（电力系统及其自动化专业论文）高速铁路牵引供电系统数字建模及仿真.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第f l 页 增加；仿真分析了牵引网谐波放大和谐振规律，仿真结果验证了多端口理论分析的结 论；讨论了谐波抑制措施，并仿真机车不同位置、牵引网不同长度时的谐波抑制效果， 仿真结果表明所设置的谐波抑制装置具有良好的谐波抑制效果。 关键词：牵引供电系统；潮流算法；列车电压；谐波电流放大；谐振；仿真模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第f fi 页 a b s t r a c t h i g h s p e e dr a i l w a yi sr a p i d l yd e v e l o p e di nc h i n a ，a n dt r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mi s o n ei m p o r t a n ts u b s y s t e mo fh i g h - s p e e dr a i l w a y , w h o e ss a f e ，r e l i a b l ea n de f f i c i e n t o p e r a t i o ni sa ni m p o a a n tg u a r a n t e ef o rt h er e l i a b i l i t yo fo p e r a t i o no fh i g h - s p e e dr a i l w a y d i g i t a ls i m u l a t i o nf o rt r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mi sa ni m p o r t a n tb a s i sf o rd e s i g na n d s c i e n t i f i cr e s e a r c ho ft h es y s t e m ，h a v i n gi m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n da p p l i e dv a l u e e f f e c t i v e p o w e rf l o wc a l c u l a t i o no ft r a c t i o ne l e t r i cn e t w o r ka n dh a r m o n i ca n a l y s i sm e t h o da r et h ek e y i s s u e sn e e dt ob er e s e a r c h e df o rt h ed i g i t a ls i m u l a t i o n p o w e rf l o wc a l c u l a t i o no ft r a c t i o n e l e t r i cn e t w o r ka n dh a r m o n i cp r o p a g a t i o ne t c a r ef o c u s e dr e s e a r c h e d a u t o t r a n s f o r m e rp o w e rf e e d i n g ( a i t f e d ) w i t hm a n ya d v a n t a g e si s a d o p t e d i n 1 1 i g h - s p e e dr a i l w a y , b u tb e c a u s eo fi t ss p e c i a l i z e dn e t w o r ks t r u c t u r e ，t h ea n a l y s i sa n d c a l c u l a t i o nc a nb ev e r yc o m p l i c a t e d an o v e la l g o r i t h mi m p r o v e do nt h ee q u i v a l e n tc i r c u i to f a t - f e ds y s t e mi sr e s e a r c h e df o rp o w e rf l o wp r o b l e mo ft r a c t i o ne l e c t r i cn e t w o r k i nt h i s a l g o r i t h ml o c o m o t i v e sa r ec o n s i d e r e da sc o n s t a n tp o w e rm o d e la n dt h el e a k a g ei m p e d a n c e o fa t sa r et a k e ni n t oa c c o u n ta l s o t h ec a l c u l a t i o nw i mm u l t i p l et r a i n so rs i n g l et r a i n r u n n