（电力电子与电力传动专业论文）电气化铁道滤波研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 # 自= 自；自；目i 目目_ l l _ _ _ _ 自t _ - = = = = 目= ；l _ l = 自 a b s t r a c t s o m ee l e c t r i ce l e m e n t ss u c ha s i n v e r t e r sa n dc o n v e n e r s p r o d u c e h a r m o n i c s h a r m o n i c sr e s u l t i n gf r o me l e c t r i cl o c o m o t i v eh a v ea t t r a c t e da t t e n t i o no ft h e p e o p l ea l l a r o u n dt h ew o r l d ，t h es c h o l a r se n g a g e di ne l e c t r i ct e c h n o l o g ya r es e a r c h i n ga n d s t u d y i l l g t h ee f f e c t i v eh a r m o n i ce l i m i n a t i o nm e a s u r e si ns e v e r a ld e c a d e s t h ew o r k p r i n c i p l eo f m a i nc i r c u i tf o re l e c t r i cl o c o m o t i v et y p e ds s 4i si n t r o d u c e d a c c o r d i n g t ot h el o c o m o t i v e sr u n n i n gp a t t e r n sa n dt h ec h a n g e o v e rp r o c e d u r eo fr e c t i f i e r c i r c u i t ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fi t sm a i nc i r c u i t si sn o r m a t i v e l ye s t a b l i s h e d h e n c e a c o m p l e t ea n de x a c tr e p r e s e n t a t i o no f t h el o c o m o t i v e sc u r r e n td e d u c e d ，a n dt h eh a r m o n i c a n a l y s i sf o r d i f f e r e n tr u n n i n g p a t t e r n si sc a r r i e do u tb yu s i n gf f t b a s e do nt h ea n a l y s i so f t h e p r i n c i p l eo f t h es e r i e sa c t i v ep o w e r f i l t e rf o u n d a t i o no nt h e f u n d a m e n t a lm a g n e t i cf l u xc o m p e n s a t i o n ，t h ef i l t e rs y s t e mf o re l e c t r i c a lr a i l w a yi sd e s i g n e d o nt h eb a s i so fd i s c u s s i o na b o u tt h em a g n i f i e dh a r m o n i cc u r r e n t sc a u s e db yt h ef i l t e r , s o m e p o i n to fv i e w sa b o u tc o o r d i n a t i n g a n dc h o o s i n gp a r a m e t e r so ff i l t e ra r e p u tf o r w a r d ， e s p e c i a l l yo nt h ec a p a c i t yd i s t r i b u t i o no f t h ec a p a c i t o r sa n dr e a c t o r s ，t h ep e r c e n t a g eo ft h e f i l t r a t e dh a r m o n i cc u r r e n t sa n dg r o u p i n g i na d d i t i o n ，t h e r em u s tb es o m ec o n t r o ls t r a t e g i e s t a k e nt oa t t a i na c