（电气工程专业论文）电力机车和动车组谐波电流的仿真研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要： 电气化铁道已经成为我国电网的主要谐波源，随着铁路建设的发展，这一问 题日趋严重，并越来越受到人们的广泛重视。为了对电铁电能质量治理提供基础 数据，必须开展对电力机车和动车组谐波特性的研究。 本文总结了我国现有的主要车型，分别针对交直型电力机车、交直交型电力 机车和动车组研究了其网侧电流的谐波特性。交直型电力机车根据整流主电路的 不同可分为五种类型，本文详细分析了代表车型的主电路及其控制原理，推导了 机车工况与主电路工作状态的对应关系。对于交直交型电力机车和动车组的四象 限变流器，本文研究了两电平、三电平及二重化两电平三种拓扑的四象限变流器 主电路及普遍使用的预测电流控制策略，并运用双边傅立叶变换方法对四象限变 流器网侧电流的谐波含量进行了理论分析。 本文采用m a t l a b s i m u l i n k 软件，建立了我国现有主要车型的仿真模型，并编 制了电力机车和动车组谐波电流仿真分析软件。可根据牵引计算给出的机车工况 参数，仿真分析网侧电流中的各次谐波幅值、含量及相位。 本文对s s 4 g 和c r h 2 两种车型的网侧电流进行了实际测量。与仿真结果的对 比表明研究中所建立的仿真模型的准确度较高。 关键词：电能质量；谐波；电力机车；动车组；仿真技术 分类号：t m 4 6 1 a b s t r a c t a b s t r a c t a b s i r a c i c h i n a se l e c t r i f l e dr a i l w a yi st h em a i ns o u r c eo fh a r m o n i ci nt h ep o w e rs y s t e m w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h er a i l w a y ，t h ep r o b l e mw i l lb em o r es e r i o u sa n dd r a wm o r e a t t e n t i o nb ye n g i n e e r s i no r d e rt op r o v i d er a i l w a ym a n a g e m e n tw i t hb a s i cd a t a , i ti s n e c e s s a r yt os t u d yt h eh a r m o n i cc h a r a c t e r i s t i c so fl o c o m o t i v e sa n de l e c t r i c a lm u l t i p l e u n i t s ( e m u s ) t h ec h a r a c t e r i s t i co fh a r m o n i cc u r r e n tf o rv a r i o u se x i s t i n gl o c o m o t i v e sa n de m u s i ss t u d i e di nt h i sp a p e r a c d ce l e c t r i c a ll o c o m o t i v e sc a nb ed i v i d e di n t of i v et y p e s a c c o r d i n gt ot h e i rd i f f e r e n tm a i nc i r c u i t s i nt h i sp a p e r ，t h em a i nc i r c u i t sa n dt h e i r c o n t r o lp r i n c i p l eo fr e p r e s e n t a t i v em o d e l sa l ea n a l y s i s e di nd e t a i la n dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h el o c o m o t i v eo p e r a t i o nc o n d i t i o n sa n dt h es t a t u so ft h em a i nc i r c u i t sa r e d e r i v a t e d a c d c a ce l e c t r i c a ll o c o m o t i v e sa n de m u su s ef o u r - q u a d r a n tc o n v e r t e r s t h u sm a i nc i r c u i t so ft h r e et o p o l o g yf o u r - q u a d r a n tc o n v e r t e r sa r es t u d i e d ，i n c l u d i n g t w o 1 e v e l ，t h r e e 1 e v e la n dp a r a l