电力机车负荷特性仿真

山西农业大学工程技术学院毕业论文目 录1 绪论11.1 概述11.2 电力机车分析11.3 SS8型电力机车21.4 SS8型电力机车负荷构成32 MATLAB相关理论分析42.1 初步认识MATLAB42.2 MATLAB的特点42.3 MATLAB的重要部件43 电力机车牵引系统的分析53.1 牵引电机数学描述53.2 牵引电机暂态负荷特性及其辨识74 仿真模型的建立94.1 主变的仿真模型94.2 牵引主电路的仿真模型104.3 辅助与采暖回路的仿真模型134.4 整车模型的建立154.5 分析与讨论155 结论18参考文献19致谢20附录21电力机车负荷特性仿真1 绪论1.1 概述近年来我国电气化铁道发展很快，铁路电气化率接近30，并承担铁路总运量的50以上，电气化铁路牵引负荷在电力负荷中所占的比重也越来越高，给国民经济带来了巨大的经济效益。但是电气化铁道从电网取得工频能量的同时，向电网注入了大量的高次谐波电流，降低了供电质量，影响了继电保护的正确动作和电气量测量的精度，威胁牵引变电所的安全运行及电网中其他用电设备正常工作。对电力系统的安全、稳定、经济运行及主设备的安全运行造成重大影响。为了从根本上抑制电力牵引负荷谐波带来的影响，削弱谐波对牵引供电系统主元件、保护测控装置和其他用户电子设备的影响，有必要研究电气化铁道牵引谐波产生机理，确定馈线电流谐波的含量与分布状况。论文根据型电力机车，运用电路、电磁场和电力电子学理论研究了交直型电力机车相控整流时谐波的产生机理、励磁涌流的电磁过程。为了研究牵引负荷谐波状况，论文建立了牵引供电网络电力机车系统的数学模型，并在此基础上运用MATLAB/Simulink构建了牵引供电机车系统几种典型工况下的仿真模型。1.2 电力机车分析 目前， 我国电气化铁路发展迅速， 电气化铁路牵引负荷在电力负荷中所占的比重也越来越高。作为牵引供电系统负荷最主要组成部分的电力机车是一种大功率整流负荷， 其产生的谐波电流与负序电流对电力系统的安全、稳定、经济运行及主设备的安全运行造成重大影响。 因此， 迫切要求对电力机车的负荷特性进行研究，制定相应的措施， 以期降低对电力系统的影响程度， 保证对电力用户的可靠供电。电力机车本身不带原动机，靠接受接触网送来的电流作为能源，由牵引电动机驱动机车的车轮。电力机车具有功率大、热效率高、速度快、过载能力强和运行可靠等主要优点，而且不污染环境，特别适用于运输繁忙的铁路干线和隧道多，坡度大的山区铁路。电力机车是从接触网上获取电能的，接触网供给电力机车的电流有直流和交流两种。由于电流制不同，所用的电力机车也不一样，基本上可以分为直直流电力机车、交直流电力机车、交直交流电力机车三类。交直流电力机车在交流制中，目前世界上大多数国家都采用工频（50Hz）交流制，或25Hz低频交流制。在这种供电制下，牵引变电所将三相交流电改变成25 kV工业频率单相交流串励电动机，把交流电变成直流电的任务在机车上完成。由于接触网电压比直流制时提高了很多，接触导线的直径可以相对减小，减少了有色金属的消耗和建设投资。因此，工频交流制得到了广泛采用，世界上绝大多数电力机车都是交直流电力机车，我们选择的SS8型电力机车也是交直流电力机车。1.3 SS8型电力机车SS8型电力机车是用于准高速干线客运的交直传动相控电力机车。它是 八五期间国家重点科技攻关项目，由株机厂和株洲所共同研制。原设计用于广深线准高速铁路，现已用于我国主要干线电气化铁路快速客运。SS8型电力机车1998年6月24日在京广线的许昌至小商桥区间创造了240km/h的中国铁路高速纪录。SS8型电力机车对推动我国客运准高速及高速机车的发展具有重要意义。