i n gc a nb ec a r r i e do u tb yt h ep r i n c i p l eo fs u p e r p o s i t i o na n dn e w t o n i t e r a t i v e m o r e o v e r t h el e a k a g ei m p e d a n c eo fa t s i n f l u e n c eo nt h et r a c t i o ne l e c t r i cn e t w o r kc a nb es i m u l a t e d a c c o r d i n gt ot h ei m p r o v e da l g o r i t h m t r a i nv o l t a g e sa n dc u r r e n ta r ec a l c u l a t e dw i t hb o t h s i n g l et r a i nr u n n i n ga n dm u l t i p l et r a i n sr u n n i n g ；v o l t a g ed i s t r i b u t i o n so ft r a c t i o ne l e c t r i c n e t w o r ka r es i m u l a t e d t h e nt h er e s u l t so fs i m u l a t i n gs h o w st h a tt h ea l g o r i t h md e v e l o p e di n t h i sp a p e rh a sal a r g es p e e do fc o n v e r g e n c ea n dar e l i a b l er e s u l t ，c a ns o l v et h ep o w e rf l o w p r o b l e mo f a t - f e de f f i c i e n t l yr e g a r d l e s so ft h en u m b e ro ft r a i n s ，t h ep o s i t i o no f t r a i n s a p p r o p r i a t ev o l t a g el e v e lo ft r a c t i o ne l e t r i cn e t w o r ki s an e c e s s a r yg u a r a n t e ef o r h i g h s p e e dt r a i nr u n n i n g t h ea b i l i t yo fi m p r o v i n gt h et r a i nv o l t a g eb yh e i g h t e n i n gt h er e t u r n f e e d e rv o l t a g er a n ki sa n a l y z e d t r a i nv o l t a g e sw i t hb o t hs i n g l et r a i nr u n n i n ga n dm u l t i p l e t r a i n sr u n n i n g ，c u r r e n td i s t r i b u t i o n so ft r a c t i o ne l e c t r i cn e t w o r ka n dt h ea v e r a g ee f f e c t i v e v o l t a g eo ft r a i n sw e r es i m u l a t e d ，w h e nt h er e t u r nf e e d e rv o l t a g ew a s2 7 5 k va n d5 5 k v r e s p e c t i v e l y r e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt h a tw h e nt h er e t u r nf e e d e rv o l t a g ei sh e i g h t e n e d ， t h ev o l t a g el o s so ft r a c t i o ne l e c t r i cn e t w o r ki sr e d u c e da n dt r a i nv o l t a g ei si n c r e a s e d 西南交通大学硕士研究生学位论文第fv 页 r e g a r d l e s so ft h en u m b e ra n dp o s i t i o no ft r a i n s t r a i nv o l t a g ei n c r e a s e db y4 2 9 k va v e r a g e l y w i t hf o u rt r a i n sr u n n i n g i ti n d i c a t e st h a tt r a i nv o t a g l ei si m p r o v e dw i t hr e t u r nf