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北极星电力网技术频道 作者:电力论文3 2007/12/24 18:46:00
HarmonicanalysisofSS-8typeelectriclocomotive
CHENHao1,LIZhanying2
(1.GuangdongElectricPowerDispatchCenter,Guangzhou510075,China;
2.ElectricPowerCollege,SouthChinaUnivofTechnology,Guangzhou510640,China)
Abstract:ThesimplifiedmathematicmodelofSS-8typeelectriclocomotiveisestablishedtoanalyzeitsharmonicfeaturesandtocalculateandpredictitsharmoniccurrentApracticalexampleisprovidedtoconfirmthatthecalculationresultswiththesimplifiedmodelhavehighaccuracyTheharmonicfeaturesofSS-8typeelectriclocomotivecanbefurtheranalyzedthroughthesimplifiedmodel
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25kV电压经主变压器降压，绕组a1-b1和b1-x1的电压为343.4V，绕组a2-x2的电压为686.8V。三绕组电压之和U2=1373.6V。
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α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。RΣ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，XΣ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；
ω——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［4］
f(t)=-f(t π)（4）
2.1已知参数
2.1.1公共连接点
公共连接点PCC（thepointofcommoncoupling）的最小短路容量为564MVA，折算到110kV侧的短路阻抗为21.45Ω。
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110kV，低压侧电压27.5kV，容量2×40MVA。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175.67MVA，最大短路容量为533.75MVA。
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8.28Ω，最小短路阻抗为6.8Ω。
等效频率偏差为±0.01Hz。
2.1.3[FS:PAGE]
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110kV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：
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
［3］李建华，豆凤梅，夏道止.韶山Ⅳ型电力机车谐波电流的分析计算［J］．电力系统及其自动化学报，1994，23（16）：10—13.
［4］吴竞昌．供电系统谐波［M］．北京：中国电力出版社，1998.
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