我们通过建立牵引电机等效电路的数学模型对直流电机本身特性研究，进而分析供电电压的变化对其输出特性的影响情况。本文以研究牵引电机的负荷特性为出发点，建立了串联牵引电机电枢电路的微分方程模型，利用系统辨识理论和参数优化方法，对牵引电机负荷的模型参数进行辨识，系统研究了当供电电压发生变化时牵引电机的负荷特性及其机械特性。由PWM供电时直流电动机的暂态特性， 通过数值计算和试验证明，供电时直流电机暂态过程的特性微分方程依然由电磁时间常数和机电时间常数决定。根据直流电机的等效电路图， 推导了并励直流发电机的外特性方程， 并通过特性方程定性分析了电机的外特性曲线。通过机理分析风机的运行特性及工作原理， 提出采用直流电机的输出特性模拟风机的输出功率曲线的方法和思路，仿真结果也验证了该方法的可行性。这是对直流电机本身机械特性的研究，研究方法均是通过建立牵引电机等效电路的数学模型，进而分析供电电压的变化对其输出特性的影响情况，关注较多的则是直流电机的机械特性，而对直流电机的负荷特性则研究较少。本文以研究牵引电机的负荷特性为出发点，建立了串励牵引电机电枢电路的微分方程模型， 利用系统辨识理论和参数优化方法，对牵引电机负荷的模型参数进行辨识，系统研究了当供电电压发生变化时牵引电机的负荷特性及其机械特性。1.4 SS8型电力机车负荷构成目前用于国内电气化铁路牵引的主流电力机车为SS8系列以及和谐号动车组，主要干线电气化铁路牵引一般为SS8系列电力机车，因此本文以典型的SS8型电力机车为例，主要介绍电力机车牵引电机的机械和负荷特性。SS8型电力机车主要负荷构成及比重如图1所示 。电力机车辅助电路牵引电路列车供电异步电机牵引电机空调加热照明设备15%78%7%图l 8型机车负荷构成由图1可知，SS8型电力机车负荷主要由牵引电路构成，故本文仿真模型暂只考虑该电路负荷特性，其主要用电设备为牵引电机及向牵引电机供电的整流器。由于整流器内阻小，且牵引电机的机械特性和负荷特性由整流器的外特性决定，因此本文对整流器的内部结构不做详细论述。2 MATLAB相关理论分析2.1 初步认识MATLABMATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C+，JAVA的支持。可以直接调用，用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。2.2 MATLAB的特点MATLAB具有其他语言不具备的特点：（1）在MATLAB中，以复数矩阵作为基本编程单元，使矩阵操作变得轻而易举（2）MATLAB语句书写简单，容易被人们接受（3）MATLAB语句功能强大（4）MATLAB系统具有丰富的图形功能（5）MATLAB提供了许多面向应用问题求解的工具箱函数，从而大大方便了各个领域科研人员的使用（6）MATLAB的易扩展型是最重要的特性之一。2.3 MATLAB的重要部件 MATLAB系统提供了两个重要部件：Simulink和Toolboxes，它们在系统和用户编程中占据着重要地位。Simulink是MATLAB附带的软件，它是对非线性动态系统进行仿真的交互式系统。在Simulink交互式系统中，可利用直观的方框图构建动态系统，然后采用动态仿真的方法得到结果。针对各个应用领域中的问题，MATLAB提供了许多实用函数，称为工具箱函数。MATLAB之所以能得到广泛应用，源于MATLAB众多的工具箱函数给各个领域的应用人员带来方便。3 电力机车牵引系统的分析3.1 牵引电机数学描述 牵引电机的工作原理与普通直流电机相同，但由于其工作于脉动电流下，因此也称为脉流牵引电机，电流的脉动程度通常用式(1)形式的脉动系数表示。 (1)电枢电流的脉动使得牵引电机的物理特性和运行特性与普通直流电机又不近相同，分别体现在电机换向难度的加大和输出特性的波动较大。