牵引供电系统的高次谐波的仿真与分析硕士学位.doc





《牵引供电系统的高次谐波的仿真与分析硕士学位.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《牵引供电系统的高次谐波的仿真与分析硕士学位.doc(29页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流牵引供电系统的高次谐波的仿真与分析硕士学位.精品文档.牵引供电系统的高次谐波的仿真与分析摘要电气化铁道作为公用电网的非线性负载,已成为引起电力系统谐波污染的主要谐波源之一。这主要是因为在电气化铁道上行驶的电力机车是单相的整流型负荷。由于功率大,分布广,而且三相不对称,在其运行过程中必然会产生大量的高次谐波,并将在接触网上激发起沿线分布的高次电压和电流谐波,它们对电气化铁道沿线的通信系统会造成严重的干扰。随着交直交动车组在电气化铁道中的大量采用,使得牵引供电系统中的谐波特性发生变化,除了含有低频带的3、5、7次等谐波外,在高频带还出现了大量的高
2、次谐波。尽管这些高频带谐波含有率不高,但其却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,危害牵引变电所和电力机车等的绝缘设备,影响系统安全运行。本文对电力系统的谐波特性做了详细的理论研究和分析,重点阐述了牵引供电系统谐波的形成、谐波参数并对一些设备的谐波进行了分析,以便可以更加深刻的理解牵引供电系统的谐波分布,谐波形成和控制,维持牵引供电系统的稳定性和可靠性。最后,本文对牵引供电系统的高次谐波进行了仿真、分析,更加直观的展示了牵引供电系统的谐波特点及其分布,进一步加深理解。关键词:高次谐波;牵引供电;谐波电流放大;MATLAB/SimulinkAbst
3、ractElectrified railway, as the nonlinear load of public electric net,has become one of main harmonic sources causing harmonic pollution in the power system,which is mainly because that electric locomotive running on the electrified railway is single-phase rectifier load.On account of its great powe
4、r, wide distribution and threephase asymmetric,it will produce a great deal of highorder harmonics and on the contact net will excite highorder voltage and current harmonics distributing along the line,which will interfere seriously,with the communication system along the electrified railwayWith the
5、 wide application of ACDCAC multiple units in electric railway, harmonic characteristic in the traction Power supply system has been changed. Not only the loworder harmonies,for example,thirdorder,fifthorder and seventhorder harmonic were included in this system, but also a lot of highorder harmonic
6、 were contained. Although the content rate of these highorder harmonics very low,the possibility of harmonic resonance in the system will greatly increase.When harmonic resonance occurred in the system,overvoltage and overcurrent will produce,which can endanger equipment insulation of traction subst
7、ation and train and influence the system safety operation. In this paper the harmonic characteristic of power system to do a detailed theoretical research and analysis,expounds the traction power supply system harmonic formation, and some equipment harmonic parameters are analyzed,so that they can m
8、ore profound understanding of harmonic distribution of the traction power supply system,harmonic formation and control,maintain traction power supply system stability and reliability.Finally, this paper the traction power supply system of HHG simulation and analysis,more intuitive shows of the tract
9、ion power supply system harmonic characteristics and distribution, further enhance understanding.Key words:HHG,Traction power supply,Harmonic current amplification,MATLAB/Simulink目 录摘要IAbstractII1 绪论11.1 课题背景与意义11.2 课题研究现状11.3 本课题的研究内容与目标22 谐波32.1 谐波含义32.2 谐波特性32.3 高次谐波危害42.4 畸变波形的度量指标42.5 谐波标准62.5.
