電鐵牽引供電系統的諧波仿真模型分析

張樹蘭，曹 娜，于 群

（山東科技大學信息與電氣工程學院，山東 青島 266000）

1 引言

電氣化鐵路（Electrified railway）是指采用電力牽引的鐵路。電氣化鐵路具有高效、節能和環保等特點，是人們選擇出行的最理想的交通方式。電氣化鐵路由供電系統和電力機車組成，由于機車負荷的特殊性，使牽引供電系統與一般的三相電力系統不盡相同，它是一個單相的不對稱系統，具有隨機波動性，會在電網側產生變化的諧波電流。產生的諧波會使電力變壓器壽命變短同時輸電線路送電能力下降，電機發熱嚴重易早損壞等影響。因此，研究電氣化鐵路諧波產生機理具有重要意義。

文獻［3］采用Matlab軟件利用小波變換對由電力機車產生的諧波含量進行測量，但對電磁暫態的分析卻有欠缺,這種方法的不足是電力機車工作在不同段時，要修改其仿真電路圖；文獻［4］利用PSCAD建立了AT牽引供電系統的仿真模型，但模型不夠完善具體，不能把牽引供電系統和電力機車的特性一一直觀地表現出來。本文通過PSCAD/EMTDC電磁暫態仿真軟件搭建了較為完善具體的電氣化鐵路牽引供電系統仿真模型，并對仿真所得的電網側諧波含量與理論計算的諧波含量進行了比較，同時通過實例電網分析論證了仿真模型的有效性。

2 牽引供電系統

電力牽引供電系統，是指電氣化鐵路中由牽引變電所和接觸網組成的向電力機車供給牽引用電能的系統。其結構如圖1所示。

圖1 牽引系統結構

電氣化鐵道的牽引供電系統是由牽引變電所、牽引網（饋電線、接觸網、鋼軌和回流線組成）、電力機車等組成，圖1中牽引變電所將110kV的三相交流電變成兩相27.5kV（另一相接地），分別供給牽引變電所兩邊的供電臂，以使電力機車得到電能。牽引變電所的主要設備是牽引變壓器。牽引變壓器是指在牽引站中向電力牽引負荷供電的大型變壓器，又稱為主變壓器。現在一般使用的有單相牽引變壓器、Yn/d11接線牽引變壓器、V/v接線牽引變壓器、阻抗匹配平衡型牽引變壓器以及Scott平衡變壓器等，但依今后發展趨勢來看，Scott平衡變壓器和V/v接線變壓器將逐漸成為主流牽引變壓器。

3 系統仿真模型

3.1 牽引變壓器模型

牽引變壓器是牽引變電所的核心元件，牽引變壓器的主要功能是降壓、分相并為牽引負荷供電。牽引變壓器一次側額定電壓通常為110kV、220kV。文中針對V/v接線變壓器進行了仿真模型研究。

圖2 V/v變壓器接線原理

V/v接線變壓器原理如圖2所示，單相V/v接線用兩臺單相變壓器連接成開口三角形，圖2中T1和T2分別為1＃和2＃單相牽引變壓器，T1和T2的高壓側分別接入AB和BC相。低壓側各取一端接到27.5kV牽引母線上，另一端接到接地網和鋼軌。單相V/v接線牽引變壓器具有容量利用率較高、電能損耗小、投資低等優點，被廣泛使用。

按照圖2所示的V/v接線原理圖，建立V/v接線牽引變壓器的仿真模型如圖3所示。采用兩臺單相雙繞組變壓器，兩臺單相雙繞組變壓器分別接于AB和BC端。

圖3 V/v接線牽引變壓器仿真模型圖

3.2 電力機車仿真模型

本文以SS6B型機車為例研究交直型電力機車，SS6B型電力機車可擔當貨運和客運牽引，它具有安全性好、污染小等優點。SS6B型電力機車相關參數:軸數6，軸重23t,功率4800kW,軸功率800kW,最高速度可達100km/h。它使用不等分三段橋相控調壓，實現了恒流恒速控制的牽引調速特性。電力機車仿真模型如圖4所示。

圖4 電力機車仿真模型

該仿真模型主要由變壓器、二極管和晶閘管、平波電抗器以及牽引電動機組成。

二極管組和晶閘管組組成整流調壓電路，整個電力機車有三段不同的工作狀態，根據直流電壓Ud的不同來確定電力機車運行階段，模型使用分段觸發和調用可以使控制更簡便。

電力機車脈沖觸發仿真模型如圖5所示。

圖5 電力機車脈沖觸發模型

仿真中使用PSCAD模型庫中VCO（Voltage Controlled Oscillator）元件，還使用了Interpolated FiringPulses元件。兩元件組合把實時觸發信號提供給晶閘管、IGBT和GTO等電力電子器件。

SS6B型電力機車是交直傳動的電力機車，輸出電壓為脈動電壓，因而脈動電流必然會流過整理電路。在牽引電動機的回路中串聯平波電抗器，目的是為了減小脈動，以及諧波對系統的影響。此仿真采用15.5mH的電感來代替平波電抗器。

仿真中牽引電機采用串勵直流電機，參數為：額定電樞電壓1018V,額定電樞電流1250A，電樞電阻0.01098Ω，勵磁電阻0.00288Ω。仿真模型如圖6所示。

圖6 牽引電機仿真模型

3.3 諧波檢測

利用PSCAD元件模型庫中的頻率在線掃描儀(On-line Frequency Scanner)和諧波畸變計算器（Harmonic Distortion Calculator）對系統電壓、電流諧波總畸變率、諧波含有率進行測量。仿真模型圖如圖7所示。