电力机车的运输能力及牵引特性主要由牵引电机的转矩特性以及速率特性所决定。为了使电力机车具有良好的调速和工作性能，牵引电机通常采用串励方式，此时，由于直流电机通常运行于磁场的非饱和区域，因此可将其磁通表示为=。稳态运行时，串励牵引电机电枢电路的电压方程可写为 (2) 式中：U、分别为牵引电机端电压和电枢电流；为励磁电流；、分别为牵引电机电势常数和励磁系数；n、R分别为电机转速和电枢电路总电阻；、分别为励磁绕组和电枢绕组电阻。由欧姆定律，式可写为 (3) 为稳态运行时牵引电机电枢电路等效电阻，即当牵引电机位于某一稳态运行点时，其特性可以用阻抗描述，阻抗的大小由电机本身结构特性和稳态转速决定。当牵引电路整流器工作于稳定状态下，其输出电压平均值基本稳定，由上述各式可得电机的转矩特性和转速特性分别如式(4)和式(5)所示。 (4) (5)式中：为直流电机转矩系数。在单相半控整流桥供电下的串励直流电机电枢电流仿真图如图2所示，可以看出，直流电机在电流脉动的运行条件下依然具有较高的启动电流，且当启动过程结束后，电枢电流基本趋于稳定。从图2可以明显看到电枢电流的波动情况；图3所示为相应的电磁转矩仿真图，由脉动电流所决定的输出电磁转矩也呈现出如图3所示的脉动特性。 图2 脉流电机电枢电流仿真图 图3 脉流电机电磁转矩仿真图 为了更好地说明直流电机在电枢电流脉动和无脉动情况下的工作特性，本文分别对此2种工况进行了仿真，仿真结果分别如图4、图5所示。可以看出，由于牵引电机为串励电机，在任一种电流制下其转矩一转速特性均较软。当电枢电流脉动时，该特性也呈现出一定的波动性。由图4可知，脉动不利于直流电机的稳定运行。 电磁转矩/kNm 电磁转矩/MNm 图4 直流电机的转速-转矩特性 图5 脉流电机的转速-转矩特性通过比较图4和图5的特性可知：在直流电机电气参数及机械负载相同的情况下，电枢电流的脉动造成电机最大转速和稳态转速均较无脉动时有较大幅度的下降，从而可以认为：电枢电流的脉动使得直流电机的整体运行性能下降，下降的程度与电流脉动造成的电路谐波成分增加进而引起电机附加损耗和温升的增加有关，若要在电流脉动的条件下使电机仍具有较好的性能，则需要在电机的设计中对相关量留有足够的裕度。3.2 牵引电机暂态负荷特性及其辨识电力机车的牵引力和速度直接影响区段的通过能力和运输量，牵引电机的运行工况由铁路供电系统的运行方式所决定，因此对牵引网的电压水平也有一定的要求。由于受到电力系统短路容量及其运行方式和牵引供电系统供电方式的影响，加之牵引负荷的功率因数低、不对称、非线性和冲击性等特点，使得牵引网的电压的波动较大。电压的波动直接影响到牵引电机性能的发挥，因此，有必要研究牵引电机在电压波动条件下的牵引特性。暂态运行时，牵引电机的动态特性与其机械特性密切相关，其动态特性可用式(6)形式的微分方程描述 （6） 式中：为牵引电路总电感；为电机转动惯量；为磁通；、分别为牵引电机电磁转矩和负载转矩；为牵引电机角速度。其他相关参数含义同上所述。将式(6)化简即可得到本文用于参数辨识的牵引电机的状态方程模型： (7)电流的脉动使得电机输出转速持续波动。即使作为输入的端电压未发生改变，但输出转速已经变化，这与系统辨识理论是相悖的。为了解决这一矛盾，并且考虑到转速的波动亦可反映为机械负载的波动，本文将上述微分方程改造为如下形式： (8) 即利用替代了式(7)中的，从而将由转速的波动而引起的输出转矩改变等效为机械负载的改变。后面的仿真和辨识过程也验证了该等效方法的合理性。根据系统辨识理论，模型的独立待辨识参数向量为，独立待辨识参数向量的最终辨识值与设置的初始值和采用参数优化算法有关，由此也将模型参数称为广义的模型参数。