l e lt w o l e v e lf o u r - q u a d r a n tc o n v e r t e r s ms t r a t e g yo f w i d e l y u s e df o r e c a s tc u r r e n tc o n t r o li ss t u d i e da n dt h eh a r m o n i cc o n t e n to ft h ec u r r e n t i sa l s oa n a l y z e dt h e o r e t i c a l l yw i t hd o u b l ef o u r i e rt r a n s f o r mt e c h n i q u e i nt h i s p a p e r ，t h es i m u l a t i o nm o d e l so fv a r i o u sl o c o m o t i v e sa r ee s t a b l i s h e db y m a t l a b s i m u l i n k w h a t sm o r e ，ak i n do fs o f t w a r ei sd e v e l o p e dt os i m u l a t ea n da n a l y z e t h eh a r m o n i cc u r r e n to ft h el o c o m o t i v e sa n de m u s b a s e do nt h e l o c o m o t i v e o p e r a t i o np a r a m e t e r sc a l c u l a t e db yt r a c t i o ns o f t w a r e ，i tc a ns i m u l a t ea n da n a l y z et h e a m p l i t u d e 、c o n t e n t 、a n dp h a s eo f h a r m o n i cc u r r e n t n l ec u r r e n t so fs s 4 ga n dc r h 2a r em e a s u r e di nr u n n i n gr a i l w a y c o m p a r e d 、析t h t h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，i ts h o w st h a tt h ee s t a b l i s h e dm o d e l sh a v eah i g h e ra c c u r a c y k e y w o r d s ：p o w e rq u a l i t y ；h a r m o n i c ；e l e c t r i c a ll o c o m o t i v e ；e m u s ；s i m u l a t i o n t e c h n o l o g y c l a s s n o ：t m 4 6 1 北京交通大学硕十学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究j i ：作和取得的研 究成果，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，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 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己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：盛钧午 签字日期： 2 。7 年7 月哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 硪为考 签字日期2 7 年6 月乡日 导 签字 致谢 本论文的工作是在我的导师郑琼林教授和林飞副教授的悉心指导下完成的， 郑老师渊博的知识、正直的人品、严谨的科学态度、力求完美的做事风格和对待 工作的兢兢业业为我树立了科学工作者的榜样。在此衷心感谢两年来郑老师对我 的关心和指导。林老师指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向林老师表示最衷心的谢意。 在论文的研究过程中，得到了游小杰教授、吴命利教授、黄或老师、杨少兵 老师、张立伟老师、黄先进老师、杨中平副教授、郝瑞祥副教授、孙湖老师和王 琛琛老师等的指导及帮助，同时还得到了高吉磊、刘玉洁等同学在实验室工作上 的鼎力相助。在此向他们表示诚挚的谢意。 最后，感谢我的父母、家人及所有的亲人朋友，他们的理解和支持使我能够 在学校专心完成我的学业。 绪沦 1 1 研究背景 l 绪论 近年来，我国电气化铁路建设进入了高速发展阶段。到2 0 0 7 年底，我国电气 化铁路罩程已突破2 9 4 7 0 公里，电气化率达到3 7 8 ，电气化总里程位于世界第二 位。