圖7 諧波測量仿真模型

4 系統仿真分析

系統仿真如圖8所示，系統供電實行雙邊供電，公共端接地，雙邊負荷平衡，同時也可以對系統進行修改實行單邊不對稱負荷。

圖8 系統仿真圖

4.1 諧波電壓分析

V/v接線系統高壓側A、B、C三相母線電壓波形如圖9所示。從圖9中可以看出，三相電壓都有一定的畸變。

圖9 V/v接線高壓側電壓波形

由圖9可知，高壓側A、B、C相母線電壓在一定程度上受到諧波的影響產生了畸變，通過對系統三相電壓進行傅里葉分析，得出各次電壓諧波含有率，以A相為例，如圖10所示。

圖10 V/v接線高壓側A相諧波電壓含量

系統對高壓側A、B、C三相諧波電壓進行測量，從圖10中可以看出，偶次諧波含有量幾乎為0，奇次諧波相較偶次諧波大，其中5、11、13較為厲害，數據統計如表1所示。

表1 V/v接線高壓側A、B、C三相諧波電壓含有率（%）

分析表1數據，系統高壓側A、C兩相各次電壓諧波含有率幾乎保持一致，高壓側A、B、C三相13次電壓諧波含有率比其它各奇次諧波含有率都高，超出了國家標準限值1.6%，而且諧波總畸變率也都超過了國標限值2%。

4.2 諧波電流分析

當系統雙邊負荷平衡時，兩臂電流如圖11所示。從圖11中可見，兩供電臂電流波形幾乎相同，近似為方波，但存在一定的相位差。X標簽與O標簽對應時間差為0.003s，對應相角為60°，與理論分析相符。

將高壓側A、B、C三相電流信號輸入到FFT分析元件，對波形進行傅里葉分析，得出各次諧波含量，以A相為例，如圖12所示。

圖12 V/v接線高壓側A相諧波電流含量

從圖12中可以看出電流畸變要比電壓畸變更厲害，其中奇次諧波電壓相對較高，對數據進行統計，如表2所示。

表2 V/v接線高壓側A、B、C三相諧波電流含有率（%）

由表2數據分析可知，高壓側 A、C兩相各次電流諧波含有率基本保持一致，總電流諧波畸變率也相差不多，但B相電流諧波總畸變率較A、C兩相相差較多。

5 仿真實例應用

以某實際電網為例，將上述仿真模型接入該電網內，分析牽引供電系統對電網的影響。如圖13所示為機車接入電網后的模型。

圖13 機車接入電網后模型

由于電氣化鐵路牽引負荷具有沖擊性、非線性、不對稱等特性，對電網運行將產生不利的影響。

電鐵負荷接入系統和未接入系統A、B、C相諧波電流含有率對比如表3所示。

表3 三相諧波電流含有率

電鐵負荷接入系統和未接入系統三相諧波電壓含有率對比如表4所示。

表4 三相諧波電壓含有率

根據《電能質量 公用電網諧波》GB/T 14549-9的規定，公用電網諧波電流限值經修正后變為：3次為6.23A，5次為6.23A，7次為4.41A；公用電網諧波電壓含有率不得超過1.6%。由表3、4可知電鐵負荷接入時諧波電流明顯增大，大部分都超出了國標值，諧波電壓含有率小部分也超出了國標值。因此需要一定的治理措施來防治諧波污染。

6 結束語

本文在電磁暫態仿真軟件PSCAD中搭建了電氣化鐵路牽引供電系統仿真模型，利用FFT分析110kV交流系統諧波含量，奇次諧波電流的幅值隨諧波頻率的增大呈逐漸減小的趨勢，通過比較仿真結果與理論計算分析論證了仿真模型具有一定的實用性。并且通過實例分析使模型更加具有說服力，而且該模型還可以變換各種接線方式和各種型號電力機車。由此說明本文建立的電氣化鐵路牽引供電系統的仿真模型具有很高的靈活性和較高的精度，可以滿足實際工程需求。

［1］鐵道部電氣化工程局電氣化勘測設計院.電氣化鐵道設計手冊：牽引供電系統［M］.北京：中國鐵路出版社，1988.

［2］李魯華.電氣化鐵道供電系統［M］.北京：中國鐵道出版社，2008：21－38.

［3］毛中亞，郭其一.高速磁懸浮列車牽引供電系統諧波仿真分析［J］.儀器儀表學報，2006，27（6）：1374－1376.

［4］姚金雄，張 濤，林 榕，羅 迪.牽引供電系統負序電流和諧波對電力系統的影響及其補償措施［J］.電網技術，2008：61－ 64.

［5］于坤山，周勝軍，王同勛，喬光堯，等.電氣化鐵路供電與電能質量［M］.北京：中國電力出版社，2010.

［6］張小瑜，吳俊勇.電氣化鐵道接入電力系統的電壓等級問題［J］.電網技術，2007，31（7）：12－17.

［7］趙玉婷.電氣化鐵路牽引供電系統的仿真分析［D］.太原理工大學.

［8］江 曉.電氣化鐵路牽引供電對江門電網的影響及其應對措施［J］.科技信息，2011.

［9］高志建.電鐵牽引系統仿真模型建立及系統負序電流分析［D］.華北電力大學，2008.