本文参数辨识算法采用模式搜索法。用于参数辨识的数据样本用于仿真模型，模型的输入参数向量为(k=1，2，k，N ),N为辨识样本的数据点数。为了辨识算法的方便，本文直接将状态量作为输出量，即输出向量为 。具体的模型参数辨识步骤如下：由样本实测初值、和模型的稳态方程即可确定2个非独立参数和的表达式如式(9)，再结合独立待辨识参数、，初值即可确定和的初值。模型的状态变量初始值可由稳态时的状态方程(8)求解得到。采用四阶龙格库塔法求解模型的状态方程(8)，得到状态变量序列，；， ，以此作为模型的响应。 (9)4 仿真模型的建立4.1 主变的仿真模型 SS8型电力机车主变为TQB9581625型一体化变压器，其接线原理如图6（另见附录1）所示。其中Ax为主变一次绕组，额定电压为接触网电压25 kV，主变二次侧总共有8个绕组，其中alb1x1和a2x2，a3b3x3和a4x4分别为两组牵引绕组，其额定电压686.8V，a5一x5为牵引电机励磁绕组，额定电压91.6V，a6一b6一x6为辅助电路供电绕组，额定电压389V，a7一x7和a8一x8为两组采暖绕组，额定电压均为870 V。 图6 SS8型电力机车主变接线原理图按照机车主变一、二次绕组之间的连接关系和电压变换关系，利用PSB子模块库中的LinearTransformer模块搭建的SS8型电力机车主变仿真模型如图7所示 图7 SS8型电力机车主变仿真模型图由于机车主变二次侧绕组数目较多，因此在主变仿真子模块中采用了7个Linear Transformer模块。将以上各模块一次绕组并联，构成机车主变高压侧；-次绕组作为机车主变各输出绕组，按照机车主变电压变换关系设置参数即可生成主变仿真子模块。由于机车牵引绕组为三段式整流，其二次绕组alb1一xl，a3一b3一x3均有中间抽头，通过将三绕组变压器二次侧绕组异名端连接即可满足此要求。仿真模块中的Outl和Inl元件是为了方便在搭建整车仿真模型时将该部分整体生成一个子模块而引入的，以下各仿真子模块中的该元件均按此法处理。图8所示为机车主变模块仿真结果图。由图可以看出各绕组电压变换关系符合参数设置，满足机车主变各绕组的电压要求。 图8 主变子模块输出电压仿真图4.2 牵引主电路的仿真模型图9所示（,另见附录2）为一组整流桥供电时的牵引主电路结构图，包括一组整流桥及其供电的一台转向架。其中，为平波电抗器，用来抑制整流电路中的谐波电流分量，以改善牵引电机的换向。M代表牵引电动机电枢绕组，励磁绕组如图9中，机车正常运行时的励磁方式为串励。制动时各励磁绕组串联并串入制动电阻，由主变励磁绕组提供反向励磁电流，从而增大机车制动力为了减小牵引回路中交流电流的图9 SS8型电力机车牵引主电路原理图含量以改善电机换向和减少主极交变磁通，在牵引回路主极绕组中并联了固定分路电阻，。本仿真模块中将整流电路和牵引电机回路分别建模，从而可以在仿真过程中根据机车不同运行工况单独改变牵引电路和整流电路的工作方式，减少了由于模块之间的不独立而产生的误操作；也为机车进行制动时改变励磁方式提供了方便。图9中通过控制晶闸管一的导通状态可以使整流电路工作于4段不同的状态。在任何一种工作状态下，都可以通过改变晶闸管的导通角的大小来使整流电路输出的电压幅值变化，进而将机车控制于不同的运行工况。SS8型电力机车的特性控制函数为 (10)式中为机车级位，取值为018；为机车速度；为牵引电动机电枢电流。机车运行电流随速度和级位n变化，电流取上述式中的最小值，单位为A(安培)。 由于牵引控制系统通过速度和级位决定了牵引电机的电枢电流大小，根据式(11)，牵引回路的电压方程即可确定整流电路输出的直流电压： (11)式中为电枢电阻；为牵引回路杂散电阻；为牵引电机常数；多为主极磁通；为牵引电机转速。 