根据国务院批准的中长期铁路网发展规划( 2 0 0 8 年调整) ，到2 0 2 0 年我国 铁路总里程将达1 2 0 0 0 0 公里，其中电气化铁路7 2 0 0 0 公里，主要干线铁路都将实 现电气化，铁路电气化率约为6 0 ，承担8 0 以上的运量。其中将建成京沪、京 广、京哈、沪涌深及徐兰、杭长、青太及沪汉蓉“四纵四横”高速铁路客运专线1 6 0 0 0 公里，形成我国铁路快速客运网。 虽然电气化铁路有着诸多优点，但作为一种特殊的电力子系统，其负载电力 机车为波动性很大的大功率单相整流或者逆变负荷，会通过牵引供电系统向电网 注入较大的负序和谐波电流。当有谐波和负序电流进入电网时，不仅会造成供电 质量下降，还会对电力系统造成危害。由无功补偿电容器组引起的谐振或谐波电 流放大会造成电容器的损坏：变压器保护误动跳闸；线路继电保护的误动作；电 动机因过热而大批损坏；延缓输电线路潜供电流的熄灭，导致单相重合闸失败或 不能采取较短时间的自动重合闸等。另外，当谐波电流在电网中流动时会产生有 功功率的损耗，使供电系统的电网损耗增加。而且谐波和负序电流产生的综合危 害曾引起大容量发电机的跳闸，谐波干扰也曾造成2 2 0 k v 线路保护误动作跳闸而 引起大面积的停叫。 随着电气化铁道分布日益广泛，对大电网的影响也越来越严重。目前，对我 国电气化铁道电能质量问题造成的危害加以监测、限制和治理已经成为迫切任务。 为此，首先需要开展电力机车和动车组的负荷建模与仿真工作。具体而言，就是 总结并分析现有车型的牵引电传动系统，建立能够进行网侧电流谐波分析的数学 模型，并结合选定的仿真平台，编制仿真软件进行仿真计算，理解和摸清现有各 种电力机车及动车组的谐波特征，为分析谐波在牵引供电系统和电力系统中的传 播规律以及电铁电能质量问题的治理提供有效的基础数据支撑。 在上世纪5 0 年代，我国通过技术引进开始了电力机车的研究与开发工作。我 国第一代电力机车为韶山1 型电力机车，经多次技术改进后至今仍有应用【2 j 。该车 型采用3 3 级位的整流变压器和单相全波二极管整流电路，实现机车的有级调压。 7 0 年代末试制成功韶山3 型电力机车，采用8 级变压器加级间晶闸管整流相控调 北京交通大学硕十学位论文 压，成为我国第二代干线主型机车1 3 】。自8 0 年代以来，我国通过自主开发，并借 鉴引进的8 k 、6 k 等先进车型的经验，相继研制成功了韶山4 、韶山6 、韶山7 、 韶山3 b 、韶山4 g 、韶山8 、韶山9 等一系列第三代电力机车1 4 。14 。这些机车均采 用多段半控桥式晶闸管相控整流电路，实现了平滑调压。 与此同时，国外铁路先进国家已经完成了直流传动到交流传动的过渡。交直 交型电力机车和动车组是当今世界机车技术的发展趋势，整流部分为四象限p w m 整流器，具有高功率因数、低谐波含量等优点。我国在交直交型电力机车方面的 研究开始于7 0 年代末，在1 9 9 5 年试制成功a c 4 0 0 0 型交直交传动原型车，其后又 研制了中原之星、先锋号、中华之星等车型并进行了试验。近年来，通过技术引 进消化吸收和自主创新，先后研制了h x d l 、h x d 2 、h x d 3 、c r h l 、c r h 2 、c r h 3 、 c r h 5 等具有国际一流水平的交直交型电力机车和动车组，已得到成功应用。随着 我国铁路装备技术水平的发展，“和谐号”c r h 系列动车组在既有线运行速度已 经达到2 0 0 k m h ，部分区段最高运行速度甚至达到3 5 0 k m h 。2 0 0 7 年4 月1 8 日 铁路第六次提速后，我国既有铁路1 6 0 k m h 及以上提速区段延展里程达到1 4 万 k m ，其中，2 0 0 k m h 线路延展里程达到6 0 0 3 k m ，2 5 0 k m h 线路延展里程达到 8 4 6 k m 。全长1 3 1 8 k m 的京沪高速铁路也已于2 0 0 8 年4 月1 8 日动工，其设计列车 运行速度为3 0 0 k m h ，最高时速为3 5 0 k m h 。2 0 0 8 年8 月l 号，我国第一条具 有自主知识产权、国际一流水平的京津高速城际铁路正式开通运营，在北京奥运 会期间发挥了重要作用。京津城际铁路运行时速达到3 0 0 公里，列车最高时速超 过3 5 0 公里，是我国第一条真正意义上的高速铁路。在未来几年中，这些交直交 型电力机车和动车组将逐步成为我国高速铁路和重载线路的主力车型。 1 2 研究现状 由于现有机车和动车组的主电路形式和控制方式不同，因此它们的谐波特性 也有较大差别。为了能对电力机车的谐波特性进行定量计算和分析，多年来国内 外研究者对电力机车的数学模型和仿真技术作了大量研究。 我国铁路长期以交直型电力机车为主，而且相对来说这种机车的谐波问题更 加突出，因此目前的研究大多集中于此。计算机仿真是研究电力机车谐波问题的 主要工具。在对电力机车主电路及控制系统进行深入分析的基础上，建立其数学 模型，通过软件仿真的方法可分析机车的电能质量特征。山西电科院、西南交通 大学、北京交通大学、西安交通大学和华北电力大学的研究人员对此进行了长期 研究。文献【1 5 、1 6 建立了韶山1 型电力机车的谐波模型，并通过实测法进行了验 证。