电铁牵引供电系统的谐波仿真模型分析

张树兰，曹 娜，于 群

（山东科技大学信息与电气工程学院，山东 青岛 266000）

1 引言

电气化铁路（Electrified railway）是指采用电力牵引的铁路。电气化铁路具有高效、节能和环保等特点，是人们选择出行的最理想的交通方式。电气化铁路由供电系统和电力机车组成，由于机车负荷的特殊性，使牵引供电系统与一般的三相电力系统不尽相同，它是一个单相的不对称系统，具有随机波动性，会在电网侧产生变化的谐波电流。产生的谐波会使电力变压器寿命变短同时输电线路送电能力下降，电机发热严重易早损坏等影响。因此，研究电气化铁路谐波产生机理具有重要意义。

文献［3］采用Matlab软件利用小波变换对由电力机车产生的谐波含量进行测量，但对电磁暂态的分析却有欠缺,这种方法的不足是电力机车工作在不同段时，要修改其仿真电路图；文献［4］利用PSCAD建立了AT牵引供电系统的仿真模型，但模型不够完善具体，不能把牵引供电系统和电力机车的特性一一直观地表现出来。本文通过PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件搭建了较为完善具体的电气化铁路牵引供电系统仿真模型，并对仿真所得的电网侧谐波含量与理论计算的谐波含量进行了比较，同时通过实例电网分析论证了仿真模型的有效性。

2 牵引供电系统

电力牵引供电系统，是指电气化铁路中由牵引变电所和接触网组成的向电力机车供给牵引用电能的系统。其结构如图1所示。

图1 牵引系统结构

电气化铁道的牵引供电系统是由牵引变电所、牵引网（馈电线、接触网、钢轨和回流线组成）、电力机车等组成，图1中牵引变电所将110kV的三相交流电变成两相27.5kV（另一相接地），分别供给牵引变电所两边的供电臂，以使电力机车得到电能。牵引变电所的主要设备是牵引变压器。牵引变压器是指在牵引站中向电力牵引负荷供电的大型变压器，又称为主变压器。现在一般使用的有单相牵引变压器、Yn/d11接线牵引变压器、V/v接线牵引变压器、阻抗匹配平衡型牵引变压器以及Scott平衡变压器等，但依今后发展趋势来看，Scott平衡变压器和V/v接线变压器将逐渐成为主流牵引变压器。

3 系统仿真模型

3.1 牵引变压器模型

牵引变压器是牵引变电所的核心元件，牵引变压器的主要功能是降压、分相并为牵引负荷供电。牵引变压器一次侧额定电压通常为110kV、220kV。文中针对V/v接线变压器进行了仿真模型研究。

图2 V/v变压器接线原理

V/v接线变压器原理如图2所示，单相V/v接线用两台单相变压器连接成开口三角形，图2中T1和T2分别为1＃和2＃单相牵引变压器，T1和T2的高压侧分别接入AB和BC相。低压侧各取一端接到27.5kV牵引母线上，另一端接到接地网和钢轨。单相V/v接线牵引变压器具有容量利用率较高、电能损耗小、投资低等优点，被广泛使用。

按照图2所示的V/v接线原理图，建立V/v接线牵引变压器的仿真模型如图3所示。采用两台单相双绕组变压器，两台单相双绕组变压器分别接于AB和BC端。

图3 V/v接线牵引变压器仿真模型图

3.2 电力机车仿真模型

本文以SS6B型机车为例研究交直型电力机车，SS6B型电力机车可担当货运和客运牵引，它具有安全性好、污染小等优点。SS6B型电力机车相关参数:轴数6，轴重23t,功率4800kW,轴功率800kW,最高速度可达100km/h。它使用不等分三段桥相控调压，实现了恒流恒速控制的牵引调速特性。电力机车仿真模型如图4所示。

图4 电力机车仿真模型

该仿真模型主要由变压器、二极管和晶闸管、平波电抗器以及牵引电动机组成。

二极管组和晶闸管组组成整流调压电路，整个电力机车有三段不同的工作状态，根据直流电压Ud的不同来确定电力机车运行阶段，模型使用分段触发和调用可以使控制更简便。

电力机车脉冲触发仿真模型如图5所示。

图5 电力机车脉冲触发模型

仿真中使用PSCAD模型库中VCO（Voltage Controlled Oscillator）元件，还使用了Interpolated FiringPulses元件。两元件组合把实时触发信号提供给晶闸管、IGBT和GTO等电力电子器件。

