 6 可以得到最大输出电压为1 2 、3 4 、( 虬为总整流电压) 。图2 - 1 整流调压 电路图中，绕组a 2 x 2 的额定电压为6 9 5 5 v ，绕组a l b l 和b l x l 的额定电压均为 3 4 7 7 5 v 。 不等分三段整流桥的工作顺序如下所述： 首先投入四臂桥，即触发晶闸管v 9 和v 1 0 ，投入a 2 x 2 绕组，v 9 和v 1 0 顺序移 相，整流电压由零逐渐升至1 2 以，v 1 和v 2 续流。在电压正半周期时，电流路径为 a 2 呻v 7 呻平波电抗器呻牵引电动机一v 2 呻v 1 一v 1 0 x 2 _ a 2 ；当电压处于负半周 期时，电流路径为x 2 一v 9 _ 平波电抗器呻牵引电动机一v 2 呻v 1 呻v 8 一a 2 呻x 2 。 此时为一段桥工作状态，整流电压在o 1 2 玑之间调节。 5 华北电力大学硕士学位论文 当v 9 和v 1 0 满开放后，六桥臂投入。维持v 9 和v 1 0 满开放，触发v 3 和v 4 ， 绕组a l b l 投入，v 3 和v 4 顺序移相。当电源处于正半周期时，电流路径为a 2 呻v 7 呻 平波电抗器一牵引电动机_ v 4 一b 1 _ a 1 呻v 1 _ v 1 0 x 2 一a 2 ；当电源处于负半周 期时，电流路径为x 2 一v 9 _ 平波电抗器一牵引电动机 一v 2 一a 1 呻b 1 一v 3 呻v 8 一a 2 一x 2 。此时为二段桥工作状态，整流电压在 1 2 3 4 玑之间调节。 当v 3 和v 4 满开放后，维持v 3 、v 4 、v 9 、v 1 0 满开放，触发v 5 和v 6 ，投入 b l x l 绕组，v 5 和v 6 顺序移相。当电源处于正半周期时，电流路径为a 2 一v 7 一平 波电抗器- 牵引电动机呻v 6 一x 1 一a 1 一v 1 一v 1 0 呻x 2 _ a 2 ；当电源处于负半周期 时，电流路径为x 2 一v 9 一平波电抗器呻牵引电动机 _ v 2 一a 1 一x 1 _ v 5 呻v 8 _ a 2 呻x 2 。此时为三段桥工作状态，整流电压在3 4 一 之间调节。 s s 6 b 型电力机车整流调压回路中晶闸管导通顺序，以及整流电压玑的大小和波 形参见表2 1 。 电力机车的调速与整流电路有很大关系。交直型机车采用晶闸管整流相控实现平 滑无级调速，可以更好地利用轮轨粘着力获得机车在工作范围任意的牵引力和机车速 度。在半相控整流控制方式及大电感带反电动势负载时，晶闸管整流输出电压玑的 平均值为： = 去e 而：s i n ( 甜m ( 埘) = 等u ：( 1 + c o s a ) ( 2 - 1 ) 其中，u ，为机车主变压器二次侧电压的有效值；口为整流电路晶闸管的触发角， 0sa5 】8 0 。 表2 1s s 6 b 型电力机车整流调压回路晶闸管导通顺序 荔驴迥 一段二段三段 a 2 x 2o a l b lo b l x lo 整流电压o 一1 2 1 2 一3 4 3 | 4 u4 u d ，r _ 、 乒忒 虬波形，n 、 一、 表示满开放。表示顺序移相调节 6 华北电力大学硕士学位论文 可见，仅仅通过调整触发角口即可改变机车直流牵引电机的端电压，从而实现机 车平滑调速。控制方式简单是交直型牵引电机得以广泛应用的原因。 晶闸管整流时当主变某一绕组上晶闸管未加触发脉冲时，该绕组整流输出电压为 零，对应变压器二次绕组无电流流过。但由于半控整流桥二极管的续流作用，上述情 况时牵引电机电枢电流仍能保持连续。由于机车整流电路串联有大电感( 平波电抗器 和电机励磁绕组) ，流过平波电抗器的电流即直流牵引电机的电流连续且近似为带纹 波的直流。整流桥的两组晶闸管轮流导通，流过机车变压器二次绕组中的理论电流基 本上是对称的正负方波。 2 2s s 6 b 电力机车仿真与验证 2 2 1 整流调压电路 按照图2 1s s 6 b 型电力机车转向架单元整流调压电路建立p s c a d e m t d c 仿真 模型，如图2 2 所示。