e e d e rv o l t a g e h e i g h t e n e d w i t ht h ew i d ea p p l i c a t i o no fa c d c - a cs y s t e mb yh i 曲- s p e e dt r a i n ，t h el o w - o r d e r h a r m o n i c sa r ed e c r e a s e d ，b u tal o to fh i g h o r d e rh a r m o n i ca r ec o n t a i n e di nt h et r a c t i o n p o w e rs u p p l ys y s t e m t h eh a r m o n i cc u r r e n ta m p l i f i c a t i o nm a y e x i s ta n dt h et r a c t i o ne l e c t r i c n e t w o r kc a l le x p e r i e n c ep a r a l l e lr e s o n a n c ea tas p e c i f i cf r e q u e n c y t r a c t i o ne l e c t r i cn e t w o r k i sm o d e l e db yt h ee q u i v a l e n tr e d u c t i o nm e t h o do fm u l t i c o n d u c t o rt r a n s m i s s i o nl i n et o c a l c u l a t et h eu n i tl e n g t hi m p e d a n c ea n da d m i t t a n c eo ft h et r a c t i o ne l e c t r i cn e t w o r ka n d a n a l y z eh a r m o n i cp r o p a g a t i o n h a r m o n i cc u r r e n ta m p l i f i c a t i o ni ss i m u l a t e dw i t ht h el e n g t h o ft r a c t i o ne l e c t r i cn e t w o r k ，t h el o c a t i o no ft r a i nc h a n g e da n dt h ed i f f e r e n tl o c a t i o n so f t r a c t i o ne l e c t r i cn e t w o r k i ti n d i c a t e st h a tt h er e s o n a n c ef r e q u e n c yd o e sn o td e p e n do nt h e l o c a t i o no ft h et r a i n ，t h ef a r t h e rt h et r a i ni sf r o mt h es u b s t a t i o n ，t h eh i g e rt h ea m p l i f i c a t i o no f t h eh a r m o n i cc u r r e n ti s ，a n dt h el o n g e rt h et r a c t i o ne l e c t r i cn e t w o r ki s ，t h el o w e rt h e r e s o n a n c ef r e q u e n c yi s s i m u l a t i o nm o d e l sd a t ao ft r a c t i o np o w e rs y s t e mc a nb ea p p l i e di nt r a c t i o np o w e r s y s t e ma n a l y s i sc o n v e n i e n t l y as i m u l a t i o nm o d e l sd a t ao ft r a c t i o np o w e rs y s t e ma n dt r a i n m o d e la r ec r e a t e db a s e do nm a t l a b s i m u l i n k ，as i m u l a t i o ns y s t e mf o rt r a c t i o np o w e rs y s t e m i se s t a b l i s h e du s i n gt h em o d e l sd a t a v e r i f i c a t i o nr e s u l t ss h o w st h a ts i m u l a t i o ns y s t e mi so f a p p l i c a b i l i t ya n du n i v e r s a l b a s e do nt h i ss i m u l a t i o nm o d