但由于对变压器漏抗、串励电机特性、磁场削弱等因素进行了简化处理，所 2 绪论 建立的谐波电流模型与实际相比还有差异。文献 1 7 2 0 继续对国产韶山系列的3 型和4 型电力机车的谐波电流特性做了大量的研究工作，尤其是对韶山4 型电力 机车，较为详细地分析了机车四段桥的导通和换相过程，建立了相应的微分方程， 考虑边界条件后可得到一组非线性代数方程，用牛顿一拉夫逊等方法迭代求解机 车主电路各段产生的瞬时电流，进一步进行傅立叶分解可得各次谐波电流。对韶 山7 型电力机车和韶山8 型电力机车也作了类似研究工作【2 l - 2 2 1 。但是这种方法需 要详细掌握机车主电路的工作过程，并推导数学方程式。为了列写方程，通常需 要作各种简化假设，往往忽略了功补等辅助电路，降低了仿真的准确度。同时， 所推导的方程和编写的程序可移植性差，不能灵活适应机车电路的升级和改进。 随着m a t l a b 6 2 , 6 3 】、s a b e r 、e m t p 等仿真软件功能的不断发展和完善，电力机 车数学模型与仿真技术的研究步入了一个新的阶段【2 3 】。利用这些软件集成的图形 化界面，可以方便地建立主电路仿真模型，由仿真软件在后台根据电力电子电路 和电机学等理论自动转化成相应的微分方程，使用户摆脱了烦琐的数学推导和编 程工作，从而能够更加全面地考虑影响机车谐波电流的各种因素。文献 2 4 v 、2 5 】 利用m a t l a b 平台上的仿真软件s i m u l i n k 建立了韶山3 b 型电力机车的数字模型。 在仿真模型中比较准确地模拟了直流电机的反电势，利用机车牵引特性函数与整 流回路的关系对导通角进行了计算，得到电力机车交流侧电流。文献 2 6 、2 7 禾u 用 m a t l a b 软件平台上的仿真软件s i m u l i n k 建立了韶山l 型和韶山4 型电力机车的 数字仿真模型，提出了通过机车牵引控制特性函数与整流回路的关系确定导通角 的方法，并利用d s p 工具箱的f f t 函数对电流进行f f t 分析，得到电力机车在不 同网压、级位和速度下注入牵引网的基波和各次谐波电流的幅值和相角，在此基 础上建立了s s l 型和s s 4 型电力机车的谐波电流数据库。文献【2 8 】对韶山6 型电力 机车进行了基于m a t l a b 软件的仿真研究，比较了电力机车恒速工作状态注入牵引 网的基波和各次谐波电流的幅值和含量。这些文献均对各段工作状态进行了分别 编程处理，忽略了段与段之间的换相过程。但是，对韶山4 b 型、韶山7 型、韶山 7 b 型、韶山7 c 型、韶山7 d 型、韶山7 e 型、韶山8 型、韶山9 型和韶山9 改进 型等车型目前尚未开展相关的研究工作。 我国曾经组织数次较大规模的电气化铁道谐波测试工作，主要是在牵引变电 站进行长时间的实地测量，通过对实测数据的处理，找出牵引变电站电流谐波的 分布规律。1 9 8 4 年铁道科学研究院机车车辆研究所在石板滩、养马河等牵引变电 所安装测量装置，得到了牵引负荷的功率因数和谐波特性，并以此为依据投入补 偿装置【2 6 j 。1 9 8 7 年，铁道科学研究院和原水利电力部联合推出了谐波计算程序， 该程序就是以测量结果为依据进行计算的。实测法需要投入大量的人力物力，周 期长，通用性也不太好。但是实测法仍然必不可少，它对仿真法具有重要的参考 3 北京交通大学硕十学位论文 价值，是验证模型准确度的标准。 对于新型交直交型电力机车和动车组，国外已进行了较为深入的研究1 3 卜础j 。 研究表明四象限变流器网侧谐波电流的分布规律主要与p w m 调制方法有关，由于 存在载波和调制波两种频率的信号，因此采用双边傅立叶变换进行分析较为方便。 双边傅立叶变换的实质是把与两个变量相关的函数从时域变换到频域【2 9 , 3 0 j 。文献 【3 1 】对介绍了两电平的四象限变流器的数字控制方法和仿真。文献【3 2 】分析了三电 平的四象限变流器的调制方法和网侧谐波电流分析。文献 3 3 、3 4 分析并比较了两 电平和三电平四象限变流器的网侧谐波电流分布规律。 对于交直交型电力机车和动车组谐波问题的研究在国内尚处于起步阶段。铁 道科学研究院、北京交通大学、西南交通大学等单位在国内较早开展了对交直交 型电力机车的研究，并利用各种仿真软件完成了机车模型的建立和仿真工作，但 都侧重于牵引传动系统的控制策略，与国外相比还存在很大差距，而对四象限变 流器谐波特性的研究则未作详细讨论。四象限变流器通常采用电压和电流双闭环 的控制策略，其中电流环是决定控制性能的关键。目前主要有幅相控制、滞环电 流控制、无差拍控制、谐振控制、智能控制等方法【3 3 1 。其中无差拍电流控制， 是一种基于系统离散模型的控制方法，具有跟踪快速、易于实现等优点，在交直 交型电力机车中得到了广泛应用【4 。但数字控制中同有的控制滞后、交流电流采 样通道低通滤波器造成的延迟等因素将影响四象限变流器电流环的性能，降低控 制器对电感参数的鲁棒性畔】。为此，文献 4 5 1 在下一个开关周期到来前的一小段时 间内进行采样和计算，以减小控制上的延时，但是这种方法的效果受到程序执行 时间的影响，而且当开关频率较高时电流的采样值存在较大误差。文献【4 6 】采用了 超前。