【正文】 1Z 、 2Z 分別為在機(jī) 車位置向牽引變電所方向和分所方向看去的牽引網(wǎng)阻抗 。 牽引供電系統(tǒng)諧波電流放大 當(dāng)電力機(jī)車向牽引網(wǎng)注入諧波電流時(shí)，某些次數(shù)的諧波電流將會(huì)激勵(lì)牽引網(wǎng)發(fā)生諧振，諧波電流放大即為諧振的一種表現(xiàn)形式，它將引起牽引網(wǎng)設(shè)備的絕緣損壞以及保護(hù)誤動(dòng)等問題。例如，對(duì)于三相 6脈動(dòng)整流橋，產(chǎn)生 15次等非特征諧波；對(duì)于三相 12脈動(dòng)整流橋，產(chǎn)生 17次等非特征諧波。1， K=1， 2， 3，? 即三相 6脈動(dòng)整流橋產(chǎn)生 1 13等奇次諧波電流，三相 12脈動(dòng)整流橋產(chǎn)生 11 2 25等奇次諧波電流。在圖所示的牽引供電系統(tǒng)中，當(dāng) A、 B兩個(gè)供電臂同時(shí)有機(jī)車時(shí)，可以根據(jù)疊加原理先求出一臂有機(jī)車時(shí)其諧波電流在牽引變壓器低壓側(cè)繞組中的分布，然后再求出另一臂有機(jī)車時(shí)其諧波電流在牽引變壓器低壓側(cè)繞組中的分布，二者相加，就是兩個(gè)供電臂同時(shí)有機(jī)車時(shí)諧波電流在牽引變壓器低壓側(cè)繞組中的分布。 供電臂諧波電流合成 在實(shí)際鐵路運(yùn)輸過程中，一條供電臂上可能會(huì)同時(shí)有幾臺(tái)電力機(jī)車運(yùn)行，這時(shí)注入電力系統(tǒng)的諧波電流將是這些電力機(jī)車諧波電流的合成。 SS3型電力機(jī)車也采用二極管整流電路，但機(jī)車變壓器調(diào)壓蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 級(jí)位減少，且級(jí)間采用了可控硅整流電路，實(shí)現(xiàn)了平滑調(diào)壓。所以，電氣化鐵路又是電力系統(tǒng)的不對(duì)稱負(fù)荷，運(yùn)行時(shí)將產(chǎn)生負(fù)序電流，是電力系統(tǒng)的負(fù)序源。一般一條供電臂長(zhǎng)度在 20千米左右，供電機(jī)車臺(tái)數(shù)為 1— 3臺(tái)。 最簡(jiǎn)單。正饋線沿供電分區(qū)架設(shè)，與回流線相似。 AT牽引網(wǎng)的原理如圖 。但這種方式也有缺點(diǎn)，即電力機(jī)車處于吸流變壓器附近時(shí)防護(hù)效果差。吸流變壓器是 1:1的變壓器。目前有效的方法有兩種：一種是在牽引網(wǎng)中架設(shè)吸流變壓器一回流線，稱為 BT供電方式；另一種是在牽引網(wǎng)中采用自耦變壓器一正饋線回路，稱為 AT供電方式。按現(xiàn)行設(shè)計(jì)，兩個(gè)牽引變電所之間毗連的供電分區(qū)屬于同相。 (1) 牽引網(wǎng)的供電方式 ① 一般供電方式 單線區(qū)段的牽引網(wǎng)的供電可分為單邊供電和雙邊供電兩種方式，復(fù)線區(qū)段的牽引網(wǎng)又分為單邊分開供電、單邊并聯(lián)供電和雙邊紐結(jié)供電 。鏈形懸掛承力索用鋼絞線 GJ70。 受 電 弓機(jī) 車受 電 弓機(jī) 車ci ai bABCi A i C i Ba 臂 b 臂 圖 T接線時(shí)的原理電路圖 牽引網(wǎng) 牽引網(wǎng)是由接觸網(wǎng)和軌道地回路構(gòu)成的供電網(wǎng)的總稱。這種接線方式把對(duì)稱三相電壓變換成對(duì)稱二相電壓，用其一相供應(yīng)一邊供電分區(qū)，另一相供應(yīng)另一邊供電分區(qū)，原理電路如圖 。單相接線的弱點(diǎn)是不能供 應(yīng)地區(qū)三相電力負(fù)載和變電所自用三相電力。牽引變電所兩邊供電分區(qū)都由同一相供電。 ② 單相接線：?jiǎn)谓M接線又稱簡(jiǎn)單單相接線，原理電路如圖 。但兩臺(tái)變壓器不是并列運(yùn)行。由于變壓器線圈電流等于饋線電流，所以后者的長(zhǎng)期容許值就等于變壓器的額定電 流，變壓器容量可以得到充分利用。 ① V/V接線： V/V接線是從三相接線脫胎而來的一種特殊接線方式。另外，兩臺(tái)變壓器并列，當(dāng)一臺(tái)變壓器停電時(shí)，供電不致中斷。 (1) 三相牽引變電所 三相牽引變電所的牽引變壓器線圈采用 Y／△ — ll接線，原理電路如圖 。它主要由牽引變電所和牽引網(wǎng)組成。 電牽引供電系統(tǒng) 在進(jìn)行諧波分析和仿真研究之前，首先應(yīng)該了解研究的對(duì)象，所以，在這一章中，將對(duì)本文所研究的電牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行介紹。 (4) 高壓滲透性。 (2) 隨機(jī)波動(dòng)性。本文將討論電氣化鐵道的高次諧波問題。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 3 鐵路牽引供電系統(tǒng) 電氣化鐵道 —— 主要諧波源之一 在電氣化鐵道中，現(xiàn)行的電力機(jī)車有傳統(tǒng)的交直型和新發(fā)展起來的交直交型兩種，以交直型為主體。 ② 采用有源電力濾波器 (Active Power Filter，簡(jiǎn)稱 APF)是牽引供電系統(tǒng)諧波抑制的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。 雙調(diào)諧濾波器在諧振頻率附近相當(dāng)于兩個(gè)并聯(lián)的單調(diào)諧濾波器，它能同 時(shí)吸收兩種頻率的諧波。盡管如此，無源 型交流濾波器當(dāng)前仍是補(bǔ)償諧波的最主要手段。 ① 采用無源型交流濾波裝置 該裝置由電力電容器、空芯電抗器和電阻器按要求組合而成。所以，實(shí)際上針對(duì)系統(tǒng)中的諧波，能采用的是方法 2。由于諧波源主要為電流源，因此要根據(jù)諧波國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，限制諧波源注入電網(wǎng)的諧波電流，把電力系統(tǒng)的諧波電壓抑制在允許范圍內(nèi)，以保證電能質(zhì)量和電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。 1 2 3 4 61 0諧波基波相對(duì)值電壓值5 6 8 7U i n輸 入 電 路 抑 制 電 路 量 程 選 擇電 路諧 波 選 擇電 路檢 波 器電 路 檢 波 器 除 法 器 顯 示 器報(bào) 警 裝 置 圖 諧波電壓表方框圖 輸電線路諧波諧振頻率分析方法 輸電線路由于存在分布的線路電感和對(duì)地電容，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)滿足一定條件時(shí)，就可能引起線路諧振現(xiàn)象的發(fā)生，使得諧波電流以及諧波電流發(fā)生放大。 (3) 諧波電壓測(cè)量的方框圖 如圖 所示， 由電壓互感器取來的畸變變電壓 inU ，經(jīng)輸入電路 1 輸入，其后，一路經(jīng)電路 5 分離出基波分量；另一路通過基波抑制電路 2 和量程選擇電路 3 及諧波選擇蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 電路 4 將各次諧波分量單獨(dú)分離出來，兩路各設(shè)一個(gè)精密檢波器 6。 輸電線路的電阻因集膚效應(yīng)將隨諧波次數(shù)增加而增大，對(duì)通常應(yīng)用的導(dǎo)線規(guī)格，電阻的變化情況可用如下近似公式表示 0 n 0 1 0 10 . 2 8 8 0 . 1 3 8 , 1r r n r n? ? ? () 式中 ， 0nr 和 01r —— 分別為諧波和基波時(shí)單位長(zhǎng)度線路電阻值。此時(shí)有 Ln λn rnZ Z sh l? () rnln/2λn rn1ch lY Z sh l?? () 式中， λnZ 和 nr —— 分別為對(duì)應(yīng)該次諧波時(shí)線路的波阻抗和傳播常數(shù)。 Z L nY l n/ 2Y l n/ 2 圖 輸電線路等值電路 作基波（ n=1）計(jì)算時(shí)，等值電路參數(shù)為分布參數(shù)的簡(jiǎn)單集中。它大致與諧波次數(shù)的平方根成正比。 R T n + j X T n 圖 變壓器等值電路 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 其阻抗值由繞組電阻和漏抗所組成。