SS-8型电力机车的谐波分析.doc

SS-8型电力机车的谐波分析发布者：haha发布时间：2007-6-16 15:49:33来自：互联网浏览统计:309减小字体 增大字体作者：广东省电力调度中心 陈浩 华南理工大学电力学院 李战鹰摘要：为了解SS-8型电力机车的谐波特性，建立了SS-8型电力机车的简化数学模型，并对谐波电流进行了计算和预测。通过实际算例，证明采用该简化模型得出的计算结果具有较高的准确性，可以根据该简化模型，对SS-8型电力机车的谐波特性进行进一步的分析。关键词：电气化铁道；SS-8型电力机车；谐波；简化模型 Harmonic analysis of SS-8 type electric locomotive CHEN Hao1, LI Zhanying2 (1.Guangdong Electric Power Dispatch Center, Guangzhou 510075, China;2.Electric Power College, South China Univ of Technology, Guangzhou 510640, China)Abstract:The simplified mathematic model of SS-8 type electric locomotive is established to analyze its harmonic features and to calculate and predict its harmonic current A practical example is provided to confirm that the calculation results with the simplified model have high accuracy The harmonic features of SS-8 type electric locomotive can be further analyzed through the simplified model Keywords:electrified railway;SS-8 type electric locomotive;harmonic;simplified model 电气化铁道负荷的功率因数低、谐波含量高等问题已引起电力部门的高度重视。电力部门已在功率因数方面作了具体的规定，要求所有用户的功率因数必须达到0.9以上；在谐波方面也制定了谐波管理暂行规定，并制订了国家标准，以规定各级电网的电压畸变率，限制用户向电网灌输谐波电流。电力机车是电力系统的主要不平衡负荷、谐波源负荷。首先，电力机车采用单相电力牵引，其不对称电流会破坏电力系统的对称运行条件，使电力系统出现较大的负序分量；其次，电力机车是整流型负荷，它将产生高次谐波注入电网。负序分量和谐波分量注入电网会对电力系统产生各种不利影响1。为了对电气化铁道的谐波电流、功率因数进行有效的管理和控制，制定合理的谐波限制标准及功率因数要求，需要掌握牵引供电系统中谐波产生的机理和谐波传输过程，了解其内在的联系以及影响系统谐波和功率因数的多种因素。因而，建立谐波源及牵引供电系统的数学模型，运用计算机仿真的方法来进行广泛的定性、定量研究，已成为发现和掌握牵引供电系统谐波特性及变化规律的有效手段。为了提高功率因数，降低谐波电流，减小负序分量，目前很多牵引变电站普遍采用了能吸收50%以上3次谐波电流的并联电容补偿装置；同时，电力机车还加装了兼作滤波作用的功率因数补偿装置，在输出功率较大时，功率因数可达0.9左右。但从整个牵引过程来看，其效果并非十分理想，尤其是国产机车。为了更好地合理采取提高功率因数和降低谐波电流的措施，有必要对电气化铁道的谐波源电力机车进行全面的分析研究。SS-8型电力机车是目前国内电气化铁道的主型机车。已有的监测报告2，体现出国产SS-8型电力机车在运行时会导致牵引供电系统谐波含量超标。因此，有必要对SS-8型电力机车建模并分析其谐波特性，以便进一步采取有效的措施抑制谐波。1SS-8型电力机车谐波分析模型1.1SS-8型电力机车的主电路SS-8型电力机车装有4台牵引电动机，每一电动机各有一条电动机支路，第一转向架的M1牵引电动机支路和M2牵引电动机支路并联，由主整流器UF1供电；第二转向架的M3牵引电动机支路和M4牵引电动机支路并联，由主整流器UF2供电。