若电机工作于串励方式且磁场非饱和时，式(11)可写为 (12)式中为励磁常数，与牵引电机励磁材料有关。依据整流电路工作原理即可确定整流桥的工作状态，进而可以确定晶闸管的触发角.本文以机车主变二次侧绕组al一bl一x1供电时即整流电压区间在为例，其导通角可由式(13)确定。 (13)式中为绕组alxl折算到二次侧的漏电抗；为主变二次绕组blxl的电压为了能够实现在同一仿真模块中对整流电路4段工作方式进行仿真，本仿真子模块中对整流电路中晶闸管的控制方式依照以下原则进行：若要使晶闸管在仿真时间段内截止，只需设置该晶闸管的触发脉冲幅值(Amplitude)为零；若要使晶闸管在仿真时间段内开放，只需将该晶闸管的触发脉冲周期设置为大于仿真时间；其余工作状态触发脉冲的移相角的大小均按照式(13)来设定。 牵引电机是电力机车内部的主要负荷，占机车整车负荷的比重约为80。因此牵引电机仿真模型的正确与否对建立整车仿真模型有较大影响。考虑到对于电力系统来说，关注的是电力机车的整车负荷特性及其对电网的影响，因此通过合适的负荷模型来描述电力机车的负荷特性是仿真分析的主要任务。由于牵引电机是串励直流电机，其负荷特性与普通的直流电机相似，本文在仿真中用Matlab中自带的直流电机模块(DC Motor)来模拟牵引电机，以提高仿真效率，该电机元件可以方便实现串励或并励两种励磁方式，从而满足牵引电机在牵引和制动不同工况下变换电枢和励磁绕组连接方式的需要。由于直流电机在启动过程中要求有较大的启动转矩和较小的启动电流，而启动电流由整流电路输出电压决定，对三段桥相控电路来说，整流电压是各段整流桥的整流电压有效值之和，其值与各段晶闸管导通角有关。为了满足上述直流电机启动要求，本文采用的策略为：在启动初期采用较小的负载转矩以加快仿真进度，待电枢电流稳定后，进而将负载转矩恢复至计算额定值，因此采用Step函数作为转矩的输入来实现此目的，电机启动和稳定状态的时刻和负载转矩值都可在参数设置中设定。电机负载转矩可通过式(14)计算确定 (14)式中D为机车动轮直径；为机车齿轮传动比；为机车速度利用PSB工具箱中的相关元件搭建牵引主电路仿真子模块，通过上述参数设置仿真得到的牵引主电路输出电压电流曲线如图10所示。 图10 牵引主电路输出电压电流曲线由图中可以看出，牵引电机启动过程大约需要0.5s，启动结束后牵引回路电流趋向恒定，其数值大小由机车运行工况对应的整流电路工作状态下晶闸管触发角的大小和牵引电机的运行特性确定。4.3 辅助与采暖回路的仿真模型 SS8型电力机车辅助与采暖回路均采用传统的单一三相供电系统，该两部分负荷占整车负荷比重约为20左右。辅机电源由主变压器的辅助绕组a6b6x6提供，经劈相机劈相后变换为三相交流电供给三相负荷。由于单独建立劈相机子模块的建模过程复杂，在该仿真平台下实现难度大，且从负荷特性方面考虑，劈相机本质上属于感应电动机范畴，在电力机车辅助电路中仅作为电能变换装置，其本身负荷特性对仿真结果的影响并不明显，因此在建模过程中可将其忽略。但由于主变二次辅助绕组输出为单相交流，而辅助机组均为三相负荷，因此需要在仿真模块中为这两个模块提供仿真接口，本文的处理办法是在辅助绕组输出端与辅助机组输入端之间接入单相整流电路模块和三相逆变电路模块，其作用主要有2点：为仿真模型中的辅助机组提供三相接口；需将单相交流电整流后才能逆变为三相交流电。由于SS8型电力机车辅助电路中感应电机数目较多，逐一将其接入仿真模型将使模型结构和参数设置复杂，因此在本仿真模型中考虑将其等效为一台等值感应电动机，等效参数按式(15),(16)计算确定. （15） 其中， （16）式中分别为等值惯性常数、转子电阻、定转子漏抗、滑差、机械转矩系数和第i台电动机容量的权重；m为感应电机总数目。