e l ，t r a i nh a r m o n i c sc h a r a c t e r i s t i ci s a n a l y z e d ，r e s u l t ss h o wt h a tt h eh a r m o n i cc o m p o n e n t sd e c r e a s ea st h ep o w e rl e v e li n c r e a s e s ， a n di n c r e a s e sa st h ev o l t a g ei n c r e a s e s h a r m o n i cc u r r e n ta m p l i f i c a t i o na n dr e s o n a n c ea r e s i m u l a t e d ，t h er e s u l t sv m f yt h ec o n c l u s i o nm a d ea c c o r d i n gt ot h et h ee q u i v a l e n tr e d u c t i o n m e t h o d t h es u p p r e s s i o nm e a s u r e so fh a r m o n i cc u r r e n ta m p l i f i c a t i o na r ed i s c u s s e d t h e s u p p r e s s i v ee f f e c ti ss i m u l a t e dw i t ht h el e n g t ho f t r a c t i o ne l e c t r i cn e t w o r ka n dt h el o c a t i o no f t r a i nc h a n g e d r e s u l t ss h o wt h a tt h ef i l t e r i n gd e v i c ei n s t a l l e dh a sag o o da b i l i t yo fh a r m o n i c s u p p r e s s m n k e yw o r d s ：t r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m ；p o w e rf l o wc a l c u l a t i o n ；t r a i nv o l t a g ei n c r e a s e ； h a r m o n i cc u r r e n ta m p l i f i c a t i o n ；h a r m o n i cr e s o n a n c e ；s i m u l a t i o nm o d e l s 西南交通大学 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 权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印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 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：云再 指剥雠：姻硇 日期：知肋5 ，占日期伊矽f 以fz 舌 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： ( 1 ) 基于a t 等值电路，提出了一种牵引网潮流计算的改进算法，该算法具有较 好的准确性和通用性； ( 2 ) 建立了基于m a t l a b s i m u l i n k 的牵引供电系统模型子库和机车模型，分析了 牵引网谐波放大和谐振规律。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 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 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：吻留 夕一- b 强：2 妇5 6 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题的提出和意义 第1 章绪论 我国高速铁路事业正处于前所未有的跨越式发展阶段，至2 0 2 0 年我国高速铁路里 程将达到1 8 万公里，保证高速铁路安全、可靠运行是建设的首要目标。而牵引供电系 统是高速铁路的重要组成部分，是保证列车运行高速、安全、可靠的关键系统之一。 与普速铁路相比，高速铁路牵引负荷大、行车密度高、可靠性要求严，在牵引供电系 统数字化动态仿真、高速列车负荷特性、供电方案设计理念等方面与普速电气化铁路 相比存在明显的特殊性。因此为保证时速3 5 0 k m h 及以上高速铁路牵引供电系统安全、 可靠、高效运行，必须对高速铁路牵引供电系统的一系列关键技术和关键设备进行深 入研究。 与手工计算、现场实验等方式相比，利用以牵引供电系统模型为基础的数字化仿真 系统进行试验和科学研究，具有方便灵活、经济实用、节省时间等优点。