该仿真模型由四部分组成：主变压器、二极管组和晶闸管组、 平波电抗器以及牵引电动机。下面分别对其仿真原理和结构进行介绍。 图2 2s s 6 b 型电力机车转向架单元整流调压电路p s c 柚仿真图 2 2 1 1 整流变压器【9 】 整流变压器作用是将接触网上的2 5 k v 高电压降为具有多种电压的低压电，以满 足机车各种电机、电器工作的需要。s s 6 b 型电力机车主变压器型号为t b q 7 7 3 2 4 2 5 ， 额定容量为7 3 2 4 k v a 。主变压器为不等分三绕组变压器，如图2 1 所示。高压绕组为 a x ，空载额定电压为2 5 k v ；低压绕组为a l b l 、b l x l 和a 2 x 2 ( 其中绕组a l b l 和b l x l 7 华北电力大学硕士学位论文 共用抽头b 1 ) ，空载额定电压分别为3 4 7 7 5 v 、3 4 7 7 5 v 和6 9 5 5 v 。高压绕组额定电 流为2 9 2 9 6 a 。空载损耗为5 4 0 0 w ：负载损耗( 7 5 0 c ) 为1 3 0 k w 。整流电路为单相 桥式整流电路；并采用晶闸管相控调压。 本仿真中，利用p s c a d e m t d c 模型库中的单相四绕组变压器( s i n g l ep h a s e4 w i n d i n gu m e ct r a n s f o r m e r ) 构造主变压器，如图2 2 所示。将单相四绕组变压器的 绕组务1 作为高压绕组a x ，绕组撑2 作为低压绕组a 2 x 2 ，绕组舟3 和绕组# 4 作为低压绕 组a l b l 和b l x l ，并将绕组撑3 和绕组# 4 相邻两个端口连接在一起作为抽头b 1 。 2 2 1 2 二极管组和晶闸管组 图2 2 中有两组二极管，分别是v 1 和v 2 、v 7 和v 8 ；有三组晶闸管，分别是 v 3 和v 4 、v 5 和v 6 、v 9 和v 1 0 。三组晶闸管的触发信号分别为g 3 和g 4 、g 5 和 g 6 、g 9 和g 1 0 ，这些触发信号是由晶闸管触发脉冲产生系统中图2 7 中p u l s e c o n v e r t e r 模块产生的。 2 2 。1 3 平波电抗器 s s 6 b 型电力机车是交直传动的电力机车，整流器输出电压是脉动电压，因而在 整流电路中流过的必然是脉动电流。为改善牵引电动机的换向，就要减少整流电流的 脉动，故在牵引电动机的回路中串联另外的电感装置，这就是平波电抗器。 s s 6 b 型电力机车采用的是t x p 6 型平波电抗器，每台车有六台平波电抗器，每 台牵引电动机与一台平波电抗器串联，因此平波电抗器流过的电流是一台牵引电动机 的电流。本仿真中，平波电抗器的电感为1 5 5 m h 【1 1 】。 2 2 1 4 牵引电动机 本仿真中，牵引电动机模块由两部分串联组成：可变电阻r 和受控电压源磊， 两者均由控制模块b & r 进行调节。每个转向架单元整流调压电路中，三台牵引电动 机分别与平波电抗器串联后再并联。 2 2 2 整流调压电路p s q 如e m t d c 仿真模型的验证 在三种工作段位下运行所建立的整流调压电路仿真模型，可以得到整流电压比。 和直流侧电流的波形。图2 3 第一段工作状态下整流电压“。和直流侧电流的波形 图；图2 4 第二段工作状态下整流电压和直流侧电流的波形图；图2 5 第三段工 作状态下整流电压l 。和直流侧电流的波形图。 由图2 3 到图2 5 可知，由于平波电抗器的作用，整流电路电流的波形为脉动 电流，整流电压“。的波形与表2 1 中“。的波形致，从而验证了所建整流调压电路仿 真模型的正确性。 8 华北电力大学硕士学位论文 加 o 舯 薰。瑚 警o 蚰 0 2 0 0 加 0 加0 0 0 1 0 0 5 0 墨0 4 0 餐嘲 0 2 0 0 1 0 0 00 15 0 0 0 2 0 0 0 0 2 5 00 t 0 3 时间 o 0 0 0 1 00 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 00 0 5 00 0 6 00 0 7 0 0 | 0 0 0 0 1 对涠- 图2 3 第一段工作状态下整流电压和直流侧电流的波形图 1 1 2 0 芝。