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1、不同机车运行下的电能质量特性探究,电气工程硕士论文当前，电力机车为我们国家电气化铁路上的主要在运机车，第一台国产电力机车诞生于1958 年，距今已有 60 年的历史。根据机车发展历程可将电力机车分为四代3，前三代以机车调压方式来进行划分，第四代以机车传动方式来进行划分。华而不实，前三代为直流传动机车，第四代为沟通传动机车。交直电力机车的代表机型有：SS4B、SS6B、SS8、SS9 等韶山系列4-8。其工作原理为通过将牵引网上的沟通电整流为直流电，进而驱动直流电机运行。华而不实，机车整流调压电路为半控桥式分段整流，通过调节晶闸管的导通角来控制其输出电压。因此，交直电力机车所带来的谐波含量较高且
2、具有较低的功率因数。 随着大功率电力电子器件及变流技术的发展，交直交电力机车已成为机车技术新的发展方向，其特点为：速度快、稳定性好、牵引功率大。我们国家交直交机车主要有 HXD 型及CRH 型两种系列9-11，这两种系列分别用于货运和客运，相对于交直电力机车而言，具有不同的电能质量特性，表现为高次谐波及较好的无功特性。尽管交直交机车具有较好的电能质量特性，但电气化铁路上的在运机车仍有不少交直机车，因而我们国家电气化铁路上的牵引负荷会带来一些谐波及无功问题12-13。 电能质量的好坏与否直接关乎到电网的安全稳定运行，好的电能质量不仅能提高电气设备的使用效率，还能降低电网损耗。而不好的电能质量对电
3、网的危害是宏大的，主要表现为：1谐波电流侵入电力系统会加速变压器绝缘老化、引发电动机故障、缩短输电线路的寿命、影响通信设备的正常运行，严重的甚至会产生谐振，使得谐波电流剧增，造成电气设备的损坏，严重影响了电力系统的安全稳定运行14-15。2无功电流侵入电力系统会导致牵引网侧电压降低，影响电气设备的正常使用，同时，牵引负荷所导致的较大无功缺额会使得无功补偿装置容量的增加，既增加了补偿成本，又使得无功补偿的难度加大16-17。 因而，为了降低电气化铁路牵引负荷对电力系统稳定运行所造成的不利影响，必须尽快开展行之有效的措施来改善电气化铁路的谐波及无功问题，以保证电力系统安全稳定运行。 1.2 国内外
4、研究现在状况。 近年来，国内外学者对电气化铁路电能质量分析和治理做了多方面的研究，主要集中在下面几方面： 1.2.1 牵引负荷建模的研究现在状况。 我们国家电气化铁路上的在运机型多种多样，使得牵引负荷所导致的电能质量特性具有一定的复杂性和特殊性。为了更好的治理电气化铁路所导致的电能质量问题，需要搭建与实际相符合的负荷模型来作为对象进行分析。 研究的比拟多的是机车单独运行时的模型建立，主要包括 SS1、SS4、SS6B、SS8、SS9 等交直机车模型及交直交机车模型的建立。文献18提出通过分析 SS1 型及 SS4 型交直机车的控制特性函数与整流电路的内在联络，来确定整流回路中晶闸管的导通角，以
5、便更准确的建立 MATLAB/Simulink 仿真模型，进而分析其谐波电流。文献19利用PSCAD/EMTDC 自定义模块，对 SS6B 型机车主电路的控制策略进行 FORTRAN77 语言编程，以实现机车运行在不同阶段时的谐波电流仿真分析。文献20在分析 SS8 型电力机 车 及 阻 抗 匹 配 平 衡 变 压 器 工 作 原 理 的 基 础 上 ， 建 立 了 牵 引 供 电 系 统 的MATLAB/Simulink 仿真模型，并分析了其谐波电流的分布情况。文献21-22以 SS9 型机车作为电气化铁路的牵引负荷，并在分析其主电路及工作原理的基础上，建立了其MATLAB/Simulink
6、 仿真模型，并对其牵引网侧电流进行了傅立叶分析，得出 SS9 型机车牵引网侧的电能质量特性。文献23利用 PSCAD/EMTDC 分别搭建了牵引供电系统中的牵引变电所、牵引网及基于转子磁场定向控制的交直交机车仿真模型，并分析了该系统谐振过电压的分布情况。文献24通过对 CRH2-200 型动车组大量运行统计数据的分析，在考虑各次谐波含有率和相角变化的情况下，建立了其谐波概率模型，用以电能质量问题的动态研究。 还有一些较为复杂的方式方法，是在统计牵引负荷特性的基础上，建立与该负荷特性类似的系统。文献25在记录大量牵引系统谐波数据的基础上，利用最小二乘逼近法进行了配电网特性曲线拟合，得到了牵引负荷
7、谐波的概率密度函数。文献26建立了 PFC 控制系统用以模拟高速铁路和重载铁路的沟通电动机车的负载特性。文献27提出了一种矢量控制直流牵引系统的综合仿真模型，仿真结果验证了该模型与牵引系统实际运行情况相匹配。 综上所述，国内外文献对于牵引负荷的建模研究主要集中在机车单独运行时的建模，或者基于实测统计来进行建模，而对于交直机车及交直交机车混跑时的建模研究较少。 1.2.2 谐波及无功电流检测方式方法的研究现在状况。 在牵引负荷模型建立的基础上，欲对电气化铁路电能质量进行实时补偿，指令电流的检测是华而不实一个很重要的环节。为此，众多学者试图寻找一种合适于电气化铁路谐波及无功电流的检测方式方法。 常