将数字化仿 真技术应用于高速铁路牵引供电系统的设计与实验，可对高速铁路列车的运行和列车 运行过程中牵引网电气参数的变化进行实时的仿真，可以方便地对多方案进行比较选 取，优化设计方案。通过数字化仿真系统对高速铁路牵引供电系统进行研究使设计人 员可以在设计初期及其后的各个阶段利用软件来验证其设计，并将设计决策对今后运 行的影响进行详细地分析和研究，从而为设计决策提供重要的依据，在系统建成之后 还可用于系统和运行图优化的研究。这不仅提高了设计效率，而且节省了工程投资， 减少运营成本，是牵引供电系统设计的一种高效的设计工具和手段。因此建设高速铁 路牵引供电数字化仿真实验系统，为我国高速铁路牵引供电提供理论支撑和技术指导， 对提高铁路技术装备的现代化水平具有重大意义。正是在此背景下，本文展开对高速 铁路牵引供电系统数字化建模及仿真的研究。 由于牵引供电系统是一个庞大复杂的系统，运行其间的机车负荷是动态随机负荷， 牵引网是相对是一个时变电路网络，需要建立的仿真模型和涉及的仿真目标多。而牵 引网潮流计算和谐波分析是其中的热点和重点研究问题，本文将着重此两个方面进行 研究。 牵引网潮流的准确计算是高速铁路牵引变电所位置及牵引变压器容量的选择、牵引 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 网线路设计等的基础。由于a t 供电方式具有牵引网阻抗小，电能损失少，能适应高速 重载的电力机车运行等优点，我国高速铁路采用a t 供电方式。但是同时a t 供电方式 结构十分复杂，对其进行分析、计算、设计比较困难。目前国内外对其的算法和模型 有很多种，各有优缺点。本文将对a t 牵引网潮流算法进行较为深入的研究，这具有比 较重要的理论与应用价值，对a t 牵引供电系统的设计、运行和维护有参考作用。 谐波与谐振是电气化铁道电能质量关注的热点问题。目前高速列车采用交一直一交 动车，其牵引传动系统网侧整流器为p w m 四象限变流器，开关频率高。虽然相比传 统交直机车，低次谐波含量减少，但谐波频谱变宽，注入系统谐波次数相应增加。牵 引网是连续分布电气参数的电气网络，由于集肤效应的作用，当系统参数满足一定条 件时，相应次数的谐波注入便会激励系统产生谐波放大甚至高次谐振。这不仅对于牵 引供电系统本身的设备造成危害，也对公用电网电能质量有较大影响。目前，在我国 也已出现过高速列车产生的高次谐波电流被放大近2 0 倍，引起变电所5 5 k v 母线电压 和分区所2 7 5 k v 母线电压升高超过1 0 k v ，造成列车停运的事故。在此背景下，本文 将对高速列车谐波在牵引网的传播特性( 谐波放大和谐振规律) 进行研究。 同时相对电力系统较为完善和数目众多的仿真软件，目前对于牵引供电系统仿真 软件较少，且所涉仿真模型比较粗略。因此本文将尝试利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真工具 建立牵引供电系统元件库及机车模型，构建牵引供电系统仿真系统，作为牵引供电系 统的仿真工具。 1 2 国内外现状 1 2 1 a t 牵引供电系统潮流算法和仿真研究现状 迄今为止，国内外已有不少文献对高速铁路a t 供电方式的计算进行探讨。由于供 电网路和铁路行车组织的复杂性以及沿线路行驶的电力机车或动车组负荷电流的不稳 恒性，导致系统具有时变特性。这使得牵引供电计算比较繁杂。常用的计算方法有平 均行车法【1 1 、概率统计法【l - 3 】、运行图截面法【4 5 】等。平均行车量法适用于供电臂区间数 较多的场合：运行图截面法是根据列车运行图，进行瞬间切割，仿真牵引负荷的变化 过程，能捕捉瞬时特征，但计算量较大。随着当前计算机技术的不断发展，利用运行 图截面法进行牵引供电仿真计算得到越来越广泛的运用。 当牵引供电系统模型建立起来之后，求解各种电气参数：一是把包含牵引变电所、 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 牵引网、列车等的整个网络看成一个大的配电网【6 1 ，通过网络求解；一是各种基于牵引 供电系统自身特点而建立的算法。由于牵引网络电路的复杂性，所以网络的严格求解 过程是一个费时迭代过程。现在有两种主要的方法：一种是传统的的潮流算法，如高 斯一赛德尔法和牛顿一拉夫逊方法等。由于把牵引供电系统看成一个配电网，正常运 行时是一个环网运行情况，并且由于牵引接触网r x 比较大，电力系统中常用的快速 解耦法用于电气化铁道供电系统网络计算中难以收敛，而传统的潮流算法会导致导纳 矩阵较大，处理的工作量大，占用的资源较多。第二种方法是连续性潮流算法( s l p f m ) p 培】，这种方法利用电流型的负荷模型代替经典的功率性负荷模型，把给出的机车功率、 阻抗、戴维南等效模型以电流注入型模型来表示，通过节点分析法导出潮流求解的方 程。这种算法的好处是在开始的时候得到导纳矩阵的逆矩阵，每次计算不必重新计算， 从而节约时间。第三种方法是改进的p q 分解法【9 】：p q 分解法是密切结合电力系统固 有特点，进行合理假设，在牛顿法的基础上经过简化而来。 依据牵引供电自身特点建立的潮流算法中：文献【2 】中作者建立了在a t 供电方式 下电气化铁道牵引供电系统潮流计算的数学模型，然后根据电力机车在牵引网中的位 置概率分布，利用蒙特卡罗模拟方法得到了多台机车行驶时各机车电压与变电所供电 总功率。