o m p r e h e n s i v eo p t i m i z a t i o n ，t h ec o n t r o lr e s t r a i n t su n d e rm e n t i o n e d c o u l d b et a k e n t h r e em e t h o d sa r ep r o p o s e di no r d e rt od e s i g nas e r i e sf i l t e rw i t hl a r g ec a p a c i t y , w h i c ha r eat r a n s f o r m e rs t r u c t u r ew i t l l m u l t i p l ec o m p e n s a t i o nw i n d i n g s s a t u r a b l e t r a n s f o r m e r , n o n l i n e a re l e m e n tz n op a r a l l e l e d 、i t l ls e c o n d a r yw i n d i n g s r e s p e c t i v e l y t h em o d e lo f f i l t e rs y s t e mc o n s i s t i n go f a l t e r i n gv o l t a g ec i r c u i tm o d e l ，r e c t i l y i n gm o d e l ， p a s s i v e f i l t e rm o d e l i n v e r t e rm o d e la n dc o n t r o l l e dc i r c u i tm o d e li na c t i v ef i l t e ri s e s t a b l i s h e d t h ep r o j e c td i s p o s a lo fd a t au s i n gf f ti sp r o g r a m m e d t 1 l er e s u l tp r o v e st h e a b o v e k e y w o r d s ：a c t i v ef i l t e r , e l e c t r i cl o c o m o t i v e ，h a r m o n i ca n a l y z e ，l a r g ec a p a c i t y , m a t l a b s i m u l i n k 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 1 1 电力系统谐波及其危害 在理想电力系统中，电能是以恒定频率和幅值的三相平衡正序正弦电压向用户供 电，但在实际运行中的电力系统，由于负荷是随机变化的，三相电压的幅值、频率、相位 差不能保持恒定不变；特别是近几年来，随着电气化铁路、冶金工业、化学工业的发展 以及家用电器的普及，电力系统中的非线性负荷( 硅整流设备，电力机车，电解设备) 、冲 击性负荷( 电弧炉，轧钢机) 日益增加，使电网的非线性( 谐波) 、非对称性( 负序) 和波动性 日趋严重，电压、电流波形不再是单一的正弦波，包含有高次谐波，对电力系统将会产生 十分严重的影响，威胁到供用电设备的安全、经济运行。但在实际中供电电压的波形会 因某些原因而偏离正弦波形，即产生谐波。目前所称供电系统谐波是指一些频率为基波 频率( 我国取工业用电频率5 0 h z 为基波频率) 整数倍的正弦波分量，又称为高次谐波叽 供电系统中，谐波是电力质量的重要指标之一。 1 1 1 谐波的危害 谐波将对电力系统产生恶劣的影响。 ( 1 ) 增加发、输、供和用电设备的附加损耗。由于电流频率为基波的整数倍，高频 电流的集肤效应增加了对谐波电流的有效电阻，使设备功耗、能耗增加，导体发热严重。 ( 2 ) 影响继电保护和自动装置的工作和可靠性。谐波严重影响电力系统中以负序 ( 基波) 量为基础的继电保护和自动装置，因为按负序( 基波) 量整定的保护装置，整定值 小、灵敏度高。如果在负序基础上再叠加谐波干扰( 电气化铁道、电弧炉等谐波源本身 即负序源) 则可能引起发电机负序电流保护误动跳闸，产生严重后果。其它如变电站主 变复合电压启动过电流保护装置负序电压元件误动、母线差动保护的负序电压闭锁元 件误动以及线路各种型号的距离保护、高频保护、故障录波器、自动准同期装置等发 生误动。都会严重威胁电力系统的安全运行。 ( 3 ) 影响测量和计量仪器的准确性。电力计量装置按5 0 h z 的标准的正弦波设计， 供电电压或负荷电流中的谐波成分会影响感应式电能表的正常工作。 f 4 ) 干扰通信系统的工作。电力线路上流过的3 、5 、7 、1 1 等幅值较大的奇次低频 华中科技大学硕士学位论文 谐波电流通过磁场耦合，在邻近的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系统的工作，影响 通信线路通话的清晰度，而且在谐波和基波的共同作用下，触发电话铃响，甚至在极端情 况下威胁通信设备和人员的安全。