8、用的为时域检测法，该方式方法主要以瞬时无功理论及 Fryze 无功理论为基础。文献28介绍了基于瞬时无功理论及基于有功分离的两种单相检测方式方法，并比照了这两种检测方式方法检测结果的差异。文献29在 Fryze 无功理论的基础上，提出了一种新的单相谐波电流检测法，该方式方法通过单相电压来获得同步旋转角，通过引入积分模块来取代低通滤波器，通过参加 PD 负反应来提高系统响应，使得检测结果更精到准确。文献30-31提出用对称分量法来获得不对称三相系统中的基波电压，以取代锁相环 PLL，用以改良检测方式方法易受电网波动的缺点。文献32提出在原有 ip-iq检测法的基础上，用延时法及正序基波提取器来获
9、得不对称三相系统中的基波电压，提高了无功电流检测的精度。文献33 在瞬时无功理论的基础上，提出了一种利用电源电压与电流矢量坐标关系的单相谐波及无功检测法。文献34在传统 FDB 谐波及无功检测法的基础上进行了改良，通过在检测系统中增加基波正序电压提取环节及指令电流计算环节，用以提高检测误差。 国外的相关研究，主要朝着智能算法发展。文献35提出了一种同步检测法SDM，用来知足负载变动时的谐波及无功电流检测，并通过仿真与 p-q 检测法进行比拟，证明该方式方法的正确性。文献36提出了一种基于模糊控制器的谐波及无功电流检测，并结合粒子群优化算法，可快速准确的检测出谐波及无功分量。文献37提出了一种改
10、良的瞬时无功电流检测方式方法，该方式方法采用了一种新的虚拟正交信号生成算法及一个加强的移动平均滤波器，消除了系统噪声及谐波的影响，大大提高了检测的实时性和精度。 综上所述，国内外文献对于三相系统的谐波及无功电流检测方式方法研究较多，而对于单相系统中的谐波及无功电流检测方式方法研究较少。 1.2.3 电能质量综合治理的研究现在状况。 当前，对于电气化铁路电能质量综合治理的研究，主要集中在综合补偿方案的选择及其控制策略两方面。 综合补偿方案的选择，需要考虑其对电气化铁路中谐波及无功的补偿效果。当下，对于谐波的抑制方式方法主要从两方面入手：1从机车本身入手，通过改良机车整流或逆变电路的 PWM 调制
11、技术来产生较少的谐波。文献38提出了一种新的混沌正弦脉宽调制混沌 SPWM方式方法，用于抑制四象限 AC-DC 变换器所产生的谐波。文献39-40理论推导与仿真分析得出：三电平 SVPWM 算法相对于 SPWM 算法具有更好的谐波特性。2通过在牵引网侧加装谐波抑制装置，通常采用的有无源电力滤波器PPF、有源电力滤波器APF或混合有源电力滤波器HAPF。无源电力滤波器由电感和电容元件组成，具有构造简单、经济性好的特点，但它只能用于抑制特定次的谐波。相比拟而言，有源电力滤波器，具有更好的谐波抑制效果，但基于经济性的考虑，对于电气化铁路的谐波往往采用混合有源滤波器来进行抑制41。无功补偿装置，经历了
12、从最早的电容器补偿，到如今普遍采用的静止无功补偿器 SVC 及静止无功发生器 SVG42。文献43从响应速度、控制策略及谐波特性等多方面来综合比拟 SVC 及 SVG 的补偿效果，结果表示清楚： 尽管 SVG 的控制复杂、成本较高，但其补偿效果比 SVC 要好。单纯的补偿谐波或者无功的装置已不合适快速发展的电气化铁路，在实际应用中往往会采用谐波和无功综合补偿装置。文献44针对 SVC 补偿效果不理想及 SVG 制造成本高等问题，提出一种 FC+TCR+SVG 的综合补偿装置，用以弥补两者的缺乏，并通过仿真验证该补偿方案的可行性。文献45-46提出了采用 SVC+HAPF 的电能质量综合补偿方案
13、，该方案能够有效补偿系统中的无功及谐波。文献47用模块化多电平变换器MRPC 来抑制低次谐波，并针对 MRPC 系统中 MMC 开关频率会产生高次谐波的问题，提出了在该系统中增加无源高通滤波环节来进行配合，最后用仿真验证了该方案的有效性。文献48-50提出了一种集成的混合铁路电能质量控制系统HRPQC，用以处理电气化铁路供电系统中的电能质量问题，并在具体分析了谐波抑制机理及谐振特性的基础上，仿真验证了该补偿系统的有效性。文献51提出了一种 MSVC+HPQC 的综合补偿方案，该方案可解决 MSVC 响应速度慢的问题，进而到达快速补偿系统中的谐波、无功及负序。HAPF 及 SVG 采用的控制策略主要有：滞环控制、L2增益重复控制、H 控制及无差拍控制算法等52-55。 综上所述，国内外文献对于电气化铁路补偿装置及其控制策略研究较多，而对电气化铁路电能质量综合治理协同补偿研究较少。