舯 餐。翩 0 3 0 0 0 0 1 0 d 1 5 00 0 2 0 00 0 2 5 00 0 3 0 00 5 00 0 4 0 0 时间s 1 舶 0 加 墨o 鬈咖 0 ：2 0 0 0 0 0 00 0 1 00 0 2 00 0 3 0o0 4 00 0 5 00 d 0 0 7 00 0 0 0 9 00 1 0 0 时问s 图2 4 第二段工作状态下整流电压和直流侧电流的波形图 1 1 5 0 1 2 0 0 9 0 0 6 0 0 3 0 0 0 0 l 0 0 1 5 00 0 2 0 0 1 4 0 1 瑚 群 铂，0 6 0 0 4 0 0 2 0 o j d 0 0 0 2 5 00 0 3 0 0 3 5 00 0 4 0 0 对涠，s 0 00 0 1 00 0 加0 d o 0 4 00 0 o ，o 0 0 7 00 啪0 d 9 00 1 时闻，l 图2 5 第三段工作状态下整流电压“d 和直流侧电流屯的波形图 9 置、幽埘 华北电力大学硕士学位论文 2 2 3 晶闸管触发脉冲产生系统的p s c a d e m t d c 仿真 晶闸管触发脉冲产生系统由以下四部分组成：& l 模块、s i g n a la n da l p h a 模 块、p u l s eg e n e r a t o r 模块。整个晶闸管触发脉冲产生系统的p s c a d e m t d c 仿真结 构如图2 6 所示，下面分别介绍各模块的仿真原理与结构。 图2 6s s 6 b 型电力机车晶闸管触发脉冲产生系统的p s c a d 仿真图 2 2 3 1 & 厶模块的仿真原理与结构 在不考虑电力机车主变压器漏抗的情况下，通过电力机车牵引特性控制函数与整 流回路的关系可以确定晶闸管触瓯只发角口。 电力机车牵引特性控制函数又称为电力机车的速度特性，是用来描述每一运行级 位上的机车速度y 与牵引电动机电枢电流l 的关系曲线。s s 6 b 型电力机车的牵引特 性控制函数为： r1 5 0 七1 l ； 6 0 0 是一5 和 ( 么) ( 取最小值) ( 2 2 ) i 1 1 0 0 j 其中，。为牵引电动机电枢电流，v 为机车速度，七为机车牵引手柄级位( 取 1 1 0 ) 。牵引电动机电枢电流l 随机车速度 ，和级位尼变化，电流取上述式中的最小 值。表2 2 为牵引特性控制函数参数表。 表2 2 牵引特性控制函数参数表 1 0 华北电力大学硕士学位论文 牵引特性控制函数通过速度和级位决定了电动机电枢电流的大小，根据下式可以 确定整流回路直流电压以的大小： 虬= j d 心+ e ( 2 3 ) 其中，r 为整流电路总电阻，e 为牵引电动机的反电动势。 玑& ，。模块的功能实现了上述仿真原理，该模块的输入为级位七和机车速度l ， 输出为牵引电动机电枢电流，。和整流回路直流电压玑。 & l 模块的工作过程为： 第一步，根据式( 2 2 ) 牵引特性控制函数，由输入的级位七和机车速度v 计算得 到牵引电动机电枢电流，。； 第二步，根据式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) ，由第一步得到的电动机电枢电流l 以及输 入的机车速度v ，计算得到整流回路直流电压仉； 第三步，将电枢电流l 和直流电压输出到s i g n a la n da l p h a 模块的输入端。 2 2 3 2s i g n a la n da l p h a 模块的仿真原理与结构 将s s 6 b 型电力机车整流调压电路的六只晶闸管分成三组：第一组v 3 和v 4 ；第 二组v 5 和v 6 ；第三组v 9 和v 1 0 。根据电力机车所处的不同工作段位，晶闸管的状 态一共有三种，每组的两个晶闸管具有相同状态。