電氣化鐵道牽引網(wǎng)基波與諧波模型分析

1、電氣化鐵道牽引網(wǎng)基波與諧波模型分析隨著我國(guó)現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)建設(shè)發(fā)展速度進(jìn)一步提升，傳統(tǒng)意 義上的內(nèi)燃機(jī)車顯然已經(jīng)無(wú)法滿足鐵路部門在貨運(yùn)重載以 及客運(yùn)快速方面的要求，電氣化鐵道的發(fā)展?jié)摿M(jìn)一步凸顯 出來(lái)。在電氣化鐵道快速發(fā)展的背景之下，隨著應(yīng)用的進(jìn)一 步成熟，部分問題開始凸顯出來(lái)。在各類問題當(dāng)中，以電能 質(zhì)量相關(guān)問題表現(xiàn)作為突出。立足于這一背景，文章重點(diǎn)圍 繞電氣化鐵道牽引網(wǎng)基波與諧波模型方面的問題展開研究 與探討，希望能夠引起各方人員的關(guān)注與重視?！娟P(guān)鍵詞】電氣化鐵道牽引網(wǎng)建模 電氣參數(shù)仿真?zhèn)鹘y(tǒng)意義上，建立在晶閘管或者是二極管整流技術(shù)基礎(chǔ) 之上的交-直傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)車產(chǎn)生的3次、5次、7次諧波電流 含

2、量較高，由此所帶來(lái)的問題不容忽視。與此同時(shí)，對(duì)于牽 引網(wǎng)而言，由于其具有電氣參數(shù)連續(xù)分布的特點(diǎn)，故而在牽 引網(wǎng)結(jié)構(gòu)、導(dǎo)線位置、接地方式確定以后，可能受到頻率升 高因素的影響，導(dǎo)致導(dǎo)線電阻以及內(nèi)電感水平同樣升高，誘 發(fā)諧振。綜合以上分析，需要立足于電氣化鐵道牽引網(wǎng)在高 次諧波諧振方面的危險(xiǎn)性，構(gòu)建基于基波與諧波的模型，通 過仿真分析的方式，為諧波抑制技術(shù)方案的制定提供支持。 具體分析如下：1電氣化鐵道牽引網(wǎng)建模分析牽引網(wǎng)的主要構(gòu)成包括回流網(wǎng)以及供電網(wǎng)兩個(gè)方面，主 要工作價(jià)值為：為動(dòng)車組或電動(dòng)機(jī)車的運(yùn)行提供電能輸送所 必須電氣網(wǎng)絡(luò)。在當(dāng)前技術(shù)條件支持下，牽引網(wǎng)不同的供電 方式會(huì)致使其在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的表

3、現(xiàn)上游一定的差異。需要注意 的一點(diǎn)是，無(wú)論牽引網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如特點(diǎn)如何，均具有鏈?zhǔn)?網(wǎng)絡(luò)的特征，均由并聯(lián)元件以及串聯(lián)元件組合形成。在自然 分割位置，牽引網(wǎng)被劃分為多個(gè)均勻的區(qū)段，作為鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò) 的串聯(lián)原件，而并聯(lián)元件則多指自耦變壓器等相關(guān)設(shè)備。有 關(guān)研究中指出：可以通過對(duì)并聯(lián)元件以及串聯(lián)元件進(jìn)行建模 的方式，獲取牽引網(wǎng)所對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣。對(duì)于我國(guó)當(dāng)前的電氣化鐵道而言，牽引網(wǎng)供電模式多為 建立在自耦變壓器基礎(chǔ)之上的供電模式，本方案的優(yōu)勢(shì)在 于：由于牽引負(fù)荷電流在正饋線以及接觸網(wǎng)中的方向相反， 故而不會(huì)對(duì)周邊通信線路的運(yùn)行產(chǎn)生干擾。以此為例，研究 本供電方案下整個(gè)牽引網(wǎng)的傳輸線模型。如下圖所示（見圖