10、1 国外谐波标准62.5.2 我国谐波标准72.6 电力系统各元件等值电路的谐波参数92.6.1 发电机92.6.2 变压器102.6.3 输电线路112.7 谐波测量132.8 输电线路谐波谐振频率分析方法142.9 谐波的限制措施153 铁路牵引供电系统173.1 电气化铁道主要谐波源之一173.2 电牵引供电系统173.2.1 牵引变电所173.2.2 牵引网214 铁路牵引供电系统谐波分析254.1 电力机车谐波分析264.2 供电臂谐波电流合成264.3 牵引负荷注入系统的谐波电流264.4 整流负荷谐波源模型274.5 牵引供电系统谐波电流放大284.6 谐波仿真29结 论34致
11、谢35参 考 文 献361 绪论1.1 课题背景与意义近年来,我国电气化铁路建设进入了高速发展阶段。到2007年底,我国电气化铁路里程已突破29470公里,电气化率达到37.8%,电气化总里程位于世界第二位。根据国务院批准的中长期铁路网发展规划(2008年调整),到2020年我国铁路总里程将达120000公里,其中电气化铁路72000公里,主要干线铁路都将实现电气化,铁路电气化率约为60%,承担80%以上的运量。其中将建成京沪、京广、京哈、沪涌深及徐兰、杭长、青太及沪汉蓉“四纵四横”高速铁路客运专线16000公里,形成我国铁路快速客运网。我国目前既有普速铁路线上,主要采用的是交直型电力机车,其
12、采用半控桥式整流装置,通过控制晶闸管的导通角来实现机车出力的调节,这种方式使得交直型机车的功率因数较低,并产生丰富的谐波,这些谐波注入到电力系统中后将对电网造成污染,危及电力系统的稳定运行。随着铁路大提速以及客运专线的建设,交直交型的交流传动机车在我国大量采用,其功率因数较高,注入系统的谐波电流较小,但其交流侧仍然会存在一定量的高次谐波,在机车启动、爬坡、制动等调节过程中谐波含量还会增大。与交直型机车谐波特征不同,交直交型机车产生的谐波虽然消除了低频带的谐波,但却产生了高频带的谐波,注入系统的谐波电流次数相应提高,加之我国各类车型混跑的情况,使得牵引供电系统中谐波含量丰富,谐波频带分布广泛,而
13、这种情况大大增加了系统产生谐波谐振的可能性。当系统参数满足一定条件时,相应次数的谐波注入便会激励系统产生谐波谐振。这不仅对于牵引供电系统本身的设备造成危害,当其注入电网后,引起的过电压过电流将危及系统的安全稳定运行,使得供电可靠性降低1。电力机车作为谐波含量丰富的特殊谐波源,其向牵引供电系统中注入大量谐波电流,牵引供电系统成为最直接的谐波电流源激励对象,也最有可能因为谐波谐振造成设备损害。谐波谐振在牵引供电系统中引起的最直接表现是谐波电流的成倍增大,由于系统谐振导致牵引变电所及分区所谐波电流严重放大,致使母线电压升高,造成事故的案例己有发生。因此有必要对牵引供电系统中的谐波谐振特性进行分析和研
14、究,为避免发生谐波谐振提供相应的理论参考。1.2 课题研究现状随着电力系统谐波被广泛关注,铁路牵引供电谐波也成了谐波领域中的一项重要研究对象。铁路牵引供电谐波问题自提出以来,就受到了许多国家铁路部门和电力部门的重视。早在1920至1930年间,德国就提出了由于静态换流器引起的波形畸变问题,到50至60年代由于高压直流输电技术的发展,对换流器谐波问题才有大量的研究。我国铁路长期以交直型电力机车为主,而且相对来说这种机车的谐波问题更加突出,因此目前的研究大多集中于此。计算机仿真是研究电力机车谐波问题的主要工具。在对电力机车主电路及控制系统进行深入分析的基础上,建立其数学模型,通过软件仿真的方法可分
15、析机车的电能质量特征。山西电科院、西南交通大学、北京交通大学、西安交通大学和华北电力大学的研究人员对此进行了长期研究。我国曾经组织数次较大规模的电气化铁道谐波测试工作,主要是在牵引变电站进行长时间的实地测量,通过对实测数据的处理,找出牵引变电站电流谐波的分布规律。1984年铁道科学研究院机车车辆研究所在石板滩、养马河等牵引变电所安装测量装置,得到了牵引负荷的功率因数和谐波特性,并以此为依据投入补偿装置。1987年,铁道科学研究院和原水利电力部联合推出了谐波计算程序,该程序就是以测量结果为依据进行计算的。实测法需要投入大量的人力物力,周期长,通用性也不太好。但是实测法仍然必不可少,它对仿真法具有