高压直流换流站换相过程中产生的电磁噪声r 3 l o k l - i z ) 会干扰电力载波通信的正常工作，并使利用载波工作的闭锁和继电保护装置动 作失误，影响电网运行的安全。 ( 5 ) 影响用电设备的正常工作。谐波会使电视机、计算机的图形畸变，画面亮度发 生波动变化，并使机内的元件过热，计算机及数据处理系统出现错误【2 】- 【”。 1 2 谐波抑制技术 抑制电力系统的谐波主要有两种途径。种是主动型，即从装置本身出发，设计 变流器时尽量不产生谐波，也就是所谓的绿色电力电子装置；另一种为被动型，即在 交流输入网侧安装滤波装置，滤掉谐波源产生的电力谐波。 1 2 1 主动塑谐波抑制技术 主动型谐波抑制技术主要是从交流装置本身出发，通过设计换流装置的结构和增 加辅助控制策略来减少和消除换流装置产生的谐波，目前采用的技术主要有如下几个 方面： ( 1 ) 多脉整流及准多脉整流变流器。大功率电力电子装置常将原来6 脉波的变流器设 计成1 2 脉波或2 4 脉波变流器以减少交流侧的谐波电流含量，从理论上说，脉波 数越多，对谐波的抑制效果越好，但是脉波数越多整流变压器的结构也就越复杂、 体积越大，变流器的控制和保护也变得困难、成本增加。 ( 2 ) 利用脉宽调整技术消除谐波。脉宽调整技术的基本思想是控制p w m 输出波形的 各个转换时刻，保证四分之一波形的对称性，根据输出波形的傅立叶级数展开式， 使需要消除的谐波幅值为零、基波幅值为给定量，达到消除指定谐波和控制基波 幅值的目的。目前采用的p w m 技术有最优脉宽控制、改进正弦脉宽调制、三角 波调制、跟踪型p w m 和自适应p w m 控制等。 ( 3 ) 多电平变流技术。针对各种电力电子变流器( 对于电压型的变流器必须用联接电 感和交流电源相连) ，采用移相多重法、顺序控制和非对称控制多重化等方法，将 方波电流或电压叠加，使得变流器在网侧产生的电流或电压是接近正弦的阶梯波， 华中科技大学硕士学位论文 且与电源电压保持一定的相位关系。 ( 4 ) 在电力电子装置中加入高功率因素预调整器，在预调整器的直流侧通过d c d c 变 换电路控制入端电流，保证电力电子装置从电网中获取的电流为正弦电流并且电 网电压同相位。这种方法控制简单，可同时消除高次谐波和补偿无功电流，使电 力电子装置输入端的功率因数接近1 t ”。 1 2 2 无源滤波器 被动型的抑制谐波的传统方案就是采用l c 调谐滤波器。无源滤波器是采用电感 l 、电容c 等无源元件来构成的滤波器，运行中它和谐波源并联，其滤波原理是对些谐 波频率形成低阻抗通路，使相应的谐波电流经无源滤波器短路而避免进入输电系统，无 源滤波器除了滤除谐波以外还在基波电压的作用下向谐波负载提供基波无功功率，同 时兼顾谐波源无功补偿的要求9 】。 l 几种常用的无源滤波器 工程上实用的无源滤波器装置一般由一组或几组单调谐滤波器组成，每组单调谐 滤波器调谐于需要滤除的谐波频率上或谐波频率附近，当需要根除更高频率的谐波电 流而幅值又较小时可以加上一组高通滤波器。 单调谐滤波器为滤波电容器与空芯滤波电抗器直接串联的一阶节能形式，根据 r ，l ，c 串联谐振原理构成( 图l 一1 ( a ) ) ，接线形式上可以将电抗器接到电线和电容 器之间；电容器也可以接到母线和电抗器之间；电容器( 或电容器一电抗器组) 既可 以采用星形接法也可以采用三角形接法等。 双调谐滤波器( 图1 一l ( b ) ) 接线形式有点类似个串联单调谐滤波器和一个并 联单调谐滤波器相串联。双调谐滤波器具有两个谐振频率，能同时吸收两种频率的谐 波电流。经过等效变换，一个双调谐滤波器相当于两个并联的单调谐滤波器。与两个 单调谐滤波器相比，减少了回路。基波损耗较小，只有一个电抗器承受全部冲击电压， 双调谐滤波器结构较为复杂，调谐相对较为困难，但在高压大容量装景中采用具有一 定的技术经济优越性。 高通滤波器在高于某个频率之后很宽的频带范围内呈低阻抗特性，用以吸收若干 较高次的谐波。高通滤波器有一阶减幅型( 1 一l ( c ) ) 、二阶减幅型( 1 一l ( d ) ) 、三 阶减幅型( 1 1 ( e ) ) 和c 型( 1 1 ( f ) ) 。一阶减幅型由于基波功率损耗太大，一 般不采用：二阶减幅型的基波损耗较小，但特性不如阶减幅型的，用的也不太多。 华中科技大学硕士学位论文 c 型滤波器是一种新型的高通形式。当r 值增大时，c 型滤波器越来越接近于单调谐 滤波器，当r 值减小时则趋近于高通滤波器。由于滤波器的c d 与l 对基波串联调谐， 故电阻中基波损耗很小，而且c 型滤波器对温度、频率偏差及元件参数偏差变化不敏 感，基本不需要现场调谐，缺点是c 型滤波器一般只适用于滤除较低次数的谐波，高 次谐波的场合并不能完全代替高通滤波器。 