一种电气化铁路牵引供电系统谐波限值更正方法与流程

1.本发明涉及谐波治理技术领域，具体为一种电气化铁路牵引供电系统谐波限值更正方法。


背景技术：

2.谐波是指对周期性非正弦交流量进行傅里叶级数分解所得到的大于基波频率整数倍的各次分量，通常称为高次谐波，而基波是指其频率与工频(50hz)相同的分量。高次谐波的干扰是当前电力系统中影响电能质量的一大“公害”，亟待采取对策。
3.谐波放大是由于电路中的电感与电容共同作用造成的，谐波放大可以分为谐波电流放大和谐波电压放大。如果电容器投入以后，变压器中或者电容器中的谐波电流大于谐波源的谐波电流，那么就是谐波电流被放大。如果电容器投入以后，电压畸变率比未投入之前增大，就是谐波电压被放大。谐波电流放大和谐波电压放大可能同时发生，也可以单独发生，可能谐波电流被放大而电压谐波畸变率反而减小，也可能谐波电压被放大而谐波电流却减小。
4.电气化铁路牵引供电系统是指供给电力机车牵引用电的供电系统。主要由牵引变电所和接触网组成。牵引变电所将发电厂经髙压输电线送来的110kv或220kv的三相交流电变换成适合于电力机车的电流与电压后，送至接触网，再由接触网向机车供电。按向机车供电的电流制式分为直流与交流。
5.现有研究在谐波经长输电线路中的传播规律方面有一定的成果，但对于谐波经过长输电线路传播后而产生的谐波放大现象并未有涉及，同时也未进一步分析电网侧输出谐波的具体情况，无法对电网侧谐波放大现象给出量化指标。