这三种晶闸管的状态分别为： 1 ) 触发状态：有且只有一组晶闸管处于触发状态，该组晶闸管的触发角根据级 位七和机车速度 ，由本模块计算产生； 2 ) 关断状态：如果某一组晶闸管处于关断状态，则表明没有对该组晶闸管施加 触发信号，此时该组晶闸管所在支路等效于开路； 3 ) 满开放状态：如果某一组晶闸管处于满开放状态，则表明该组晶闸管的触发 角为口；o 。，此时该组晶闸管可以等效为两个二极管。 由吮& ，。模块得到玑的数值后，首先根据表2 1 判断电力机车处于哪一段的工 作状态，然后按照该段整流回路直流电压与晶闸管触发角的关系反推出晶闸管触发 角，并将此值作为参数进行p s c a d e m t d c 仿真，就能得到不同速度和级位下的 s s 6 b 型电力机车的运行特性。具体的推导过程如下： 1 ) 当电力机车处于第一段工作状态时，即整流电压在o 1 2 玑范围内时，晶闸 管v 3 、v 4 、v 5 、v 6 处于关断状态即没有触发信号，v 9 、v 1 0 处于触发状态顺序移 相。晶闸管v 9 和v 1 0 的触发角可由下式确定： 一叫箍。) ( 2 4 ) 华北电力大学硕士学位论文 口9 = d l o + 1 8 0 。 ( 2 5 ) 2 ) 当电力机车处于第二段工作状态时，即整流电压在1 2 玑3 4 范围内时， 晶闸管v 3 、v 4 处于触发状态，v 5 、v 6 处于关断状态，v 9 、v 1 0 处于满开放状态。 晶闸管v 3 和v 4 的触发角可由下式确定： 驴a r c c o s ( 掣。) 口3 = 口4 + 1 8 0 。 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 3 ) 当电力机车处于第三段工作状态时，即整流电压在3 4 范围内时，晶 闸管v 3 、v 4 、v 9 、v 1 0 处于满开放状态，v 5 、v 6 处于触发状态顺序移相。晶闸管 v 5 和v 6 的触发角可由下式确定： 驴一s ( 盟篙掣。) 口5 = + 1 8 0 。 ( 2 9 ) 以上各式中的参数如f ： u 一6 9 5 5 v 为主变压器低压绕组a 2 x 2 的额定电压；u ：= 3 4 7 7 5 v 为低压绕组a l b l 的额定电压；u 3 3 4 7 7 5 v 为低压绕组b l x l 的额定电压。 u 哪。为当晶闸管组v 9 和v 1 0 满开放时绕组a 2 x 2 两端的整流电压，即： u m a x l 2 弛肛 ( 2 1 0 ) u 一：为当晶闸管组v 3 和v 4 满开放时绕组a l b l 两端的整流电压，即： u 。，2 = 2 2 u 2 肛 ( 2 1 1 ) s i g n a la n da 1 p h a 模块的功能实现了上述仿真原理，该模块位于& l 模块之后，并 作为p u l s eg e n e r a t o r 模块的输入模块。s i g n a la n da l p h a 模块的输入为牵引电动机电 枢电流l 和整流回路直流电压，三个输出分别为晶闸管触发角口。、和a 。 s i g n a la n da l p h a 模块的工作过程为： 1 ) 由玑& l 模块得到的数值后，根据表2 1 判断电力机车处于哪一段的工作 状态，即可确定三组晶闸管分别处于触发状态、关断状态还是满开放状态； 2 ) 在确定了电力机车的工作段位后，根据该段整流回路直流电压与晶闸管触发 1 2 华北电力大学硕士学位论文 角的关系反推出晶闸管触发角，即按照式( 2 4 ) 到式( 2 9 ) 计算得到处于触发状态 晶闸管的触发角； 3 ) 将晶闸管触发角口4 、吼和口l o 输出到p u l s eg e n e r a t o r 模块的输入端。 2 2 3 3p u l s eg e n e r a t o r 模块的仿真原理与结构 p u l s eg e n e r a t o r 模块位于s i g n a la n da l p h a 模块之后，并作为p u l s ec o n v e r t e r 模 块的输入模块。