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基于Matlab/Simulink的电气化铁道高次谐波谐振特性仿真分析
2017-07-13 14:34:42  作者:  来源:中国设计师网  
  •   本文基于Matlab Simulink搭建了电气化铁路高次谐波仿真模型,并对高次谐波进行仿真分析,总结分析了谐波特性,提出高次谐波的抑制措施,并对抑制效果进行仿真分析。仿真结果为电气化铁路高次谐波分析及抑制的实际工程应用提供参考。

  铁道第一勘察设计院集团有限公司 刘洋

  1 引言

  随着交-直-交型机车在我国大量的采用,虽然相比传统的交-直机车,低次谐波得到而大改善,但注入系统的谐波频谱变宽。机车产生的高频带谐波大大增加了系统发生谐波谐振的可能性。当系统发生谐波谐振时,会形成较大的过电压和过电流,危害牵引供电系统的安全稳定运行,降低供电可靠性,严重时甚至能导致供电中断,造成巨大损失。因此有必要对牵引供电系统中的谐波谐振特性行进分析和研究,了解牵引网谐振规律,这不仅对避免发生高次谐波谐振提供相应的理论参考,对于减少牵引网事故发生也有很大的现实意义。

  2 牵引供电系统模型

  2.1 外部电源模型

  外部电源是电气化铁路的能量来源,它负责向电气化铁路提供高压电源,其电压等级为110kV、220kV或330kV。目前我国大多数电气化铁路接入110kV等级电网,高速客运专线则接入220kV及以上等级电网。外部电源系统谐波阻抗为:

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  2.2 牵引变压器谐波模型

  牵引变压器是牵引变电所核心设备,牵引变压器种类较多,有YNd11接线变压器,V/v接线变压器,V/x接线变压器,Scott平衡变压器和阻抗匹配平衡变压器等。我国电气化铁路常用的牵引变压器有V/v接线变压器,V/x接线变压器等。牵引变压器谐波阻抗为:

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  2.3 牵引网模型

  无论牵引网的结构如何不同,它都是由横向元件和纵向元件组成。基于平行多导体传输线理论,对牵引网中的横向元件和纵向元件建立谐波模型,就可得到牵引网的谐波模型。

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  2.4 交直交机车模型

  本章对于电力机车的仿真模型考虑较为简单,参考已有文献采用等效谐波源的放法建立了等效机车模型。仿真中采用了CRH2动车组牵引工况下的95%谐波特性统计数据,如下表1所示。

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  由表可得CRH2车牵引工况下谐波主要分布为3、5、7、9次等低次谐波及41到53次等高次谐波,其中3、5、7次谐波分布比较复杂,9次之后谐波在四象限中均匀分布[1]。

  3 谐波谐振特性仿真分析

  本文基于Matlab/Simulink仿真平台建立谐波特性仿真模型如图1所示。

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  3.1 阻抗频率及相角特性

  3.1.1 机车位于不同位置时

  电力机车在线路上的位置时刻变化,从机车向牵引网看去的阻抗也在变化。当机车分别为与距离牵引变电所10km,20km,30km时,用阻抗测量模块对从该处向牵引网看去的阻抗-频率特性进行测量,得到各节点的阻抗-频率及相角特性如图2所示。

  由图2可以看出,谐振频率不随机车位置变化而变化,其系统谐波阻抗最大值对应的谐波次数主要集中在27次,机车位置对其谐波阻抗大小影响较大。

  3.1.2 供电臂长度变化时

  电气化铁路牵引供电系统AT供电方式供电臂长度一般在20~40km。当供电臂长度为10、20、30、40km且机车位于牵引网末端时牵引网各节点的阻抗-频率及相角特性如图3所示。

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  由图3可以看出,当供电臂长度发生变化时,谐振频率也随之改变,可以看出随着供电臂长度的增加,谐振频率向低频方向移动。

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