轻轨供电系统谐波的测量与仿真分析

论文摘要：轻轨供电系统采用直流牵引，具有波动性强、系统谐波含量丰富等特点，极可能威胁到电力系统的安全稳定运行。本文研究轻轨供电系统在不同运行状态下对公共电网谐波的影响规律。依据机车、牵引供电系统和公共电网的实际参数，搭建包括公共电网在内的城市轨道交通牵引供电系统整体仿真模型，并通过实际的现场谐波测试数据加以验证。以此模型为平台，得出该供电系统向公共电网注入谐波主要是24脉波整流导致的特征谐波（23次、25次）和逆变器开断导致（11次、13次）。谐波含量在单端供电极限运行情况下较为严重，在列车启动瞬间其总谐波畸变率可达到17%。尽管在极端运行情况下，但各次谐波含量都未超过国家标准允许值。这些研究可为调查城市轨道交通供电系统的影响提供理论支持。
论文关键词：城市轨道交通,供电系统,公共电网,电能质量,仿真
　　引言
　　随着我国部分特大中心城市人口的迅速增加，城市交通问题日益突出，以城市轨道交通（包括轻轨和地铁）为代表的城市轨道交通系统是解决大城市交通问题的必由之路。部分中心城市正陆续开通轻型轨道交通（简称轻轨），其主要采用牵引供电系统，通过从公共电网供电到牵引变电所，通过牵引供电系统为牵引电机供电。由于牵引负荷的非线性、非正弦性、非对称性和非连续性的“四非”特性，可能威胁到电力系统的安全稳定运行。同时，城市轻轨负荷处于人口密集的城市之中，对公共电网的影响一旦造成事故有可能对整个城市的电力供应和社会稳定带来影响。
　　目前的研究方法以确定性的方法计算机车运行产生的谐波电流。实际上，机车在运行中负荷及其谐波电流会发生变化，受许多不确定的因素影响。尽管国外在研究牵引负荷谐波时采用了随机模拟的方法，但主要以实测法进行研究，但实际测量往往对列车实际的运行状况并不清楚，很难摸清谐波的规律。尽管文献给出了机车在运行中产生的随机谐波电流计算方法。这种方法的实现需要正确掌握机车主电路的控制过程，技术较为复杂、不利于维护。目前，国内大部分研究都是针对普通的电气化牵引供电系统，由于轻轨供电系统采用直流牵引，并且采用3电平逆变系统，其供电系统有其特殊性，针对该问题的研究并不多。
　　本文根据MATLAB/simulink的特点，从动态的过程对某城市轻型轨道交通的牵引供电系统及电力机车进行动态建模、仿真和实际测量，以全面了解该城市轨道交通供电系统对公共电网的影响规律，这对提高电力系统的电能质量和避免事故有一定的意义。
　　2仿真模型
　　本文研究的城市轨道交通供电系统具有一定典型性，采用1500V直流牵引供电，其主接线原理如图1所示。主变电所将城市电网的110kV电能降压后以10kV电压等级分别供给牵引变电所和降压变电所。为保证供电的可靠性，设置两座110kV主变电所，每个主变电所都由两路独立的电源供电，内部设置两台主变压器。牵引变电所电压等级为10kV，为环网供电方式。其中整流采用24脉波整流方式，机车上包括了逆变器和牵引电机，其中逆变器将直流通过IGBT斩波逆变成PWM（脉冲宽度调制）脉冲驱动牵引电机。
　　
　　图1城市轨道交通供电系统
　　2.124脉波整流
　　为减少牵引整流变电站网侧谐波电流对城市电网的影响，我国城市轨道交通的牵引整流变电站正由原来的12脉波向24脉波发展。本系统采用了24脉冲整流技术，其原理及仿真模型如图2所示。事实上，24脉波整流是由两个12脉波整流并联而成。图2(a)中，两个12脉波整流器的整流变压器高压网侧并联的绕组分别采用±7.5°外延三角形连接时，两套整流器并联运行即可构成等效24脉波整流。为了实现两台整流变压器在网侧实现±7.5°的移相，在整流变压器原边采用延边三角形接法。图2（b）是利用MATLAB/simulink仿真模块搭建的24脉波整流器模型，整流器接有理想电源，直流侧有电阻负载运行，通过此模型可以分析整流器的运行特性。
　　通过24脉冲整流后，110kV侧电流的谐波含量如图3所示。从电流谐波成分看出，通过整流后，明显具有一些特征谐波：21、23、47和49次谐波。根据理论，24脉波整流后，理论上的谐波次数应为：24k1，其中k为整数，因此仿真结果和理论相吻合。该整流方式对于消除3次、5次、7次、11次、13次等低次谐波非常有效。
　　
　　（a）整流原理
　　（b）仿真电路
　　图224脉波原理及仿真模型
　　
　　图324脉波整流后网侧的谐波电流成分
　　2.2机车模型
　　机车模型主要包括逆变器和牵引电机两部分。目前大功率交流传动领域广泛应用的是中点箝位型三电平逆变器（NeutralPointClamped，简称为NPC)，图4是利用MATLAB/simulink搭建的NPC三电平逆变器仿真模型，右侧为1500V直流电源，左侧部分为三角载波和开关程序模块，中间的模块为逆变器和三相异步电机。
　　仿真电路输出的三电平PWM脉冲电压如图5所示，与传统的两电平比较，谐波成分会更少一些，波形更接近正弦。通过在逆
　　图4三电平NPC逆变器仿真模型
　　变器的输入端测量到的谐波电流成分如图6所示，可以看到，主要包括了3、5、11、13和19次谐波成分，其中以11和13次谐波成分最为显著。
　　
　　图5三电平PWM脉冲输出
　　图6逆变器工作导致的谐波电流成分
　　3公共电网实测数据
　　采用Fluke434专用电能质量分析仪，从110kVPT和CT二次侧取电压和电流信号同时监测，普通负荷则采用短时测量为主（30分钟），对轻轨供电的重要负荷采取长时间测量，测量时间为12小时。为了解背景谐波的影响，测试时，对该变电站的其它110kV出线的也全部进行了测量。
　　110kV轻轨供电出线的三相电能质量情况几乎一样，A、B、C三相总的谐波电压畸变率仅为0.6%、0.6%、0.7%，即电压畸变很小。

而谐波电流的含有率较高，但是其负载轻，总的基波电流很小（最大的一次测量约在10A左右，可能实际运行时行车密度较低），各次谐波电流也非常小。各谐波电流成分如表1所示（以B相为例进行分析）。虽然其谐波电流含有率较高，但是换算成各次的谐波电流，都没有超过国标的规定值。
　　表1轻轨供电出线谐波电流含有率较大各次情况（其它较小成分已忽略）
　　

在两种极端运行状况下，各特征谐波成分仍未超过国标允许值。
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