文献 1 0 】建立了一种新的潮流算法，并已在我国台湾高铁得到较好应用，该 算法首先把流经自耦变压器的电流解耦成两个相等的向量，然后采用基于电流分布的 迭代方法进行求解，得出列车电压电流和牵引网各支路电流和各节点电压。文献 1 l 】 建立了整个牵引供电系统包括变电站、自耦变压器、多导体传输线的模型，把牵引网 模型建立成去耦合之后的电路网络，通过各个模型的节点导纳方程来求解，并且可以 利用该模型进行故障定位。文献 1 2 】依据自耦变压器的特点和理想情况下a t - f e d 系统 电流分布情况，分段的建立了接触线，钢轨，正馈线的电压计算公式。文献【1 3 分析了 单列车在恒流操作下单边和双边供电的电压计算算法，但是文中只给出了一列车情况 的简化模型，仿真结果不足以反映真实运行状况。文献 1 1 4 1 5 】对a t 供电系统进行 等值分析，简化了牵引网的电流分布，但采用的计算模型均为简化模型，距实用化还 有很多工作需要探讨。文献【1 6 】研究了a t 供电系统等值电路的推导方法，但文中方法 的推导过程比较复杂，推导出的等值电路参数的物理意义不明显，难于理解容易出错。 在仿真软件方面，利用计算机对其进行仿真是一个流行趋势。但一般是基于机车 和牵引供电模型分别独立的运行仿真软件，如美国宾夕法尼亚州铁道研究中r i c h a r d a 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 u h e r 博士研发了列车运行模拟仿真器( t o m ) ，包含列车性能仿真器( t p s ) 、电气网 络仿真器( e n s ) 、列车运行仿真器( t m s ) ，可用来仿真多列列车运行的性能，用于 指导电气化铁道的设计【1 7 - 1 8 。c a r n e g i e m e l l o n 大学e m m ( t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m se n e r g y m a n a g e m e n tm o d e l ) 软件包括t p s ( t r a i np e r f o r m a n c es i m u l a t o r ) 和e n s ( e l e c t r i cn e t w o r k s i m u l a t o r ) 两个模块，其分别的独立功能应用较为成功【1 9 之0 1 。 在国内，关于牵引计算软件的研究也较多2 心7 1 ，如文献 2 2 y l j 车牵引计算模拟器是 能计算列车起动、区间运行及停车制动过程的仿真系统，输出的数据包括列车运行速 度、时分及能耗等。此外，对牵引供电系统的仿真软件及模型也有较为深入的研究f l 习 2 8 - 3 5 】。如文献 2 8 】中基于c a d 技术和电路网络理论，建立了直流牵引变电站供电系统 的仿真模型，详细阐述了一种适合于城市轨道交通牵引供电系统的仿真分析法；文献 2 9 中对城市轨道交通直流牵引供电系统仿真进行了研究，以列车运行计算系统输出的 列车位置、速度等数据作为接口数据，同时结合供电计算模型，计算列车及变电所的 实际电压与电流，用以检验列车和变电所的供电负荷等问题。文献 3 0 中所构建的牵引 供电培训仿真器，能实现电气参数仿真计算等功能。文献 1 0 1 3 3 2 - 3 5 利用p s c a d 、 e m t p 、r t d s 等仿真工具，建立了牵引供电系统整体模型。文献 3 2 在低频领域把牵 引供电系统作为标准配电系统建立数学模型，在负荷、稳态电压、谐波仿真方面有一 定作用。文献 3 3 】建立了多导体模式下的a c ( 交流电) 供电模型，并利用该模型开发了 用于求解列车电流、电压的仿真系统。文献 1 0 1 3 以计算列车受电电压为目标，建立 了牵引供电系统仿真模型，利用较好的计算手段( 如牛顿迭代法) 进行仿真，在a t 所 间距设计，行车计划等方面有一定帮助。但由于文献中各侧重点不同，模型都显得比 较粗糙。如文献 1 0 1 1 1 3 1 把列车视为恒流源或恒功率模型，对牵引网的模型建立时，未 来考虑线路互阻抗等；文献【3 4 】仅在p s c a d 中把牵引供电系统各子系统、设备进行简 单的搭建组合，实用性和通用性不大，并非真正意义上的牵引供电系统完整模型。 而目前在我国，对于城市轨道交通直流牵引供电系统的仿真研究比较多，而对于 交流电气化铁道牵引供电系统的仿真研究则多采用独立的供电系统计算仿真软件，只 是考虑机车牵引负荷最恶劣的情况，尽管该方法为电气化铁路供电系统设计提供了重 要的依据，但由于忽略了二者之间的内在联系，从而影响了仿真结果的精度及仿真的 实时性。 实际上开发包括机车和牵引供电模型在内的综合仿真软件是一个发展趋势，如伯 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 _ mm l 曼m , 曼曼量 明翰大学电力电子研究室m e l l i t 和g o o d m a nc j 教授f 3 6 】就先后为新加坡、伦敦、香港 地铁、新西兰北道电气化工程和澳大利亚昆士兰电气化铁路【3 7 】等编制过电气化铁路供 电系统的计算机仿真软件，以指导电气化铁路设计及预测系统的运行状态等。 