采暖回路取自主变绕组a7一x7和a8一x8，两组绕组输出均为870 V单相交流，经机车集中整流后输出为600 V直流电，送至各车厢分散逆变后供给用电设备该回路用电设备主要为空调、热水器和日光灯。对该部分回路的建模可通过以下两种途径：(1)将车厢供电回路的相关负荷(空调、热水器等)等效为由感应电动机和恒阻抗组成的综合负荷，通过对该回路正常工作状态下的数据进行采集和辨识即可得到各相关参数；(2)在实验室中模拟该部分实际负荷，通过参数辨识得到该部分的综合负荷模型。4.4 整车模型的建立通过前述的建模过程，可以得到机车各主要机构的仿真子模块，将各仿真子模块按照机车电气组成原理和连接方式综合即可得SS8型电力机车的整车仿真模型如图11（,另见附录3）所示。图中所示仿真模型中将公共电网等效为电源和一段线路，图中也包括了牵引变电站的主变模型，通过在牵引变电站高压母线上装设负荷特性记录装置或者电压电流测量装置即可获得电力机车在不同运行工况下的电压和电流数值，通过对该数据的相关分析即可得出电力机车运行时对电网的影响情况。 4.5 分析与讨论上述仿真模型中，分别在电网正常运行和单相接地短路故障两种方式下，在牵引变高压母线处通过MATLAB自带的3一Phase VI Measurement元件测得的牵引变高压侧电压电流仿真结果如图12和图13所示，该波形图所示为单辆机车在某区 图11 SS8型电力机车整车仿真模型段运行时的情况。由于电力机车不平衡整流负荷的影响，在正常运行方式下，牵引变高压侧(公用电网)母线电压和电流波形已发生畸变，畸变程度与该牵引变供电区段内电力机车的运行工况有关；而当电网单相短路故障运行时，此种畸变程度更加明显。因此，通过对该波形和相关数据的计算分析可以知道机车运行部门制定合理的运行方式，以减少对电网的不利影响。通过仿真结果的分析和计算还可修正由于建模方法引起的部分误差，从而建立更加精确的仿真模型。 图12 正常运行时高压侧电压电流波形图 图13 单相路时高压侧电压电流波形图除以上介绍的电力机车主体牵引电机的仿真方法外，还可利用Madab运算模块搭建牵引电机的模型，但该方法涉及参数繁多、搭建过程繁琐且容易出错；并且在搭建过程中，若含有Matlab Fun模块，则Simulink会在每个仿真时间步均调用Matlab解释器使仿真速度大大降低,如果用电阻和反电势的串联模拟牵引电机，需要将电机磁化曲线分段线性化，然后由励磁电流确定出各段中需要的电阻和反电势的大小，该方法物理意义明确，建模简单易行，但容易造成电机不同工作段间特性的不连续，从而使电机整体性能的描述能力较差。在由各子模块建立整车仿真模型的过程中，可以使用模板定制各子模块，从而可以通过一个对话框来代替子模块中各个元件的参数设置对话框，方便用户进行参数设置，并且可以将子模块的内容隐藏在定制的用户界面后面，从而防止对子模块无意的改动。5 结论本文介绍了利用MatlabSimulink工具构建SS8型电力机车整车仿真模型的方法。通过对机车各组成电路的原理分析，利用负荷特性综合的思路和方法建立了相应的仿真子模块，通过将各仿真子模块综合得到了SS8型电力机车的整车仿真模型。现代电力系统为了提高整个电网的供电品质、抑制谐波对电网的影响，往往采用含有大量开关器件的设备来提高电网的稳定性。此外，新的电力传输技术同样也用到许多的高频开关元件。对包含开关器件的电力系统进行实时仿真是传统的仿真软件无法解决的问题。从仿真结果可知，该模型对电力机车负荷特性有较好的描述能力，建模方法对于电力机车相关的牵引负荷的仿真建模具有借鉴作用，可以用于研究电气化铁路牵引负荷对电网的影响相关的仿真研究中。参考文献1楼顺天，姚若玉，沈俊霞.M