電壓愈高，鐵芯愈接近飽和，其非線性程度愈大。有功功率只是網(wǎng)絡(luò)里各元件的損耗，因此往往需將各元件的損耗按電阻形式估計(jì)。這時(shí)發(fā)電機(jī)的諧波電抗，可近似等于基波時(shí)的負(fù)序電抗與該次諧波次數(shù) n 的乘積。 發(fā)電機(jī) 合格的發(fā)電機(jī)，其電勢(shì)可認(rèn)為是純正弦的，即不含有高次諧波，因而發(fā)電機(jī)電勢(shì)只存在與基波網(wǎng)絡(luò)。 具有電阻 R 和電抗 L 2Xf?? 的感性元件在基頻下的阻抗可以表示為 LZ R jX?? () 一般情況下，在存在諧波時(shí)，元件阻抗變?yōu)? L()Z n R jnX?? () 其中， n 為 諧波次數(shù)。 考慮到低壓 電網(wǎng)內(nèi)低次諧波占主要成分，同時(shí)為保證大量而普遍存在的低壓電動(dòng)機(jī)、并聯(lián)電容器的安全運(yùn)行，保證計(jì)算機(jī)的正常工作和符合保護(hù)及遠(yuǎn)動(dòng)裝置對(duì)電源諧波的要求，其電壓總諧波畸變率確定為 5%。對(duì)于 220kV電網(wǎng)及其供電的電力用戶，可參照標(biāo)準(zhǔn)對(duì) 110kV 電網(wǎng)的規(guī)定執(zhí)行?？鄢弦患?jí)電網(wǎng)傳到本級(jí)電網(wǎng)的諧波電壓后，剩余的諧波電壓即為本級(jí)電網(wǎng)對(duì)其全部用能承擔(dān)的全部諧波能力，再按每個(gè)用戶接入本級(jí)電網(wǎng)取用的供電容量額，計(jì)算該用戶允許注入電網(wǎng)的諧波電流。在電網(wǎng)連接點(diǎn)的諧波電壓，可能是一個(gè)諧波源的諧波電流造成，也可能是多個(gè)諧波源的諧波電流造成。各級(jí)電網(wǎng)的限制均由低壓電網(wǎng)經(jīng)中壓電網(wǎng)到高壓電網(wǎng)逐級(jí)減小，在電網(wǎng)正常運(yùn)行方式下，并把國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議推薦的“低值”作為電網(wǎng)諧波正常水平的限制值。 電 流 的總諧波畸變率 2nI2 1( ) 10 0%nIT H D I????? （ ） 諧波標(biāo)準(zhǔn) 由于電網(wǎng)中的諧波電壓和電流會(huì)對(duì)電網(wǎng)本身和用電設(shè)備造成很大的危害，所以必須限制諧波電流流入電網(wǎng)和控制諧波電壓在允許的范圍內(nèi)，以保證供電質(zhì)量。 (3) 總諧波畸變率 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 波形畸變的程度，常以其 總諧波畸變率來表示，作為衡量電能質(zhì)量的一個(gè)指標(biāo)。以周期電流 i(t)為例，它的有效值定 義為 201 ()TI i t dtT? ? () 在頻域分析中，畸變的周期性電壓和電流分解成 傅里 葉級(jí)數(shù) 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 n 1 n1( ) 2 s i n ( )nu t U n t??????? () 1n1( ) 2 s in ( )ni t I n n t??????? () 式中， 1? —— 基波的角頻率 ； nU 、 nI —— （ 1n? ）第 n 次諧波電壓和電流的有效值； n—— 諧波次數(shù)，必須為正整數(shù)。 (3) 由于諧波電流使開關(guān)設(shè)備在啟動(dòng)瞬間產(chǎn)生很高的電流變化率，使暫態(tài)恢復(fù)峰值電壓增大，破壞絕緣，還會(huì)引起開關(guān)跳閘，引起誤動(dòng)作。諧波諧振的危害可總結(jié)為以下幾點(diǎn) ： (1) 電流和電壓諧波會(huì)增加變壓器的銅耗和鐵耗，結(jié)果是變壓器溫度上升，影響絕緣能力，造成容量裕度減小。這一特性使得我們可以將各次諧波分別來處理。 三倍諧波 (三次、六次、九次、? )是零序的。因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)是由雙向?qū)ΨQ元件組成的，這些元件產(chǎn)生的電壓和電流具有半波對(duì)稱性。