4、 1）,圖中ii、12均為諧波電流源。結(jié)合圖1來(lái)看認(rèn)為：在本供電方案下，整個(gè)牽引網(wǎng)的骨 架為平行多導(dǎo)體傳輸線，在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上形成一個(gè)完整的鏈?zhǔn)?網(wǎng)絡(luò)。假定網(wǎng)絡(luò)中共存在m個(gè)平行導(dǎo)體，則如圖2所示的牽 引網(wǎng)鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)等效網(wǎng)絡(luò)形式示意圖當(dāng)中，阻抗矩陣所對(duì)應(yīng)的 階數(shù)與導(dǎo)納矩陣對(duì)應(yīng)階數(shù)保持一致狀態(tài)，均為（m*m）。2牽引網(wǎng)電氣參數(shù)分析在對(duì)牽引網(wǎng)相關(guān)電氣參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析的過程當(dāng)中，可 以通過對(duì)多導(dǎo)體傳輸線模型的應(yīng)用，為后續(xù)的仿真分析工作 提供理論層面的基礎(chǔ)支持。在相關(guān)電氣參數(shù)的計(jì)算與分析過 程當(dāng)中，所涉及到的問題主要有兩個(gè)方面：首先，從多導(dǎo)線線路導(dǎo)納的角度上來(lái)說，結(jié)合電磁場(chǎng)相 關(guān)理論認(rèn)為：在導(dǎo)電媒體介質(zhì)當(dāng)中，

5、自由電荷的體密度取值 會(huì)受時(shí)間的影響而發(fā)生相應(yīng)的變動(dòng)。同時(shí)認(rèn)為，對(duì)于電力系 統(tǒng)而言，在電磁暫態(tài)過程實(shí)際可能出現(xiàn)的頻率范圍內(nèi)，認(rèn)為 電荷集中分布在導(dǎo)電媒體介質(zhì)的表面，即可以直接通過靜電 場(chǎng)完成對(duì)線路電容的計(jì)算，計(jì)算期間剔除頻率對(duì)計(jì)算參數(shù)的 影響。假定系統(tǒng)當(dāng)中存在n條保持平行架設(shè)關(guān)系的導(dǎo)線線路, 且與地面保持平行關(guān)系，故而認(rèn)為其能夠與大地共同作用， 形成一個(gè)多導(dǎo)線系統(tǒng)。在這一系統(tǒng)當(dāng)中，會(huì)對(duì)線電荷密度取 值產(chǎn)生影響的因素主要包括導(dǎo)線對(duì)地電位、導(dǎo)線半徑、導(dǎo)線 與導(dǎo)線距離、以及導(dǎo)線與地面平均高度等。其次，在導(dǎo)線符合合并條件的情況下，可以將牽引網(wǎng)中 所涉及到的導(dǎo)線合并形成等值半徑的單根導(dǎo)線，能夠?yàn)橛?jì)算 與

6、分析提供方便。且單根導(dǎo)線由于具有電氣特性上的等效 性，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)參數(shù)矩陣的合理簡(jiǎn)化。對(duì)于電氣鐵道牽 引網(wǎng)而言，導(dǎo)線合并的實(shí)現(xiàn)途徑有兩種方案：其一，將符合 合并條件的導(dǎo)線逐一進(jìn)行合并，以達(dá)到等效相參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)；其 二，根據(jù)等值半徑對(duì)等效相參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，然后進(jìn)行導(dǎo)線合 并。一般來(lái)說，電氣化鐵道牽引網(wǎng)中并聯(lián)導(dǎo)線的合并多釆取 逐根合并的方案，以確保計(jì)算結(jié)果的精確性。在這一背景下, 對(duì)應(yīng)假定的i、1、m、n導(dǎo)線而言，在將其合并形成同一導(dǎo) 線a的情況下，需要滿足條件：qa二q i +q+qm+qn；®ua=u i=ul=um=un ；3牽引網(wǎng)模型軟件仿真分析對(duì)于本文所研究的電氣化鐵道牽引網(wǎng)模型而