tt ( a ) 单调谐滤波器 毋 1 享 ( d ) 二阶减幅型滤波器 ( b )( c ) 一阶减幅型滤波器 ( e ) - - 阶减幅型滤波器( f ) c 型滤波器 图l 一1 无源滤波器的接线方式 无源滤波器的优缺点： ( 1 ) 结构简单，运行维护经验成熟，一次性投资和运行维护费用低廉； ( 2 ) 谐振频率依赖于元件参数，因此只能对主要谐波进行滤波，l c 参数的漂 移将导致滤波特性改变使滤波性能不稳定； ( 3 )电网的参数与l c 可能产生并联谐振使该次谐波分量放大，使电网供电质 量下降： ( 4 ) 电网中的某次谐波可能在l c 支路产生很大的谐波电流l l ”a 1 2 - 3 有源滤波器 电力有源滤波器近几年迅速发展起来的一种抑制谐波的方案，它是采用电力电子 4 苫犁一百一一工斗一 华中科技大学硕士学位论文 有源逆变的方法来抑制谐波的，目前研究最多的主要有两种，一种是并联型有源滤波 器，其目的是给谐波电流提供一个在谐波频率处等效导纳为无穷大的并联网络，以使 谐波电流流过该并联网络而不进入系统；另一种串联型有源滤波器方案。其目的是给 谐波电压提供一个在谐波频率处等效阻抗为无穷大的串联网络，以阻止谐波电压进入 系统。 i 并联型有源滤波器 1 9 7 6 年，g y u g y il 等人提出了用大功率晶体管p w m 变换器构成有源滤波器， 其基本原理是：实时检测负载电流或电压中的谐波分量，产生一个与其幅值相同、相 位相反的谐波电流或谐波电压，并将其注入系统，使线路中的谐波相互抵消，达到滤 波的目的。实际上此有源滤波器相当于一个谐波电流发生器，其原理电路图和结构图 如图1 2 所示。根据此原理，早在1 9 8 2 年，日本就设计出一种容量为8 0 0 k v a 的并联 型有源滤波器并投入实际运行，其主电路是由g t o 晶闸管构成的p w m 变流器。1 9 8 3 年，日本学者率先提出瞬时无功功率理论，并研究了基于该理论的谐波电流检测方法。 瞬时无功功率理论也发展成一门很完整的理论。并联有源滤波器通过不同的控制，可 以对谐波、无功、不平衡分量等进行补偿，功能很多，联结也方便。 馏一幽r 图l 一2 并联有源滤波器电路原理图及结构图 由于电源电压直接加在有源滤波器的逆变桥上，所以有源滤波器对开关器件电压 等级要求高；负载谐波电流含量高时，并联有源滤波器的容量也必须很大，因为兼具 大的补偿容量和宽的补偿频带比较困难，所以它只适合于电感型负荷的谐波补偿；另 外，开关引起的谐波电流将影响电路中的p f 或电容器的滤波特性，若利用l c 网络 吸收这部分高次谐波，由于l c 网络受电网参数的影响，p w m 逆变器输出的谐波频 带又很宽，所以l c 网络难以设计。而且根据瞬时无功功率理论检测谐波要经过低通 或高通滤波器，大大影响了其实时性，因此效果并不是那么好。即使检测的谐波比较 接近实际值。跟踪此谐波电流也很难，所有这些限制了此种有源滤波器的发展”那”a 5 华中科技大学硕士学位论文 2 串联型有源滤波器 图1 3 串联型滤波器的电路原理图及结构图 并联型有源滤波器的应用在目前还有一些实际问题， 1 9 8 8 年f z p e n g 等人提出 了串联a p f 加并联p f 的结构，它是一种串联型有源滤波器，其电路原理图及结构图 如图l 一3 ，该文作者认为此滤波器是在原无源滤波器的基础上，在无源滤波器与电网 之间再串联一个有源滤波器，无源滤波器仍起主要的滤波和无功补偿作用。串联的有 源滤波器相当于电流控制的谐波电压源，由p w m 控制产生与串入系统的谐波电流l 成k 倍比例的谐波电压吃。这样有源滤波器对系统谐波电流而言相当于阻值为k 的 电阻，而对基波阻抗为零。因此，它不影响基波电流和基波电压，而增加系统侧对谐 波的阻抗，迫使负载中的谐波电流流过l c 谐振滤波器，从而改善无源滤波器的滤波 效果，并可以阻尼可能在系统阻抗和l c 回路之间发生的并联谐振，抑制因电网中可 能存在的谐波电压而产生的流向无源滤波器的谐波电流i l5 j i l 。目前国内外的串联型滤 波器基本上都是在此电路原理的基础上发展进来的。 但是上述串联型有源滤波器对基波的等效电阻为零却没有给予很详细的说明。由 于在变压器的副方没有注入基波，其等效阻抗根本不为零，而是励磁阻抗。因此串联 的有源滤波器相当于电流控制的谐波电压源存在原理上的错误，从而使串联型有源滤 波器方案陷入了误区( 将重点放在谐波检测和控制方案的研究上) 。目前国内外的基 于此串联型滤波器理论发展起来的一系列的滤波器都存在相同的原理性错误。 1 9 9 8 年，陈乔夫教授提出了一种基于基波磁通补偿的串联型有源电力滤波器方 案。其基本思路是：将变压器的原方串联接在电网与谐波源之间，通过检测变压器的 原方基波电流，跟踪产生基波补偿电流，在满足补偿条件下，将串联变压器铁心中基 波主磁通补偿为零，从而实现在电网侧变压器对谐波呈励磁阻抗，而对基波来讲阻抗 接近于零，真正起到谐波隔离的作用。它只需要检测基波，对基波低阻抗，因此更易 华中科技大学硕士学位论文 检测，且基波压降低【1 7 】【1 8 】。 1 3 课题来源和本文主要研究内容 改革开放以来我国电气化铁路获得迅速发展。目前全国电铁通车里程已逾万里， 遍及1 8 个省( 自治区、直辖市) 电网。电气化铁道通常是所连接的供电网中较大的谐波 源。电气化铁道牵引负荷较之于其它工业负荷，确有其特殊性，表现在：流动性、广 泛性、危害多样性等特点。它产生的谐波对电力系统环境造成了污染，影响到整个电力 系统的电气环境，包括电力系统本身和广大用户，而且其污染影响的范围大、距离远，产 生故障频繁且后果严重，严重威胁到电网的安全、稳定、经济运行。