1 2 2 a t 牵引网谐波分析研究现状 谐波一直是电气化铁路电能质量的重点关注问题。国内外研究人员从电力机车谐 波源仿真3 8 4 2 1 、牵引网谐波传播特性4 3 铷】、电气化铁路谐波在电力系统分布 5 1 - 5 7 1 以及 谐波标准及水平评估【5 蹦1 】等方面进行了研究，取得了很好的成果，如韩国h a n m i n l e e 等人f 4 3 】基于八端口牵引网模型的车网谐波分析等，得到了与实际较吻合的结果；文献 4 7 禾u 用文献 4 3 】的模型进行了牵引网高次谐波谐振研究，并利用p s c a d e m t d c 软件 构建模型，对谐波抑制措施进行了讨论，证明了当前所用谐波抑制措施的有效性。文 献 4 6 】不考虑机车自身电路，利用已有实测数据建立机车谐波概率函数，即相当于机车 谐波的传递函数，利用该函数得到机车不同位置不同时刻产生的谐波情况。而牵引网 谐波不仅取决于机车谐波源，也受约束于牵引网自身结构及其电气参数。虽然目前电 铁谐波研究取得了丰硕的成果，但也有一些问题，如文献【4 6 】根据概率统计的方法能较 为贴近实际对牵引供电系统谐波进行模拟，但需要大量的实测数据为基础。文献 3 9 4 1 】 建立了机车两电平、三电平p w m 变流器的谐波模型，有很好的分析效果，但只分析了 额定功率下的各次谐波含量，并且没有和牵引供电系统耦合起来，考虑其背景谐波和 之间的相互约束关系。 高速列车的谐波电流经由牵引网流入变电所和电网，所以对牵引网络的准确建模 是分析谐波电流的谐振放大以及谐波电压畸变等问题的基础，必须对牵引网恰当准确 建模。文献 1 6 2 1 1 6 3 把牵引网当作单相均匀输电线，供电臂按电力机车位置分段， 每段采用基于单相等值兀型电路的二端口网络来描述，不能刻画复杂的牵引网结构， 对a t 牵引网不适用，不能用于复线铁路，对高次谐波含量丰富情况不适用。多导体传 输线的链式网络模型在a t 供电系统的分析计算中应用较为广泛，近期国内外对该模 型的研究也较多【“舶】。如文献 6 4 6 5 】以圆导线内阻抗的计算方法为基础，结合牵引网 多导体传输线的特性，构建了牵引网的链式网络模型；文献 6 5 1 j 丕对组成链式网络的串 联和并联元件也分别建模，并研究了牵引网多导体电气参数的计算方法。文献 6 6 6 8 】 对线路参数计算、测量，牵引网多导体传输线的解析公式等方面进行了研究。文献 6 9 7 0 】 对牵引网采用两端口或者四端网络进行分析，可以用于单线铁道，但用于复线或者导 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 线数目较多的牵引网时不太适用。可见对牵引网数学模型，目前以多导体传输线模型 为主流趋势。这些文献所提方法有较大价值和精确度，但模型建立和计算过于复杂， 牺牲了计算速度，不便于仿真实现。因此，本文将着重研究建立适合高频谐波下的牵 引网谐波模型，并分析机车谐波在牵引网中的传播特性，结合利用s i m u l i n k 所建立仿 真模型，分析在机车不同功率、机车不同网压的机车谐波特性和牵引网谐波传播特性。 1 3 论文主要工作 本文主要工作如下： ( 1 )研究高速铁路a t 牵引网潮流计算方法，在a t 等值电路基础上，提出一种 改进算法。根据算法对供电区间单列车、多列车运行工况进行仿真；仿真 列车运行过程中端电压变化情况；仿真a t 漏抗对牵引网供电特性的影响。 ( 2 )针对高速铁路a t 供电方式，分析牵引网电压损失的原因，在潮流算法研 究的基础上，定量地仿真分析提高正馈线电压等级，以减小接触线、正馈 线中电流，降低牵引网电压损失，改善列车受电电压质量的效果。仿真分 析正馈线电压等级提升前后，单列车、多列车运行时的列车端电压、电流 变化情况，牵引网电流分布情况，接触线钢轨电位差变化情况，以及在特 定运行时间内列车平均有效电压变化情况。 ( 3 )引入牵引网多端口降阶模型，根据需要等值地简化牵引网电路，计算其电 气参数。然后对机车负荷两侧的单相分布参数电路分别采用电力传输线路 稳态方程和t 型等值电路模拟，以分析牵引网谐波电流放大原理，给出谐 波电流放大倍数的计算公式。最后依据实际的数据，对我国某高速铁路牵 引网进行机车( 谐波源) 位置变化、牵引网长度改变、牵引网不同距离处 的谐波放大等情况下的谐波电流谐振和放大仿真，根据仿真结果给出牵引 网谐波电流放大较为全面的结论。 ( 4 )利用m a t l a b s i m u l i n k 构建机车模型和牵引供电模型库并对模型进行仿真验 证。利用所建立的联合模型，仿真分析机车在不同功率、不同电压下的谐 波特性；仿真分析牵引网长度不同、机车负荷位置不同时的机车谐波电流 在牵引网的传播；分析牵引网谐波抑制措施原理，利用联合仿真模型，仿 真所设谐波抑制装置的效果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章一种基于a t 等值电路的牵引网潮流算法 a t 供电方式具有很多优点，是我国高速铁路的供电方式。但a t 供电方式结构复 杂，对其的设计、分析、计算都比较困难。国内外针对不同的计算目的，在不同的假 设条件下，研究了不同的模型算法，得到的计算结果也较有差别。