拍的控制方法对电网电流进行提前。4 个开关周期的预测，其实质是开环的 电流观测器，预测误差不收敛。采用闭环状态观测器可提高电流预测的精度【4 ， 但死区、网压误差等扰动仍对其有较大影响，导致电流波形畸变。重复控制是一 种有效的波形校正技术，可以消除周期性扰动的影响，在逆变器、有源滤波器等 领域得到成功应用【4 7 。5 2 】。由于交直交型电力机车和动车组在国内尚属新牛事物， 因此目前对交直交型电力机车仿真建模和谐波分析工作大多局限于理论分析【5 孓6 1 j ， 很少有针对实际车型的研究工作。 综上所述，对电力机车网侧谐波电流的建模和仿真的研究还缺乏系统性。对 于相控整流的交直型电力机车，尚未完成对国内现有车型的梳理及仿真研究工作， 现有仿真模型中对影响电能质量特征的因素也考虑得尚不够全面。而针对交直交 型电力机车和动车组，大部分具体车型的仿真分析工作几乎是空白。随着我国交 直交型电力机车和动车组的大规模运行，这方面的研究亟待开展。本文将建立能 够分析各种车型网侧谐波电流的仿真模型，尽可能准确系统地分析我国现有的和 4 绪论 即将运行的电力机车和动车组的谐波特征。 1 3 研究内容 本文将围绕电力机车和动车组的谐波特性问题进行研究，分别完成交直型电 力机车、交直交型电力机车和动车组网侧谐波电流的理论及仿真技术支撑研究， 包括如下几个方面： ( 1 ) 交直型电力机车的原理分析与建模 我国目前运行的主力车型是交直型电力机车，主要包括韶山系列国产机车和 进口的8 k 等车型。其传动系统的主电路为“交一直”型，即整流器加直流牵引电机。 除早期车型采用多级变压器外，大多数机车均为多段桥式相控整流，牵引电机为 串励或复励直流电机。本文将研究现有交直型电力机车的主电路和牵引控制系统， 建立整流电路各工作状态下的模型。 采用m a t l a b s i m u l i n k 软件，建立交直型电力机车的仿真平台，利用实际机车 参数，创建现有各种车型的整流电路、直流电机和牵引控制系统的仿真模型；通 过仿真分析各种工况下不同车型的的谐波特性。 ( 2 ) 交直交型电力机车的原理分析与建模 我国的高速铁路和重载铁路专线，将大量采用新型的交直交型电力机车和动 车组，其传动系统的主电路为“交直交”型，即整流器+ 逆变器+ 交流异步牵引电机。 其中整流器均为四象限p w m 整流器，其谐波特性与交直型电力机车的相控整流有 着本质区别。本文将研究我国现有的几种交直交型电力机车和动车组的主电路和 牵引控制系统：推导四象限p w m 整流器的数学模型；分析两电平、三电平和并联 二重化的两电平四象限p w m 整流器的谐波分布规律。 与交直型电力机车类似，本文采用m a t l a b s i m u l i n k 软件，利用调研的实际参 数，建立了交直交型电力机车和动车组整流电路的仿真模型，分析网侧电流的谐 波特性。 ( 3 ) 典型车型谐波特征的实测研究 本文选择了几种具有代表性的电力机车及动车组车型，进行了车上牵引变压 器一次侧电流的实际测量，记录了各种运行工况下网侧电流的谐波特征，并与仿 真数据进行了对比。 ( 4 ) 电力机车和动车组网侧谐波电流分析软件 预计开发一套电力机车和动车组网侧谐波电流的分析软件。内置国内现有大 部分车型的整流主电路仿真模型，根据牵引计算所得的机车运行状态，可仿真计 算电力机车和动车组网侧电流谐波特性。 北京交通大学硕十学位论文 2 交直型电力机车数学建模与仿真 2 1 交直型电力机车分类 早在1 9 1 4 年，中国就使用了电力机车一抚顺煤矿使用的1 5 0 0 v 交直型电力 机车。1 9 5 8 年中国成功地生产出第一台电力机车，从采用引燃管整流器到硅整流 器，机车性能不断改进和提高，到1 9 7 6 年研制成韶山l 型( 以下简称s s ，型) 1 3 1 号时已基本定型。截止到1 9 8 9 年停止生产，s s ，型电力机车总共制造了9 2 6 台，成 为中国电气化铁路干线的首批主型机车。1 9 7 8 年研制成功的s s 3 型( 以下简称s s 。 型) 机车，不仅改善了牵引性能，还把机车的小时功率从4 2 0 0 k w 提高到4 8 0 0 k w ， 截止到1 9 9 7 年底，共生产了9 8 7 台，成为中国第二种主型电力机车。1 9 8 5 年研制 成功了韶山4 型( 以下简称s s 。型) 8 轴货运电力机车，它是国产电力机车中功率 最大的一种，轴输出功率6 4 0 0 k w ，已成为中国重载货运的主型机车。以后又陆续 研制成功了韶山5 型( 以下简称s s 。型) 、韶山6 型( 以下简称s s 。型) 、韶山7 型 ( 以下简称s s ，型) 电力机车，1 9 9 4 年还研制成功了时速为1 6 0k m 的准高速四轴 电力机车。至此，中国干线电力机车已基本形成了4 ，6 ，8 轴和3 2 0 0 k w 、4 8 0 0 k w 和6 4 0 0 k w 功率系列主型电力机车。 早期以s s 。为代表的仅有调压开关控制的电力机车损耗较大，所以后来的直流 电力机车都采用相控调压。而传统相控调压电路的功率因数比较低，因此直流电 力机车多采用多段桥结构，通过提高段数来改善功率因数。以s s 。型电力机车为代 表的不等分三段桥的功率因数虽然低于s s 。