SS6B型电力机车是交直传动的电力机车，输出电压为脉动电压，因而脉动电流必然会流过整理电路。在牵引电动机的回路中串联平波电抗器，目的是为了减小脉动，以及谐波对系统的影响。此仿真采用15.5mH的电感来代替平波电抗器。

仿真中牵引电机采用串励直流电机，参数为：额定电枢电压1018V,额定电枢电流1250A，电枢电阻0.01098Ω，励磁电阻0.00288Ω。仿真模型如图6所示。

图6 牵引电机仿真模型

3.3 谐波检测

利用PSCAD元件模型库中的频率在线扫描仪(On-line Frequency Scanner)和谐波畸变计算器（Harmonic Distortion Calculator）对系统电压、电流谐波总畸变率、谐波含有率进行测量。仿真模型图如图7所示。

图7 谐波测量仿真模型

4 系统仿真分析

系统仿真如图8所示，系统供电实行双边供电，公共端接地，双边负荷平衡，同时也可以对系统进行修改实行单边不对称负荷。

图8 系统仿真图

4.1 谐波电压分析

V/v接线系统高压侧A、B、C三相母线电压波形如图9所示。从图9中可以看出，三相电压都有一定的畸变。

图9 V/v接线高压侧电压波形

由图9可知，高压侧A、B、C相母线电压在一定程度上受到谐波的影响产生了畸变，通过对系统三相电压进行傅里叶分析，得出各次电压谐波含有率，以A相为例，如图10所示。

图10 V/v接线高压侧A相谐波电压含量

系统对高压侧A、B、C三相谐波电压进行测量，从图10中可以看出，偶次谐波含有量几乎为0，奇次谐波相较偶次谐波大，其中5、11、13较为厉害，数据统计如表1所示。

表1 V/v接线高压侧A、B、C三相谐波电压含有率（%）

分析表1数据，系统高压侧A、C两相各次电压谐波含有率几乎保持一致，高压侧A、B、C三相13次电压谐波含有率比其它各奇次谐波含有率都高，超出了国家标准限值1.6%，而且谐波总畸变率也都超过了国标限值2%。

4.2 谐波电流分析

当系统双边负荷平衡时，两臂电流如图11所示。从图11中可见，两供电臂电流波形几乎相同，近似为方波，但存在一定的相位差。X标签与O标签对应时间差为0.003s，对应相角为60°，与理论分析相符。

将高压侧A、B、C三相电流信号输入到FFT分析元件，对波形进行傅里叶分析，得出各次谐波含量，以A相为例，如图12所示。

图12 V/v接线高压侧A相谐波电流含量

从图12中可以看出电流畸变要比电压畸变更厉害，其中奇次谐波电压相对较高，对数据进行统计，如表2所示。

表2 V/v接线高压侧A、B、C三相谐波电流含有率（%）

由表2数据分析可知，高压侧 A、C两相各次电流谐波含有率基本保持一致，总电流谐波畸变率也相差不多，但B相电流谐波总畸变率较A、C两相相差较多。

5 仿真实例应用

以某实际电网为例，将上述仿真模型接入该电网内，分析牵引供电系统对电网的影响。如图13所示为机车接入电网后的模型。

图13 机车接入电网后模型

由于电气化铁路牵引负荷具有冲击性、非线性、不对称等特性，对电网运行将产生不利的影响。

电铁负荷接入系统和未接入系统A、B、C相谐波电流含有率对比如表3所示。

表3 三相谐波电流含有率

电铁负荷接入系统和未接入系统三相谐波电压含有率对比如表4所示。

表4 三相谐波电压含有率

根据《电能质量 公用电网谐波》GB/T 14549-9的规定，公用电网谐波电流限值经修正后变为：3次为6.23A，5次为6.23A，7次为4.41A；公用电网谐波电压含有率不得超过1.6%。由表3、4可知电铁负荷接入时谐波电流明显增大，大部分都超出了国标值，谐波电压含有率小部分也超出了国标值。因此需要一定的治理措施来防治谐波污染。

6 结束语

本文在电磁暂态仿真软件PSCAD中搭建了电气化铁路牵引供电系统仿真模型，利用FFT分析110kV交流系统谐波含量，奇次谐波电流的幅值随谐波频率的增大呈逐渐减小的趋势，通过比较仿真结果与理论计算分析论证了仿真模型具有一定的实用性。并且通过实例分析使模型更加具有说服力，而且该模型还可以变换各种接线方式和各种型号电力机车。由此说明本文建立的电气化铁路牵引供电系统的仿真模型具有很高的灵活性和较高的精度，可以满足实际工程需求。

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