而牵引供电系统等 值电路实际上是牵引供电系统的物理映像，对分析和研究供电系统十分有利，计算方 便迅速，被普遍运用。但是在基于a t 等值电路的算法中，一般将列车作为恒电流恒 阻抗模型，这样处理不精确，而且假设自耦变压器为理想变压器( 即其漏抗为o ) 也增 大了计算误差。基于此，在a t 等值电路的基础上，提出一种a t 供电系统牵引网潮流 计算的改进算法。该算法将列车视作恒功率模型，计算时考虑了自耦变压器漏抗值。 2 1 a t 等值电路 图2 1 为高速铁路a t 供电系统的简图。沿铁道每隔一定距离设置一个1 ：1 的自耦 变压器，两端分别接接触线和正馈线，中点接钢轨，两台自耦变压器间称为a t 段。图 中，自耦变压器用一理想变压器和中点抽头串一阻抗z 。代替。当z 。不为0 时，列车电 流流经各个自耦变压器，各个自耦变压器互为负荷，电流分布复杂，牵引网电路是一 个复杂的多网孔平面网络。如图2 1 所示，流经每个a t 的电流可分为“接触线一机车 钢轨a t 下半部分绕组正馈线”回路电流和“接触线机车。钢轨a t 上半部分绕组”回 路电流。依据自耦变压器特性，两路电流为相等的向量。例如流经a t 的电流可分为i ，。 和1 2 2 ，且1 2 l = 1 2 2 。 正馈线 。_ l 图2 - 1a t t 3 电系统简图 假设钢轨与大地间导纳为0 ，则在a t 供电系统中，任意一个断面上，接触线电流 i t 和正馈线电流i ，之差等于该断面至分区亭的所有列车电流之和( i t 和i ，都定义为从 变电所至分区亭为其正方向) 【1 6 】。如图1 中断面a a ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 i 为列车电流。对于多列车情况，可用叠加原理。设区间有k 列车，第k 列车电流为i 。， 即 r i t i f = i i ( 2 1 ) k = l 在式( 2 1 ) 所示电流关系下，根据戴维南定理、卡森理论等，进行一系列变换可以 把图2 2 ( a ) 所示原电路简化成图2 - 2 ( b ) 所示等值电路。原电路和等值电路中的对应的 参数关系如式( 2 2 ) 【1 6 】： z w l l = z l l ，之2 = z 2 2 ，z 3 3 = ( z i l + 2 2 1 3 + z 3 3 ) 4 z ：2 = z 1 2 ，zw 2 3 = ( z 1 2 + z 2 3 ) 2 ，z 1 3 = ( z 1 l + z l3 ) 2 ( 2 - 2 ) = 一厶，= 厶，= 2 厶，z ：= 磊4 式中 z l ，、z 2 ：、z 3 ，一分别表示原电路中接触线、钢轨和正馈线的自阻抗； z i ，、z 2 ，、z i ：一分别表示原电路中接触线正馈线互阻抗、钢轨正馈线互阻抗和 接触线钢轨互阻抗； 厶、厶、厶一分别表示原电路中接触线、钢轨和正馈线上的电流； z 。、乏：、z ，一分别表示等值电路中接触线、钢轨和负馈线的自阻抗； z 1 3 、z ：3 、z ：一分别表示等值电路中接触线负馈线互阻抗、钢轨负馈线互阻 抗和接触线钢轨互阻抗； 、丘、一分别表示等值电路中接触线、钢轨和负馈线上的电流；乏表示等 值电路中变电所系统阻抗的等效值； z 。一表示原电路中变电所系统阻抗。 ( a ) 原电路( b ) 等值电路 图2 2a t 供电系统原电路和等值电路 假定钢轨与地绝缘，即钢轨对地导纳等于零的时候，可以消除互阻抗，得到等值 电路中各条线路的等值自阻抗1 】： 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 乙= z ：。一z ：一z ：，+ 乏， z r = 乏：一z ：一乏，+ z ：， ( 2 3 ) 乙= z i ，一z ：，一乏，+ z ：， 若假设自耦变压器是理想的，即其漏抗为零，图2 2 ( b ) 可进一步简化成图2 3 所示电路。 a 图2 - 3a t 等效电路图 图2 - 3 中，变电所到机车位置a 处的牵引网等效阻抗可表示为式( 2 4 ) 【1 】： 乙= z 乞+ z t ( 1 - 享) x ( 2 - 4 ) 式中z _ 线性部分单位航 z - z 7 ，+ 蔫； z f a t 段间阻抗增量，z f = 乏季云； ，一a t 段长度：x 一机- v - 在a t 段中位置。 2 2 基于a t 等值电路的改进算法原理 a t 等值电路大大的简化了a t 供电系统电路网络，但是电路结构仍然比较复杂( 图 2 2 ( b ) ) ，不能直接求出牵引网阻抗，不利于求出列车电压等电气量。所以一般做法 为了直接求出牵引网阻抗，可做进一步简化认为自耦变压器是理想的即其漏抗为零( 图 2 3 ) ，则可以直接求出牵引网阻抗，此时无论把列车作为恒流源还是恒阻抗模型，都 可以迅速求出列车端电压、牵引网电压等电气量。 虽然如此可以简单迅速的算出列车端电压等，但对列车采用的是恒阻抗和恒流源 模型，并不太符合实际。且忽略了a t 漏抗，实际上只承认了离列车最近的两个a t 对 列车电压电流有贡献【l5 1 ，使得计算结果并不十分精确，并且不能体现a t 漏抗值对系 统的影响。基于此，本文中提出一种基于a t 等值电路的改进算法，算法对列车采用恒 功率模型，且把