型电力机车的经济四段桥，但是由于它 避免了负载转换这一过程，所以可靠性高，应用比较广泛。 按照电力机车主电路及控制原理，我国现有的交直型电力机车主要可以分为 以下五类： 1 ) 以s s 。为代表的不等分三段桥控制，包括s s 佃、s s 印、s s 。、s s 。、s s 。、s s 吣 s s 7 d 、s s 7 e 等电力机车； 2 ) 以s s 。为代表的经济四段桥控制电力机车； 3 )以8 k 为代表的一段半控桥和一段全控桥控制，包括s s ，、s s ，。、s s ，。等电 力机车； 4 ) 调压开关和晶闸管相控相结合的多段桥控制的s s 。型电力机车； 5 ) 调压开关控制的s s 。型电力机车。 本文对以上各种车型都进行了仿真建模，以下将以s s 、s s 。、8 k 、s s 。、s s 。 五种具有代表性的电力机车为例进行介绍，其余车型只需替换相关参数即可吨3 。 6 交直犁电力机车数学建模与仿真 2 2 s s 4 g 型电力机车模型与仿真 2 2 1s s 4 g 型电力机车主电路 韶山4 改进型电力机车( 以下简称s s 4 g 型电力机车) 主电路采用大功率晶闸管与 二极管组成的不对称经济半控桥式整流电路( 不等分三绕组，三段半控桥式整流调 压电路) 。机车传动采用传统的直流传动方式，牵引电机为串励脉流牵引电动机。 机车基本特性和参数参见文献【5 】，主电路如下图2 1 所示。 一 2 r 口l zzs ，么s r ， d i 6 ， c 再1 口2 zs d 2 2 ， ， 互瓦 ， 卜 i 、 _ 。, - x 2 l7q s 瓦 l i 产 2s 皿z瓦 图2 - 1s s 4 g 型电力机车主电路 f i g 2 1m a i n c i r c u i to fs s 4 ge l e c t r i c a ll o c o m o t i v e 图2 1 中，每一组整流器组成一独立体，由两段不对称桥组成。其中桥l 为六臂 桥，由两支路四臂晶闸管正，互与五，瓦及一支路两臂二极管d l ，砬组成，由牵引绕 组a ，x 。供电；桥2 为普通四臂桥，由晶闸管瓦，t 6 及二极管d 3 ，d 4 组成，由牵引绕组 恐供电。从结构上看，主整流器由不等分三绕组供电，即q 岛，6 l 毛和口2 j c 2 绕组。 三个绕组的空载额定电压分别为3 4 7 7 v 、3 4 7 7 v 与6 9 5 4 v ，即成1 4 、l 4 和1 2 的三 段不等分比例。如表2 1 所示三段桥的工作情况为： 表2 1s s 4 g 型电力机车移相晶闸管导通顺序表 t a b 2 一lt h y r i s t o rt u r n o np h a s e s h i f t i n go r d e ro fs s 4 ge l e c t r i c a ll o c o m o t i v e 一段桥 一毋矫= 殷桥 口1 6 l 封锁移相调节 满开放 包而 封锁 封锁 移相调节 a 2 x 2 移相调节满开放满开放 整流电压 ( 0 1 2 ) u 2 ( 1 2 3 4 ) u 2( 3 4 1 ) u 2 晶闸管 封锁石正互瓦，瓦瓦移相互瓦满开放，互互移相互乃正瓦满开放，五五移相 7 北京交通大学硕士学位论文 在计算机仿真中，牵引计算程序将给出机车车速v 和受电弓处的取屯功率日。 本节的重点是利用牵引计算的结果求取机车整流主电路的稳态工作点，即牵引电 机的反电势和整流桥触发角口的大小。 ( 1 ) 反电势的计算 电力机车或动车组的标称功率通常指轮轴输出功率或所有牵引电动机额定功 率之和。电能从受电弓到轮周，中间经过了列车牵引变压器、整变流器( 和逆变 器) 、电动机、齿轮传动等环节传递到列车轮周，同时，还要向列车空调、照明、 控制设备等提供能量。通常高速列车内部的功率流如图2 - 2 所示。其中，鼻为受 电弓处的取电功率，p 为机车轮轴功率。 p i r 孓1 - 弋- 一 百孓- 叫 1 动机、传动装置 受电弓牵引变压 辅助功率 整藉麓霄 逆霸麓置 损耗损耗 处输入器损耗 尸 图2 2 列车的功率流图 f i g 2 - 2p o w e rf l o wo f t h et r a i n 首先根据受电弓处的取电功率只求得机车轮轴功率尸。机车轮轴功率p 与 受电弓处的取电功率置可以用下式表示： 尸= 丑7 7 b 仇境编编仇= 毋7 ( 2 1 ) 式中，r 。为牵引变压器效率，r e 为辅助变流器效率，仇为整流装置效率，仉为 逆变器效率，r k 为电动机效率，r o 为齿轮传动效率，r 为列车的综合效率，一般取 0 8 5 。 由机车轮轴功率尸和机车速度，根据公式( 2 2 ) 可求得机车轮周牵引力f 的 大小。 f ：3 6 p ( 2 2 ) = 一 iz - z l v f 为机车轮周牵引力( 单位：k n ) ，p 为机车轮轴功率( 单位：k w ) ，1 ， 为机车速度( 单位：k m h ) 。 根据机车牵引特性曲线f l 可确定电枢电流l 的值，图2 3 为s s 4 g 的牵引特 性图( 图中表示磁场削弱系数) ，由图可知电枢电流与牵引力是一一对应的。 8 交直型电力机车数学建模与仿真 “ 止一 ! b ， 一 ! v j l i 19 x r “广一7。 