据不完全统计， 自电铁投运3 0 多年来，其谐波和负序已引发多次2 0 0 m w 发电机跳闸，山西、河南和贵 州等省电网大面积停电或系统解列，电网产生局部谐振，网损明显加大，发电机转子损坏， 继电保护和自动装置非正常频繁启动，用户电动机和电容器大量烧坏或不能正常运行， 小火电厂不能就近并网等一系列危害，使国民经济蒙受了巨大的损失。随着电铁运量增 加和向东部发达地区扩展，如电铁谐波仍不能得到及时治理，其产生的危害将会更加严 重。因此，对电气化铁道产生的谐波分析及其治理研究已成为刻不容缓的任务1 9 】【2 0 】【2 ”。 近年来，云南电气化铁道产生的谐波严重超过国标，对云南省电力系统产生了不可 忽视的恶劣影响。为提高云南电网质量，云南省科委就此项目在2 0 0 2 年面向全国招 标，本教研室有幸中标。本课题就是在这一背景下进行研究的。在深入分析云南铁道电 气化负荷特性的基础上，本文建立了牵引供电系统模型、电力机车模型、详细分析了 电力机车多段相控整流过程，并利用傅立叶算法进行了谐波分析。基于基波磁通补偿 串联型有源滤波器的原理，设计了铁道电气化谐波抑制方案，对无源滤波器参数进行 了优化，探讨了大容量的串联型有源电力滤波器的解决方案和故障时功率器件的保 护，进行了先期实验并对铁道电气化谐波抑制方案运用仿真工具软件m a t l a b s i m u l i n k 进行了系统仿真，实验与仿真结果表明此方案对电气化铁道谐波抑制有很好的效果。 7 华中科技大学硕士学位论文 2 电力机车谐波分析 2 1电力系统谐波傅立叶分析 2 1 1 傅立叶分析 在电力系统中，通常希望交流电压和交流电流呈正弦波，但当正弦电压施加在非 线形电路上时，电流就变为非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会使电压 波形也变为非正弦波，非正弦电压、电流波形一般都是周期性的，下面对此电压、电 流进行分析。 设电力系统中电流、电压信号可用一个周期函数来表示，即 f ( t ) = f ( t + k t )( 2 一1 ) 式中丁为周期函数的周期，且k = 0 ，1 ，2 ，3 ，。 若，表示交流系统的工频周期，则f = 1 丁代表的是交流系统的工频频率， 山= 2 n f = 2 t r t 为其相应的角频率。假设函数f ( c o t ) 代表以r 为周期的电压或电流的 连续时间函数，当它满足狄里赫利条件时( 指给定的周期函数在有限的区间内，只有 有限个第一类断点和有限个极大值和极小值) ，可以用级数表示为： 或 其中 f ( e o t ) = 凡+ c o s n a x + b s i n n t o t ) ( 2 _ ) h = l ，( 耐) = + gs i n 0 耐+ ) ( 2 3 ) n = l 4 = 去f 厂陋p ) 4 = 去f 厂劬) c 。s n c o t d ( t o t ) b = ：a 。f 。，协) s i n ”c o t d ( c o t ) 疗= 1 , 2 3 华中科技大学硕士学位论文 比较式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) ，可以得出系数以、玩、q 和相位之间的关系 c ，= 再? 甄j 妒。= n r c t g l 4 ，| b 4 = gs i n p 巨= c n c o s n = 1 , 2 3 ( 2 5 ) 以上的无穷三角级数称为傅立叶级数( 傅氏级数) ，式( 2 2 ) 中第一项凡称为周期 函数f ( c o t ) 的恒定分量( 或直流分量) ；第二项c is i n ( a g + 仇) 称为基波分量，其频率为 1 t ( 1 t 也称为基波频率) ，其他各项统称为高次谐波( 其频率为基波频率的整数倍) 。 式( 2 4 ) 的被积函数中，厂( 耐) 、c o s n ( o t 和s i n ”耐都是以r 为周期的连续时间函 数，因此，为了简化计算，式中的积分上限或下限可以根据需要任意给定，只要保持 上、下限之间的差值为2 万即可i ”。 2 1 2 采样序列的谐波分析 在实际使用中，用示波器记录波形的数据不是连续的，而是按一定频率来采样的， 下面推导了这种情况下的谐波分析： 对于采样所得到的离散时间序列敞 ，它的谐波系数可由( 2 4 ) 类比计算得到。 此时若离散时间点为产。专( 采样时间间隔出2 专) ，在此离散时间点厂( f ) 的采样值为 f k ，贝, l j n e a t = 疗等x 七专= 吾砌a 根据离散时间序列 的数据，可以由式( 2 一) 导出计算第”次谐波的系数和屯的公式： = 冶2n - i 细s 等砌斋= 丙2 缈n - i c o s 斋砌 吒= 手舡咖等翩专= 号鼢s i n 等砌 其中 = 0 ，1 ，2 ，n 一1 其中第n 次谐波的幅值c 。为： c 。= 踊 ( 2 7 ) 9 华中科技大学硕士学位论文 n 次谐波电压含有率以h r u n ( h a r m o n i c r a t i ou n ) 表不 h r u = 鲁1 0 。 ( 2 _ 8 ) 式中：u ，一第n 次谐波电压有效值( 均方根值) ： u ，基波电压有效值。 1 1 次谐波电流含有率以h r i 。( h a r m o n i cr a t i oi 。) 表示 h r l 。= 争1 0 0 ( 2 - - 9 ) i i ，一第n 次谐波电流有效值； i i 基波电流有效值。 谐波电压含量u h 和谐波电流含量i h 分别定义为： 一 u 。= 嵋 ( 2 _ 1o ) n - 2 r - 护j 薹7 ： 阻1 1 电压谐波总畸变率t h d 。( t o t a lh a n n o m cd i s t o r t i o n ) 和电流谐波总畸变率t h d i 分别 定义为： t h d 。= 鲁川o 阻m t h d , , = 鲁枷。 2 2电力牵引机车负荷电流谐波分析 电气铁道电力机车牵引负荷为波动性很大的大功率单相整流负荷，具有非线性 在电力系统中产生高次谐波。 2 2 1电力牵引机车的供电形式 电气化铁道的供电是在铁路沿线建立若干个牵引变电站，由电力系统1 1 0 k v 双电 源供电，常用的接入方式有“t ”接和“桥”接两种。牵引变电所中设置两台互为备 用的牵引变压器，经牵引变压器降压为2 7 5 k v 后，通过接触网向机车供电，电力机 1 0 华中科技大学顽士学位论文 自= ；= e j = = = i _ = = ；= = z 目i = = 目= l = = ；_ l = = = = ；i _ = j l i # ： 车采用2 5 k v 单相工频交流电压供电，在架空接触导线和铁轨之间行驶，如图2 - - 1 所 示。 图2 l 电气铁道牵引供电系统简图 电力机车牵引负荷为不对称负荷。为减小其不对称性，各牵引变电站高压侧接入 系统时要进行换相，使机车负荷能比较均匀地分配在供电系统各相上f j 】。 2 2 2 电力机车技术特点 鉴于多段半控桥式整流电路已成为当前国内外相控电力机车主电路的一种主要形 式，s s 4 型电力机车采用多段半控桥式整流、无极平滑调速。已成为我国电气化铁道 的主型机车。韶山4 ( s s 4 ) 型电力机车是由各自独立且又互相联系的两节车组成，每节 车均为一个完整的系统。主电路采用四段经济半控桥，相控调压。它具有恒压或恒流 控制的牵引特性和恒速或恒励磁控制的电阻制动特性，空气制动采用d k l 型电空制 动机。 每节车有两个两轴转向架。牵引电动机采用抱轴悬挂式。垂直力传递系统由两系 悬挂装置组成，其中第二系采用了橡胶金属叠层弹簧，有较好的波动性能。牵引力传 递系统则采用斜拉低位牵引杆，有较高的粘着性能。车体广泛使用高强度低合金结构 钢m 1 2 ”。 该机车牵引及制动功率大、功率因数较s $ 3 型电力机车高、运行灵活、起动平稳、 加速快、工作可靠、司机室工作条件良好、污染少、维修简便。表2 - l 为其技术参数1 。 华中科技大学硕士学位论文 表2 一ls s 4 型机车主要技术参数 用途：干线货运 轴式：2 ( b o - - b o ) 网压：2 5 k v 。5 0 h z 额定功率：6 4 0 0 k w 最高速度：1 0 0 k m h 持续速度：5 1 5 k m h 持续牵引力：4 3 6 5 k n 最大牵引力：6 2 7 8 k n 悬挂方式：半悬挂 制动方式：空电联合制动 电制动功率：5 5 7 0 k w 车钩中心距：2 x1 6 4 1 6 m m 轴荷重：2 3 t 机车总重：1 9 4 t 传动方式：交直传动 2 2 3s s 4 型电力机车主电路及工作原理 s s 4 型为八轴电力机车，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。图3 2 为一节机车的电气原理结构简图。 其中，主变压器有四个牵引绕组，每两个组成一组( 图中只画出一组) ，每组分别给两 台牵引电机供电( 图中简化成一台) 。牵引绕组ai x l 为中抽式，绕组al bl 和bi x l 的空 载额定电压均为3 3 5 v ，绕组a2 x 2 的空载额定电压为6 7 0 v 。机车整流器由两个整流桥 串接而成，上部为六臂桥，由晶闸管t 1 t 4 及二极管d l 、i ) 2 组成；下部是普通四臂桥， 由t5 、t 6 及d 3 、d 4 组成。通过对t 1 t 6 顺序移相与开关控制相结合的排列组 合控制方式，可达到等分四段整流桥的效果。假设电机额定电压为ud e ，四段整流桥的调 节过程分别为：( i ) t3 t 6 闭锁，调节t 1 、t 2 触发角顺序移相，绕组a1 b1 投入工作， 电机端电压在( 0 o 2 5 ) u 。范围变化。( i 】) t 5 、t 6 闭锁，t 1 、t 2 维持满开，调节t 3 、 t 4 触发角顺序移相，绕组bl x l 投入工作，电机端电压在( 0 2 5 o 5 ) ua 。范围变化。( i ) t3 、t 4 闭锁，t5 、t 6 突然满开，绕组82 x 2 投入工作，再调节t 1 、t 2 触发角从头移 华中科技大学硕士学位论文 相，电机端电压在( o 5 0 7 5 ) u 一。范围变化。( ) t 1 、t 2 及t 5 、t 6 维持满开。