两组电路完全相同，并互不相关。现以其中一端转向架的整流调压单元来说明其调压过程。其简化的电气原理图如图1所示。该整流调压电路采用不等分三绕组供电，电压调节采用三段半控桥相控整流无级调压。网侧25 kV电压经主变压器降压，绕组a1-b1和b1-x1的电压为343.4 V，绕组a2-x2的电压为686.8V。三绕组电压之和U2=1 373.6 V。 对半控整流桥来说，若忽略电抗压降及电阻压降，则整流电压Ud、绕组电压U2与相控角之间有以下关系： 1.2SS-8型电力机车的等值电路根据SS-8型电力机车的工作原理，可以画出电力机车的等值电路，如图2所示。在该等值电路中，对串励电动机采用线性化处理模型。R为平波电抗器、励磁绕组、电枢绕组及反映串励电动机磁化曲线的等值电阻之和，X为平波电抗器、励磁绕组、电枢绕组的电抗之和。桥1工作时，在桥2不控的情况下对桥1的晶闸管进行移相控制。为简化分析，此时将桥2等效为一模拟电压源（如图3所示），以|mF1（t）|表示桥2的输出电压，其中m值取1.8。1.3SS-8型电力机车的数学模型本文以桥1运行方式下的等值电路为基础，建立数学模型，进行研究。设整流变压器高压侧的电压u(t)为：而F（t）为整流变压器绕组a1-b1和b1-x1的感应电动势，a2-x2绕组的感应电动势为2F（t），则有：式中：kT整流变压器绕组电压与网侧电压之比；Uu(t)的有效值；角频率。在此基础上，对桥1工作时的情况建模并分析。根据边界条件和连续条件，再加上电压方程，共有12个非线性方程。采用高斯赛德尔迭代法对该非线性方程组求解。可得一周期内电流随时间的变化规律。 2算例本文分析的是电力机车正常工作时的工作情况，而牵引负荷在稳态运行时只产生奇次谐波，因而整流变压器交流侧的电流满足关系式4f(t)=-f(t+)（4）即对该电流进行傅氏分解后将只含奇次谐波分量。现根据文献2提供的检测结果以及广东省广电集团有限公司东莞供电分公司提供的资料，对茶山牵引变电站供电区间内只有一台SS-8型电力机车运行时的谐波电流进行分析计算。2.1已知参数2.1.1公共连接点公共连接点PCC（the point of common coupling）的最小短路容量为564 MVA，折算到110 kV侧的短路阻抗为21.45 。2.1.2 牵引变电站牵引变压器为YN,V型，云南变压器厂制造，高压侧电压110 kV，低压侧电压27.5 kV，容量240 MVA。安装的两台牵引变压器，一台运行一台备用，两者之间加装闭锁装置，任何时候只有一台运行，计算时按一台考虑。变电站进线最小短路容量为175.67 MVA，最大短路容量为533.75 MVA。设计中只计及系统阻抗和牵引变压器漏抗，折算到牵引端口，最大短路阻抗为8.28 ，最小短路阻抗为6.8 。等效频率偏差为0.01 Hz。2.1.3 FS:PAGE国家标准国家标准允许的该变电所PCC谐波电流如表1所示。 2.2谐波电流计算结果采用简化模型，代入已知参数，计算在供电区间内只有一台SS-8型电力机车通过时，在该牵引变压器110 kV侧产生的各次谐波电流。计算结果与实测结果同列于表2。比较实测值与计算值可见，采用简化模型计算SS-8型电力机车的谐波电流具有一定的准确性。可以根据该简化模型，对SS-8型电力机车的谐波特性进行进一步的分析。3结论本文提出了分析SS-8型电力机车谐波特性的简化模型，并应用于牵引变电站的谐波电流计算中。结论如下：a) 考虑SS-8型电力机车的正常运行情况，对其建模。在简化模型中，将桥2等效为一模拟电压源。b) 结合某牵引变电站的具体参数，采用该简化模型计算供电区间内只有一台SS-8型电力机车运行时，折算至110 kV侧的谐波电流值。比较计算结果与实测数据，证明可以采用该简化模型分析SS-8型电力机车的谐波特性，且方法简便。参考文献 1李群湛电气化铁道并联综合补偿及其应用M北京：中国铁道出版社，1993.2广东省电力谐波监测站电能质量检测报告R广州：广东省电力谐波监测站，1999.3李建华，豆凤梅，夏道止. 韶山型电力机车谐波电流的分析计算