u “矿j ， 。7 i ，钐 _ _ - 7彭筝 = 0 9 7 ( 网压 - o 9 8 ( 网压 = 0 9 8 ( 2 2 5 l o 额定功率时，功低于2 7 5 k v )低于2 7 5 k v ) 2 7 5 k v ) 率因数 额定网压下，在牵引之0 8 5芝o 8 50 8 5 时发挥持续额定功率 时，机车总效率 额定牵引功率 9 6 0 0 k w1 0 0 0 0 k w7 2 0 0 k w 最大起动牵引力 7 6 0 l 洲7 6 0 k n 5 2 0 k n ( 2 3 t 轴重 5 7 0k n ( 2 5 t 轴重) 持续牵引力4 9 4 k n ( 2 3 t 轴重5 1 4 k n ( 2 3 t 轴重) 5 1 4 k n ( 2 3 t 轴重 5 3 2k n ( 2 5 t 轴重)5 5 4k n ( 2 5 t 轴重)5 5 4k n ( 2 5 t 轴重) 额定速度7 0k m h ( 2 3 t 轴重)7 0 k m h ( 2 3 t 轴重)7 0 k m h ( 2 3 t 轴重) 6 5k m h ( 2 5 t 轴重)6 5k m h ( 2 5 t 轴重) 6 5k m h ( 2 5 t 轴重) 最大速度 1 2 0k m h 1 2 0k m h1 2 0k m h 电制动功率 9 6 0 0 k w1 0 0 0 0 k w7 2 0 0 k w 最大电制动力 4 6 1 k n4 6 1 l 斟 3 7 0 k n ( 2 3 t 轴重 4 0 0k n ( 2 5 t 轴重) 最大电制动力速度5 7 5k m h 5 7 5k m h5 7 5k m h 电制动恒功率速度7 5 1 2 0k m h7 5 1 2 0k m h7 5 1 2 0k m h 2 7 北京交通大学硕七学位论文 3 1 2动车组简介 目前，我国时速2 0 0 公里的动车组分别由有四方股份、长客股份、唐山厂及 b s p 公司制造生产，其总体技术条件基本一致，但在个别之处仍存在一定差异。 我国动车组主要数据的对比见表3 2 ，数据来源见文献 7 4 , 7 5 】：。 表3 - 2 我国动车组主要数据对比 t a b 3 2m a i np a r a m e t e r sc o m p a r i s o no fe l e c t r i c a lm u l t i p l eu n i t si nc h i n a c r h lc r h 2c r h 3c r h 5 适合城际 适合长途座高速座车适合改卧铺 车 国内厂家 b s p 四方唐山+ 长春长春 国外技术提供方加拿大日本德国法国 庞巴迪川i 崎重工西门子阿尔斯通 原型号 瑞典a b新干线德国芬兰国铁 的r e g i n a e 2 1 0 0 0i c e 一3 s m 3 型 编组型式8 辆8 辆8 辆8 辆 动力配置 2 ( 2 m + l t ) + 4 m + 4 t 2 ( 2 m + 1t ) +( 3 m + l t ) + ( 2 m ( 1 m + 1 t ) 2 t+ 2 t 、 编组重景( t ) 4 2 0 43 5 9 73 8 04 5 1 编组长度( m ) 2 1 3 52 0 1 42 0 02 1 1 5 总牵引功率( k w ) 5 5 0 04 8 0 08 0 0 05 5 0 0 动轴数 2 01 61 61 0 单电机功率( k w ) 2 7 53 0 05 0 05 5 0 吨均功率( k w t ) 1 3 0 83 3 42 1 0 51 2 1 9 运营速度( k r n 1 1 ) 2 0 02 0 03 3 02 0 0 试验速度( k m h ) 2 5 02 5 03 8 02 5 0 ( 1 ) c r h l 型动车组 该动车组有8 辆车组成，其中5 辆动车3 辆拖车；首尾车辆设有司机室，可 双向驾驶。每辆车下有空调机组、制动控制装置。在动车下有牵引变流器，在拖 车下有牵引变压器。 c r h l 型动车组的牵引系统主要有受电弓、牵引变压器、牵引变流器及牵引电 机组成。图3 1 为c r h l 型动车组牵引系统工作原理图。受电弓通过电网接入2 5 k v 的高压交流电，输送给牵引变压器，降压成1 8 6 0 v 的交流电。降压后的交流电再 输入牵引变流器，通过一系列的处理，变成电压和频率均可控制的三相交流电， 输送给牵引电机牵引整个列车。动车组有三个相对独立的主牵引系统，其中两个 单元由两辆动车和一辆拖车组成，另一个单元有一辆动车和一辆拖车组成，正常 情况下，三个牵引系统均工作，当一个牵引系统发生故障时，可以自动切断故障 源继续运行。 交直交型电力机车和动车组数学建模与仿真 图3 - 1c r h l 型动车组主牵引系统工作原理图 f i g ，3 1p r i n c i p l ed i a g r a mo f c r h le m u sm a i nt r a c t i o ns y s t e m ( 2 ) c r h 2 型动车组 c r h 2 型动车组以日本e 2 1 0 0 0 型动车组为原型车，通过全面引进设计制造技 术，有四方股份公司在国内制造生产。