调节t 3 、t 4 触发角顺序移相，电机端电压在( o 7 5 1 ) ua 。范围变化。由上分析，街g ( i i ) n n 第( i i i ) 段过渡过程中，产生了开关式跳跃，而其它调节过程均可做到平滑无级调压。 x 图2 2s s 4 型电力机车主电路原理结构简图 ls s 4 型电力机车主电路的数学模型 当整流桥工作在不同段时，可用不同的简化电路图来分析。本文主要研究s s 4 型 电力机车在正常牵引时的运行状态，即工作在上述第1 v 段。本文仅以第( ) 段进行分 析。假设绕组al bl 和bi x i 的电阻值及电感值均为r l 和l l ，绕组a2 x 2 电阻和电感值 分别为r2 和l2 ( 均折合到副边) ，平波电抗器电阻和电感值分别为r ，和l 。，电抗器与 牵引电机的总电阻及电感值分别为r 。和la ，副边绕组al b1 电压为u s i n w t ，整流变压 器变比为k = u 。u 。) x 】，电动机反电势为e 1 2 2 l 。由于电路对称性，可只分析半个周期的 情况。设初始状态t 3 、d 4 、t 5 、d 2 导通，u 。 0 ，i l 、i 2 和i 3 均为负值( 相对于图中 正方向) ，且等于i 。考虑到变压器绕组阻抗的影响，电压u 。与u x 不会同时过零点。 设mt ；b 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。 ( 1 ) 一b ( ) t y 1 由于变压器绕组电感续流作用，t 3 、d 4 、t5 、d 2 仍导通；同时，t 2 、d 1 、t 6 、d3 亦导通，c 、d 、e 、f 、g5 点短路。在此区间中，i l ( j = i 2 ( j ，t 1 上无电流通过。 假设i 3 比i l 、i 2 衰减慢，当ut = y 1 时，i l 和i 2 同时衰减到零，t 3 截止。据此可列出方程 警 华中科技大学硕士学位论文 i m r l “学一w ， f k 等捌s i n w ，( 2 - - 1 3 ) i d o ) r d “笪d t 川 其解为 寸峙f 2 i ”= 兰s i n ( c o t - g h ) + g e - 扣，) f ，一厶u - - u - - s i n ( a g - g 2 ) + c 3 e - 扣们 ( 2 一1 4 ) 忙c ：e 一等( 州) 一旦r d 其中，z l = 厢州呱1 ( 譬) ， z 2 = 厨i 哥呵1 ( 譬) ， c 。，c ：，c 3 为待定积分常数。 边界条件为 i。1(y1)=0(2-15) i l ”( 一) = 一i 。( 一) 2 i ，”( 一) ( 2 - - 1 6 ) ( 2 ) y 1 ( 1 ) t y 2 由于t 4 未触发，i 2 ”= 0 ，i 变为正值，并逐渐上升，t1 上有电流通过。当ut = y2 时，i ，与f 。相等，t 1 、d 2 截止。此区间内，岛与变化规律均与区间( 1 ) 相同。 即 i l ”= i l ”；i 3 ”= i 3 ”；i d ”= i d 1 ( 2 - 一1 7 ) 边界条件为： f ( 2 ( y1 ) = i d 2 ( yi ) ( 2 1 8 ) 1 4 华中科技大学硕士学位论文 【j ) y2 毛6 0t y 3 t 4 仍未触发，因此，i ，”= 0 ，i ，的变化规律与区间( 1 ) 相同，即i ，m = i ，”。当 ut = y 3 时，i 3 与i a 相等，d 4 、t5 截止。在此区间，i l ”= i d ”，可列出方程 n 州l 。+ l a ) 竽一( r + r a ) f l 一e = 。( 2 - - 1 9 ) 其解为 f l ( k 争c 耐洲+ c 4 p 挚一辱 c z 删 其中， r l 2 r i + r dl i 。= 上i 十工。 z = 厨画， = 诎而r o l l ) ，c 4 为待定积分常数。 边界条件为 i 3 3 ( 3 ) = i d 3 ( y3 ) ( 2 2 1 ) i l ( y 1 ) = i l 2 1 ( y 1 ) ( 2 _ 2 2 ) ( 4 ) y3 ( ) t c l t 2 、d1 、t 6 、d3 导通，在此区间中，f 2 4 = 0 ，i l “= f 3 “= i a “，可列 出方程 3 u s i n 甜m 。屿心) 皇 刈。他巩) f l 一e = 。( 瑚3 ) 口， 其解为 f i ( u , s i n ( 耐叫) + c 。e 争一昙 ( 2 _ 2 4 ) 其中，r l = r l + r d + r 2 ， 工i = l l + d + l 2 z ，：厅两，= t g - i 可c o l ) c 5 为待定积分常数。 沩界条件为： 1 5 华中科技大学硕士学位论文 i l 1 ( y3 ) = i i 3 ( y 3 )( 2 2 5 ) ( 5 ) n t + y4 t 4 触发，绕组bl x l 上电流不能突变，d 、e 又被短路。i 。、及变化规律均 与区间( 4 ) 相同，即i 1 5 = i 3 ”= i d ”= i l “。