通過傅立葉分解能夠?qū)儾ㄐ蔚母鞣N分量進(jìn)行檢查 ， 一般來說，任何周期的波形都可以被展開為傅立葉級(jí)數(shù)，即 ? ?? ?0 n 0 010 n 0 n1( ) c o s( ) si n ( )si nnnf t a a n t b n ta c n t????????? ? ?? ? ??? () 式中 ， ()ft—— 一個(gè)頻率為 0f 的周期函數(shù)，其角頻率 002 f??? ， 周期 001 / 2 /Tf ???? n 0 nsinc nt??? —— 第 n次諧波，它的幅值為 nc ，頻率為 0nf ，相位為 n? 。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 2 諧波 諧波含義 國(guó)際上公認(rèn)的諧波含義為 :“諧波是一個(gè)周期電氣量的正弦波 量 ， 其頻率為基波頻率 的整倍數(shù)”。但是實(shí)測(cè)法仍然必不可少，它對(duì)仿真法具有重要的參考 價(jià)值，是驗(yàn)證模型準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)。 我國(guó)曾經(jīng)組織數(shù)次較大規(guī)模的電氣化鐵道諧波測(cè)試工作，主要是在牽引變電站進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)地測(cè)量，通過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理，找出牽引變電站電流諧波的分布規(guī)律。 我國(guó)鐵路長(zhǎng)期以交直型電力機(jī)車為主，而且相對(duì)來說這種機(jī)車的諧波問題更加突出，因 此目前的研究大多集中于此。因此有必要對(duì)牽引供電系統(tǒng)中的諧波諧振特性進(jìn)行分析和研究，為避免發(fā)生諧波諧振提供相應(yīng)的理論參考。當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)滿足一定條件時(shí)，相應(yīng)次數(shù)的諧波注入便會(huì)激勵(lì)系統(tǒng)產(chǎn)生諧波諧振。其中將建成京滬、京廣、京哈、滬涌深及徐蘭、杭長(zhǎng)、青太及滬漢蓉“四縱四橫”高速鐵路客運(yùn)專線 16000 公里，形成我國(guó)鐵路快速客運(yùn)網(wǎng)。 最后，本文對(duì)牽引供電系統(tǒng)的高次諧波進(jìn)行了仿真、分析，更加直觀的展示了牽引供電系統(tǒng)的諧波特點(diǎn)及其分布，進(jìn)一步加深理解 。 隨著交直交動(dòng)車組在電氣化鐵道中的大量采用，使得牽引供電系統(tǒng)中的諧波特性發(fā)生變化，除了含有低頻帶的 7 次 等 諧波外，在高頻帶還出現(xiàn)了大量的高次諧波。蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 牽引供電系統(tǒng)的高次諧波的仿真與分析 摘 要 電氣化鐵道作為公用電網(wǎng)的非線性負(fù)載，已成為引起電力系統(tǒng)諧波污染的主 要諧波源之一。盡管這些高頻帶諧波含有率不高，但其卻大大增加了系統(tǒng)發(fā)生諧波諧振的可能性。 關(guān)鍵詞： 高次諧波；牽引供電；諧波電流放大； MATLAB/Simulink 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） II Abstract Electrified railway, as the nonlinear load of public electric ,has bee one of main harmonic sources causing harmonic pollution in the power system,which is mainly because that electric lootive running on the electrified railway is singlephase rectifier account of its great power, wide distribution an