p u l s eg e n e r a t o r 模块的输入为由s i g n a la n da l p h a 模块得到的晶闸管 触发角口4 、a 6 和a l o ，输出为初始触发信号9 3 、9 4 、9 5 、9 6 、9 9 和9 1 0 。p u l s eg e n e r a t o r 模块的外观和内部结构如图2 7 和图2 8 。 图2 7p u l s eg e n e r a t o r 模块的外观图 图2 8p u l s eg e n e r a t o r 模块的内部结构图 p u l s eg e n e f a t o r 模块中用到p s c a d e m t d c 模型库中的v c o ( v r o l t a g ec o n t r o l l e d o s c i l l a t o r ) 元件。该元件的功能是产生一系列周期变化的斜线，斜线的周期正比于输 入v c 的大小。每条斜线在一个周期内从0 上升到幼，一旦达到劢立刻减小为0 ， 然后再从0 开始上升。 p u l s eg e n e r a t o r 模块中还用到p s c a d e m t d c 模型库中的i n t e f p o l a t e df i r i n g p u l s e s 元件。该元件的功能是为晶闸管、i g b t 和g t o 等电力电子器件提供触发信号。 该元件有两个输入端，分别是h 输入端和l 输入端，h 输入端一般与v c o 连接，l 输入端为晶闸管触发角口。i n t e r p o l a t e df i r i n gp u l s e s 元件的工作原理是，比较h 输入 端与l 输入端的大小，当h 输入端大于l 输入端时产生触发脉冲信号。输出的触发 脉冲信号是一个二维数组，该数组第一维的元素为0 或1 ，代表了实际的门极触发脉 1 3 华北电力大学硕士学位论文 冲，第二维的元素是与触发开关时间相关的数据。 下面以晶闸管组v 9 和v 1 0 的初始触发信号9 9 和9 1 0 的产生过程为例，说明p u l s e g e n e f a t o r 模块的功能。图2 - 1 2 为晶闸管v 9 的触发角口9 、晶闸管v 1 0 的触发角a l o 、 v c o 元件的波形， q 。o ， 。 ， - i 9 ， ， ， ， | ， a i p h a j o ， 图2 9 晶闸管触发角乜9 和q o 、v c o 、初始触发信号9 9 和9 1 0 的波形图 根据s p w m 控制的基本原理【1 4 1 ，可得出如图2 9 所示波形。当a l p h a1 0 = 4 5 。时， 与v c o 产生的三角波交点时刻控制晶闸管的导通，这时对9 1 0 产生脉冲信号，同理，当 a l p h a 一9 = 2 2 5 。时，晶闸管9 9 导通。因此，可通过改变a l p h a 角度对机车进行控制。 2 2 4 牵引变压器仿真 为了研究单相工频交流牵引负荷对电力系统的影响，需建立各种不同结线型式的 牵引变压器仿真模型。从负序的合成方式来看，牵引变压器接线形式可以归纳为3 类【2 3 1 ，单相接线、三相接线( v v 、y n d l l ) 和三相二相平衡接线( s c o t t 、阻抗 匹配平衡等) 。其中v v 接线和阻抗匹配平衡牵引变压器在p s c a d e m t d c 中应用 了自定义模块，下面分别对他们介绍。 2 2 4 1v v 接线牵引变压器的工作原理与仿真 当电气化铁路变电所的牵引变压器采用v v 接线方式时，一次侧接1 1 0 k v 三相 电压，二次侧c 相端子接轨道，a 相、b 相端子接左、右牵引接触网【1 3 】，如图2 1 0 所 示。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 a b c i a _ i8 i f 图2 1 0v v 牵引变压器原理接线图 假定二次侧相阻抗z 口= z 矗= z ：。