可列出方程 u s i n r a t - l j 辈咄f 2 ( ”：o ( 2 - - 2 6 ) 出 其解为 。，( 耐峭) + c 6 e 扣 其中c 6 为待定积分常数。 边界条件为 f 2 5 ( 口) = 0 f 2 ” + y ) = 屯” + “) ( 6 ) o + y4 【i ) t 4 之后，发生并联谐振放大 的谐振点下移，将引起3 次谐波电流严重放大。因此，考虑到滤波器引起的3 次谐波放 3 l 跞 华中科技大学硕士学位论文 大，在3 次谐波电流较大的场合( 如电气化铁道牵引变电所) 应配备k ，较大，例如取 k ，= 1 3 左右。以上的讨论可知，单调谐滤波器的调谐度k ，的选取相当关键。当 k ，= 1 3 时，无论抑制谐波或涌流的效果都较好；k ，= 6 的调谐度抑制5 次谐波的 效果较好，并可以将涌流限制在4 5 倍的额定电流值处；k ， 0 9 ) 需求的前提下，仅3 次支路的 容量增大率稍大，等于2 5 7 ，但也在允许的范围；实际的滤波率依次为o 7 6 ，0 8 9 ，0 8 3 ，达 到了预期的滤波效果。观测此时的系统与滤波器阻抗- 频率特性曲线( 见图4 - 4 ) 可知，在 3 5 ，7 谐波附近发生谐振，电路在这些点处于偏调谐状态。此外，通过观测滤波率变化曲 线可知、滤波器有效的避开了3 次谐波的谐振点，也未发生谐波放大的现象，因而达到了 无功与滤波综合补偿的效果。根据上述分组方案，确定投切控制策略，即可根据变电所 的实测数据进行仿真运行，确定实际的无功补偿能力和滤波能力。 华中科技大学硕士学位论文 表4 2a 相滤波器在投入4 组后的实际参数计算值表 项目3 次滤波器5 次滤波器7 次滤波器 基波无功功率( k v a ) 1 4 1 l1 3 0 49 5 9 基波无功补偿电流( a ) 5 l4 73 4 支路总有效电流( a ) 6 85 33 7 电容器组基波容抗( q ) 6 0 56 0 58 0 6 电抗器组基波感抗( q ) 6 92 51 8 电容器组容量( k v a ) 3 2 0 03 2 0 01 6 0 0 电抗器组容量( k v a ) 5 3 6 1 2 34 l 电容器组基波电压( k v ) 3 12 82 8 电容器组谐波电压( k v ) 921 电容器组有效电压( k v ) 3 22 82 8 电容器组最大电压( k v ) 4 03 1 2 9 电抗器组基波电压仪v ) 3l 0 6 3 4 5 2 2 电抗器组谐波电压( k v ) 9 3l 电抗器组有效电压( k v ) 1 031 电抗器组最大电压( k v ) 1 2 42 电容器组容量增大率( ) 2 5 75 1 电抗器组容量增大率( ) 2 3 l 1 2 78 9 支路调谐系数 0 1 1 4 6 2 5 0 0 4 1 4 70 0 2 2 5 5 实际滤去的谐波电流( a ) 4 52 3 1 2 实际滤波率( ) 7 68 9 8 3 实际功率因素 0 9 2 5 3 8 7 4 1 3 结论 多串多次单调谐滤波器设计过程中，如何选取滤波器的技术参数是一个相当重要 的步骤，尤其是电容器组容量的分布，关系到滤波器的无功补偿能力和滤波能力，必须妥 善选取，同时要注意采取措施保护电容器。另外，滤波支路的调谐度，电容器的分组数和 单组容量，经济性能等技术性能指标发生矛盾时，应根据变电所的具体情况以及负荷谐 华中科技大学硕士学位论文 波分布采取不同的措施【2 9 】【3 “。谐波电流的变化是一个随机过程，采取滤波措旅只能保证 谐波畸变率低于某一限定值，而不能保证此时绝对不发生事故 t o i ；同样，考察的参数技术 指标，如功率因数，综合畸变率等，也是一个总体水平，而不能保证每一即时值均达到滤 波要求p i l l ”i 。 4 2 控制回路设计 4 2 1 基波检测的原理及电路实现 为了对变压器的基波磁通进行补偿，首先必须检测电力系统中的基波分量，检测 基波电流有很多方法，大致可以分为直接检测基波电流和间接检测谐波电流( 从系统 电流扣除谐波电流即为基波电流) 3 3 1 3 4 1 。 m l ，州 生骂。 厂。 ， 本文采用谐振的方法来检测基波电流的，其基本原理为： 对如图仁5 所示的电路，从m n 端看进去，其阻抗为： ：篙菩l ：赫 + _ ，吐+ 高p 一h k k 一生竺亟! ! 二竺：生刍2 二生蔓! 一( 饼，) 2 + ( 1 一c 0 2 l ，c x ) 2 竺! 生( ! = 竺：生生2 二生蔓2 ：o ( 凹，) 2 + ( 1 一2 l ，c x ) 2 旷去j 卜等 orj 3 7 华中科技大学硕士学位论文 并联电路的谐振频率为： 厶3 去一等一， 则谐振时的阻抗为： z j ( j c o o 卜面万素而2 盖 从上式可以看出，电路的谐振频率完全由电路的参数来决定，选定一电路参数电 感l = o 0 5 0 5 4 h ；感上的电阻r = 0 7 8 5q ；电容c = 2 0 0 l af 进行仿真，得到此并联谐振 电路不在谐振频率附近变化时及在谐振频率附近变化时的幅值曲线和相位曲线，分别 如图( 4 _ “) 、( 4 _ 一7 ) 。 j j 1 i - 厂、 j l 。1 。r 。 d l _ 6 频率变