该动车组由8 辆车组成，其中4 辆动车4 辆拖车；首尾车辆设有司机室，可以双向驾驶。 c r h 2 型动车组是由两个动力单元组成的4 动4 拖动力分散型电动车组( 该编 组为时速2 0 0 公里动车组，6 动2 拖编组情况下，时速可达3 0 0 公里) 。图3 2 所示 为c i m 2 型动车组主牵引系统电路图。 图3 - 2c r h 2 主牵引系统工作原理图 f i g 3 - 2p r i n c i p l ed i a g r a mo fc r h 2e m u sm a i n t r a c t i o ns y s t e m 每个动力单元包括1 台牵引变压器、2 台牵引变流器和8 台牵引电机，其中 每台牵引变流器驱动一辆动车上的四个牵引电机。主电路系统以m 1 、m 2 两辆车 为一个单元。受电弓从接触网2 5 k v 、5 0 h z 单相交流电源受电，通过主断路器v c b 连接到牵引变压器一次侧绕组上。主电路开闭由v c b 控制。牵引变压器牵引绕组 北京交通大学硕士学位论文 设两组，一次侧绕组电压2 5 k v 时，牵引绕组电压1 5 0 0 v 。牵引变流器在m 1 车、 m 2 车上分别装载脉冲整流器、逆变器各l 台，运行时除实施牵引电机电力供应 和制动时的再生制动外，还具备保护功能。牵引电机采用三相鼠笼式感应电机， 其轴端设置速度传感器。 ( 3 ) c r h 5 型动车组 c r h 5 型动车组，引进自法国阿尔斯通的高速列车车款。该车型采用动力分布 式设计，以同厂的p e n d o l i n o 宽体摆式列车为基础，但不装设摆式功能；车体以芬 兰铁路的s m 3 动车组为原型，营运速度为2 0 0 公里以上，为数6 0 组，每组8 节。 c r h 5 型动车组的牵引系统主要由受电弓、主断路器、牵引变压器、牵引变流器及 牵引电机组成。受电弓通过电网接入2 5 k v 的高压交流电，输送给牵引变压器，降 压成1 7 7 0 v 的交流电。降压后的交流电再输入牵引变流器，逆变成电压和频率均 可控制的三相交流电，输送给牵引电机牵引整个列车。动车组有两个相对独立的 主牵引系统，一个单元是三辆动车和一辆拖车组成一个动力单元，另一个单元是 两辆动车和两辆拖车组成一个动力单元。正常情况下，两个牵引系统均工作，当 一个牵引系统发生故障时，可以自动切断故障源，继续运行。 c r h 5 型动车组的牵引主电路结构为一个主变压器带六组副边，分别为六组四 象限变流器供电( 并联二重化) ，每辆动车上由两组并联；之后接两组牵引逆变器， 各自带一个电机，如图3 3 所示。能量储放由变压器漏感完成。 图3 3c r h 5 动车组主牵引系统工作原理图 f i g 3 3p r i n c i p l ed i a g r a mo fc r h 5e m u sm a i nt r a c t i o ns y s t e m 由于c r h 3 动车组刚刚投入运行，因此其技术参数不详。上述车型中的牵引 电机皆为交流电机，牵引系统从电网中引入单相交流电，经过四象限p w m 整流器， 变为稳定的直流，再经逆变成三相交流电，供给牵引电机。 从上述图3 1 、3 2 、3 3 不难发现，虽然车型不一，但其采用的整流器都是四 交直交颦电力机车和动乍组数学建模与仿真 象限p w m 整流器。c r h l 动车组采用两电平四象限整流器，c r h 2 动车组采用三 电平四象限整流器，c r h 5 动车组采用经并联二重化的两电平p w m 整流器。对不 同的整流器进行分析，就能推断出整个动车组对电网谐波的影响。 3 2 单相四象限变流器控制原理 交直交型电力机车，整流部分为四象限p w m 整流器，具有高功率因数、低 谐波含量、能量可以双向流动等优点。 p w m 控制技术的理论依据是冲量等效原理( 大小、波形不相同的窄脉冲变量 作用于惯性系统时，只要它们的冲量即变量对时间的积分相等，其作用效果基本 相同) 。当使多脉冲的矩形脉冲电压宽度按正弦规律变化时，输出电压中除基波外 仅含某些高次谐波，而消除了许多低次谐波，并且开关频率越高，脉冲波数越多， 就能消除更多的低次谐波。采用p w m 控制的变流器能实现变流器的四象限运行， 也叫四象限脉冲变流器，它能够实现整流和逆变两方面功能 4 3 - 4 7 】。动车组整流主 电路采用的是单相全桥电压型变流器。针对于不同的电路拓扑结构，既有两电平 的p w m 控制，也有三电平的p w m 控制。 3 2 1p w m 调制 p w m ( p u l s e w i d t h m o d u l a t e d ) 即脉冲宽度调制。根据冲量等效原理可知，大小、 波形不同的两个窄脉冲电压作用于l 、r 电路时，只要两个窄脉冲电压的冲量相等， 则它们所形成的电流相应就相同。这也即p w m 控制技术的理论依据。把一个正弦 半波波形分成n 个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些波形宽度相等，都等于f f j n ； 但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线