16、重要的参考价值,是验证模型准确度的标准。1.3 本课题的研究内容与目标本文主要关注以下内容:(1) 了解高次谐波的定义、危害、标准、参数、抑制及其测量等。(2) 了解电气化铁道的供电系统。(3) 对牵引供电系统高次谐波谐振运用MATLAB进行仿真。2 谐波2.1 谐波含义国际上公认的谐波含义为:“谐波是一个周期电气量的正弦波量,其频率为基波频率的整倍数”。由于谐波的频率是基波频率的整数倍数,我们也常称它为高次谐波2。18世纪和19世纪的好几位数学家,特别是J.B.Fourier(17681830),为谐波计算奠定了基础。他提出的傅立叶分析是一种研究和分析谐波畸变的有效方法。通过傅立叶分解能够对
17、畸变波形的各种分量进行检查,一般来说,任何周期的波形都可以被展开为傅立叶级数,即 (2.1)式中,一个频率为的周期函数,其角频率,周期第n次谐波,它的幅值为,频率为,相位为。2.2 谐波特性(1) 对称性奇对称的特点是,展开为傅立叶级数时没有余弦项。偶对称的特点是,展开为傅立叶级数时没有正弦项,只有余弦项。半波对称的特点是,没有直流分量且偶次谐波(2,4,6,)被抵消。因为电力系统是由双向对称元件组成的,这些元件产生的电压和电流具有半波对称性。(2) 相序性在一个三相对称平衡系统中,单频率谐波分量只能是完全正序的,或完全负序的,或完全零序的。基波和四次、七次、谐波是正序的。二次、五次、八次、谐
18、波是负序的。三倍谐波(三次、六次、九次、)是零序的。这里指出两点:如果存在谐波,则无论系统是否平衡,都存在零序和负序电流。由于平衡的三倍谐波电流是零序,因此不能流入三角形连接电路中或中性点不接地的星形连接电路中。(3) 独立性平衡电力系统的线性网络对不同谐波的响应是相互独立的。这一特性使得我们可以将各次谐波分别来处理。也就是,对各次谐波分别建立等效电路(在频率域)并求解电流和电压。总响应就等于在时域上将所有谐波分量相加来得到。2.3 高次谐波危害系统发生谐振后,谐波电流和谐波电压可能成倍增大,产生过电压和过电流,危害设备安全运行。谐波谐振的危害可总结为以下几点:(1) 电流和电压谐波会增加变压
19、器的铜耗和铁耗,结果是变压器温度上升,影响绝缘能力,造成容量裕度减小。谐波还能产生共振及噪声。谐波电压回事变压器激磁电流增大,效率变化,并恶化其功率因数。(2) 当高次谐波产生时,由于频率增大,电容器阻抗瞬间减小,涌入大量电流,导致电容器过热,甚至损坏,还可能产生振动和噪声。(3) 由于谐波电流使开关设备在启动瞬间产生很高的电流变化率,使暂态恢复峰值电压增大,破坏绝缘,还会引起开关跳闸,引起误动作。(4) 电力电子设备通常靠精确电源零交叉原理或电压波形的形态来控制和操作,若电压有谐波成分时,零交叉移动,波形改变,易造成许多误动作。(5) 高次谐波还会对电脑、通信设备即音响设备、载波遥控设备等干
20、扰,事通信中断,产生杂讯,甚至产生误动作,另外还会对照明设备产生影响。2.4 畸变波形的度量指标(1) 畸变波形的有效值周期性电压和电流的瞬时值都随时间而变,在工程实际应用中常采用有效值这个数字特征量来衡量电流和电压的大小。以周期电流i(t)为例,它的有效值定义为 (2.2)在频域分析中,畸变的周期性电压和电流分解成傅里叶级数 (2.3) (2.4)式中,基波的角频率; 、()第n次谐波电压和电流的有效值; n谐波次数,必须为正整数。 若将式2.4带入式2.2便可得到畸变波形电流有效值的算式 (2.5)由此可见,非正弦周期性电流的有效值,等于其各次谐波电流有效值的平方和的平方根值。所以,非正弦
21、量的有效值只与其所含各次谐波分量的有效值的大小有关,而与它们的相位无关。电压有效值有相同的定义和形式 (2.6)(2) 谐波含有率电压畸变波形的第n次谐波电压含有率等于其第n次谐波电压方均根值与其基波电压方均根值的百分比 (2.7)电流畸变波形的第n次谐波电流含有率等于其第n次谐波电流方均根值与其基波电流方均根值的百分比 (2.8)实际工作中常以频谱(幅频特性)来表示谐波含有率。(3) 总谐波畸变率波形畸变的程度,常以其总谐波畸变率来表示,作为衡量电能质量的一个指标。各次谐波含有率的平方和的平方根值称为总谐波畸变率THD(Toatl Harmonic Distortion),简称畸变率DF(D
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 牵引 供电系统 谐波 仿真 分析 硕士学位

限制150内