为简化起见，我们假定变压器阻抗等于零，且 令k 一( 、为原、副边绕组每相匝数) ，在忽略空载电流，0 时，变压器各 芯柱磁势平衡，则有下列等式成立【2 1 ： 根据磁动势平衡原理可知： 从而得到： u 爿c = k 玑，u 凹= k u 占 ( 2 - 1 2 ) t 2 芝鼍 = 乏鼍 由原边节点电流方程得到原边线电流为： i 托一专i ， i b c b = 专i 。 ici i c b i 托= 铷。一i0 1 5 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 0 o = 暑 暖 l + + 暇暇 k 乞 ，j、l l 1 一k 1 一k 一 一 = 暑 乞 堕啊堕咝 一 一 叠 掌 c 口 彳 c ， ， ，iii-i-f-_l 华北电力大学硕士学位论文 令厶= t e m 0 。，上式转化为： 爿 l8 jc 1 必 一1o 01 11 厶1 丘 川2 i 得到此时的原边线电流为： 一10 o1 11 la i b t = 插脚。 。兰 k ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 可见，v v 接线变压器副边两相同时运行时，在额定负载下，原边三相线电流是 不对称的，原边三相线电流幅值变化偏差的相对值为： ；掣：4 2 3 ( 2 2 0 ) 3 依据v v 接线牵引变压器的原理和结构建立v v 接线牵引变压器的 p s c a d e m t d c 仿真模型。图2 1 1 中，两个二绕组变压器的一次侧额定电压均为 1 1 0 k v ，二次侧额定电压均2 5 k v 。 图2 1 1v 牵引变压器仿真模型图 1 6 笪2 污了1 撕气笪2 一 + 吖 1 2 3 2 历了 1 1 2 一 宝 坩 n n p p 生k，l一 = = 华北电力大学硕士学位论文 ：i 赆要一 图2 1 2v 接线牵引变压器一次侧电流有效值波形 1 ) 如图2 1 2 ，测得v v 接线牵引变压器一次侧电流的有效值，。、，。和t 分别 为5 7 7 3 a 、9 6 1 4 a 和5 7 5 5 a ，满足，r 一3 ，。= 3 ，c ，所以符合式( 2 2 0 ) 的条 件，即原边三相电流幅值变化偏差的相对值为( 3 1 ) 3 = 4 2 3 。 2 ) 将v v 接线牵引变压器一次侧三相电流、屯相加，得到+ + t 0 ， 从而说明v v 接线牵引变压器的一次侧三相电流是不对称的。 测试结果1 ) 和2 ) 均符合v v 接线牵引变压器的运行特点和要求，从而验证了 所建立的v v 接线牵引变压器p s c a d e m t d c 仿真模型的正确性。 2 2 4 2 阻抗匹配平衡牵引变压器的结构与仿真 阻抗匹配平衡牵引变压器是由湖南大学和云南变压器厂开发的，实际上也是一种 改进伍德桥变压器【”】。这种牵引变电所中装设两台阻抗匹配平衡牵引变压器，可以 两台并联运行；也可以一台运行，另一台固定备用。这种牵引变压器原边情况与普通 三相y n d l l 结线变压器的原边情况完全相同，铁芯也是三相芯式的。其主要特点是 通过副边绕组三角形接线的结构和阻抗的改变，实现将三相对称电压变换成二相对称 电压。 副边绕组三焦形接线结构的改变如图2 1 3 所示，即在非接地相增设两个外移绕 组。内三角形接线的一角c 与轨道、接地网连接。口、卢两端分别接到牵引侧两相母 线上。由两相牵引母线分别向两侧对应的供电臂牵引网供电。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 c 图2 1 3 阻抗匹配平衡变压器绕组接线图 阻抗匹配平衡变压器属于能完成三相一两相变换的平衡变压器。不论何种接线形 式的平衡变压器都应满足以下要求：在一次侧施加三相对称电压时，只要二次侧两相 端口的负荷相同( 幅值和功率因数均相等) ，则二次侧两相端口电压保持幅值相等、 相位相差9 0 0 ，一次侧三相电流对称。为使平衡变压器满足这一要求，提出2