7、言，仿真計(jì) 算的主要仿真對(duì)象為高次諧波在牽引網(wǎng)中的傳播動(dòng)作。具體 的工作原理為：經(jīng)由仿真軟件中的編輯截面設(shè)定牽引網(wǎng)系統(tǒng) 運(yùn)行期間所涉及到的各項(xiàng)電氣參數(shù)，從外部對(duì)機(jī)車電流文件 進(jìn)行讀取。進(jìn)而根據(jù)讀取數(shù)據(jù)對(duì)牽引網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)電壓取值進(jìn)行 計(jì)算。整個(gè)牽引網(wǎng)模型軟件仿真建立在windows 7操作系統(tǒng)基 礎(chǔ)之上實(shí)現(xiàn)，c#語(yǔ)言支持程序開發(fā)，設(shè)計(jì)理念為面向?qū)ο蟮?設(shè)計(jì)方法。主要構(gòu)成模塊包括界面設(shè)計(jì)模塊、仿真計(jì)算模塊、 以及輸入輸出流模塊這三個(gè)方面。主要結(jié)果為：獲取電氣化 鐵道牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及導(dǎo)線型號(hào)、位置等關(guān)鍵信息，進(jìn)入操作 界面，輸入流獲取機(jī)車電流文件，同時(shí)進(jìn)入操作界面，程序 計(jì)算后輸出流完成編寫文件。在引入面

8、向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)條件之下，整個(gè)牽引網(wǎng)模型 軟件仿真中涉及到了大量的代碼模塊，各個(gè)模塊對(duì)應(yīng)有不同 的編程應(yīng)用功能，相互之間保持獨(dú)立關(guān)系。本編程方案下的 優(yōu)勢(shì)在于：編程完成后便于進(jìn)行修改與維護(hù)，可以直接判定 出現(xiàn)問題的模塊，直接對(duì)模塊進(jìn)行獨(dú)立修改，不對(duì)整個(gè)程序 產(chǎn)生影響。以對(duì)電氣參數(shù)的計(jì)算為例，該程序的求解步驟為:第一步，輸入電氣化鐵道牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)；第二步，獲 取該結(jié)構(gòu)參數(shù)所對(duì)應(yīng)的頻率取值，對(duì)該頻率下的牽引網(wǎng)導(dǎo)線 進(jìn)行初始化處理；第三步，在該頻率取值條件下，計(jì)算導(dǎo)線 內(nèi)阻抗參數(shù)、地中回路內(nèi)阻抗參數(shù)、牽引網(wǎng)阻抗矩陣取值、 電位系數(shù)矩陣取值，同時(shí)計(jì)算在導(dǎo)線合并之后所對(duì)應(yīng)的電容 矩陣取值以及導(dǎo)納矩陣取

9、值。在此過程當(dāng)中，考慮到電動(dòng)車 組建模方法為電流源模式，該模式下列車位置以及所對(duì)應(yīng)的 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)維持穩(wěn)定狀態(tài)，故而可以根據(jù)等值電流構(gòu)建相 對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣，在lu三角分解作用下，獲取對(duì)應(yīng)的 節(jié)點(diǎn)電壓取值。4結(jié)束語(yǔ)大量的研究結(jié)果表明：電氣化鐵道牽引網(wǎng)在電氣元件， 乃至在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上都具有一定的特殊性，通過數(shù)學(xué)建模 的方式展開對(duì)電氣參數(shù)的研究，能夠使各方人員更精確的掌 握相應(yīng)的電氣性能，具有深刻的現(xiàn)實(shí)意義與價(jià)值。本文在對(duì) 電氣化鐵道牽引網(wǎng)建模分析的基礎(chǔ)之上，探討其中相關(guān)電氣 參數(shù)的計(jì)算方法，最后通過牽引網(wǎng)模型軟件仿真的方式，對(duì) 基波與諧波模型進(jìn)行了系統(tǒng)分析，希望能夠引起各方人員的 高度關(guān)注與重視。參考文獻(xiàn)1 張志文，李曉海，張洪浩等.基于fbd法的基波正負(fù) 序電流實(shí)時(shí)檢測(cè)方法j.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012, 36 (6)： 96-100, 105.2 胡海濤，何正友，王江峰等.考慮諧波功率修正的地 鐵交直流潮流計(jì)算方法j.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012, 32(34)： 112-119,前插 16.3 張剛毅，李群湛.電氣化鐵道異相供電方式向同相供