技术实现要素：

6.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种电气化铁路牵引供电系统谐波限值更正方法，对电气化铁路牵引供电系统向电网注入谐波经过长距离输电线路存在的谐波放大现象进行了机理分析，给出了详细的推导过程，量化了谐波放大现象，并根据经长输电线路传播的谐波放大机理提出谐波限值修正方法，更新牵引站侧谐波限值，使得电网侧谐波满足谐波国标规定。技术方案如下：
7.一种电气化铁路牵引供电系统谐波限值更正方法，包括以下步骤：
8.步骤1：构建谐波经线路传播的二端口网络模型，确定牵引站侧等效参数、电网侧等效参数以及输电线路参数；
9.步骤2：根据负荷谐波等值模型以及机车负荷容量、电压等级、及功率因数的差异，搭建机车谐波模型，并将所有参数折算到牵引变压器高压侧；
10.步骤3：计算当牵引站侧注入谐波电流后牵引站侧所产生的谐波电压和电网侧产生的谐波电压，以及二者的比值，再通过比值将牵引站侧及电网侧谐波电压进行简化，进而根据谐波经线路传播的二端口网络模型，计算电网侧谐波电流；
11.步骤4：根据电网侧谐波电流，计算当牵引站侧注入谐波电流为时，电网侧输出谐波电流相较于牵引站侧输入谐波电流的放大倍数，根据所述放大倍数计算国标修正谐波限值。
12.进一步的，步骤1中所述参数包括电网侧谐波阻抗z
sys
，其大小由系统的短路容量s
短
决定，通过近似公式进行计算：
13.z
sys
≈jhu2/s
短
14.式中:h为谐波次数，u为电网侧基波电压；
15.输电线路的传播常数γ由下式计算：
[0016][0017]
式中:下标h表示谐波次数，rh与xh为单位长度输电线路电阻与电抗；gh与bh为单位长度输电线路电导与电纳；α与β为输电线路的衰减常数与相移常数。
[0018]
更进一步的，步骤2中所述参数计算如下：
[0019][0020]
式中：un表示母线在基波下的额定电压；h为谐波次数；pn为负荷的有功功率；qn为负荷的无功功率；r、xs和x
p
为机车谐波模型中的等效阻抗。
[0021]
更进一步的，步骤3和步骤4具体包括：
[0022]
当牵引站侧注入谐波电流后，牵引站侧所产生的谐波电压为如下式：
[0023][0024]
式中：为牵引站侧谐波电压；zs与y
p
分别为用双曲函数表示的线路的等值阻抗与导纳；z
l
为牵引站其他线性负荷的阻抗；
[0025]
在电网侧产生的谐波电压如下式：
[0026][0027]
式中：为电网侧谐波电压；
[0028]
则牵引站侧与电网侧谐波电压的比值如下式：
[0029][0030]
式中：l为线路长度，zc为特征阻抗；
[0031]
通过所述比值将牵引站侧及电网侧谐波电压进行简化，如下式所示：
[0032][0033]
从而根据谐波传播二端口网络模型，电网侧谐波电流如下式：
[0034][0035]
式中：为电网侧谐波电流；
[0036]
则当牵引站侧注入谐波电流为时，电网侧输出谐波电流相较于牵引站侧输入谐波电流的放大倍数如下式所示：
[0037][0038]
式中：gi为谐波电流放大倍数；
[0039]
对牵引站侧谐波电流限值进行重新计算以保证电网侧谐波电流满足国标规定，相关修正式如下：
[0040]ih,修正
＝i
h,国标
·gi
[0041]
式中：i
h,修正
为国标修正谐波限值，i
h,国标
为国标规定谐波限值。
[0042]
本发明的有益效果是：本发明对长距离输电线路供电下的电气化铁路牵引供电系统进行研究，通过对电气化铁路牵引供电系统向电网注入谐波经过长距离输电线路存在的谐波放大现象进行机理分析，表明存在线路牵引站侧注入谐波电流未超标而电网侧输出谐波电流超标的可能性，并据此提出了量化指标，给出牵引站侧谐波限值修正方法，更正线路牵引站侧谐波限值标准，保证电网侧输出谐波电流满足谐波国标限值。
附图说明
[0043]
图1为谐波经线路传播的二端口网络模型
[0044]
图2为cigre负荷谐波等值模型。
[0045]
图3为本发明电气化铁路牵引供电系统谐波限值更正方法的流程图
具体实施方式
[0046]
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。本发明对电气化铁路牵引供电系统向电网注入谐波经过长距离输电线路存在的谐波放大现象进行了机理分析，给出了详细的推导过程，量化了谐波放大现象，并根据经长输电线路传播的谐波放大机理提出谐波限值修正方法，更新牵引站侧谐波限值，使得电网侧谐波满足谐波国标规定。具体如下：
[0047]
1)电力机车谐波模型
[0048]
变频器广泛应用在电力机车中，其能限制启动电流从而对电网不产生较大的影响，但其运行过程中会产生大量谐波，对电网电能质量造成影响。
[0049]
6脉冲整流装置的波形在一周期内进行六次变换，三相全波整流属此类型，因而对
于三相6脉动整流电路而言，其产生谐波为h＝6n
±
1(n＝1,2,...)。
[0050]
根据国际大电网会议(international council on large electric systems，cigre)提出的三相整流负荷特征谐波电流计算经验公式对谐波电流进行计算。
[0051][0052]
式中：i1是基波电流，h为谐波次数。6脉冲整流时，主要谐波次数为5次、7次、11次、13次等。12脉波三相桥式整流电路由两个6脉波三相桥式整流电路并联而成，24脉波三相桥式整流电路由两个12脉波三相桥式整流电路并联而成。
[0053]
2)谐波传输等效模型
[0054]
电气化铁路牵引供电系统向电网注入谐波经过长距离输电线路存在谐波放大风险，线路牵引站侧与电网侧可等效成为二端口网络模型以研究谐波传输特性。
[0055]
谐波经线路传播的二端口网络模型如图1所示，二端口网络模型中包含牵引站侧等效参数、电网侧等效参数以及输电线路参数。为在h次谐波下，电力机车谐波源向线路牵引站侧所注入的谐波电流；i2为电网侧电流；u1、u2分别为牵引站侧电压及电网侧电压；z
sys
表示电网侧谐波阻抗；z
l
为牵引站其他线性负荷的阻抗；为考虑线路的分布参数特性，zs与y
p
分别为用双曲函数表示的线路的等值阻抗与导纳。
[0056]zsys
大小由系统的短路容量s
短
决定，并可通过近似公式进行计算。
[0057]zsys
≈jhu2/s
短
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0058]
式中：h为谐波次数。
[0059]
输电线路的传播常数为γ，可由下式计算得到。
[0060][0061]
式中：下标h表示谐波次数，rh与xh为单位长度输电线路电阻与电抗；gh与bh为单位长度输电线路电导与电纳；α与β为输电线路的衰减常数与相移常数。
[0062]
3)谐波经长线路传播限值更正方法
[0063]
根据cigre负荷谐波等值模型以及机车负荷容量、电压等级、及功率因数的差异，搭建机车谐波模型，其所有参数均折算到牵引变压器高压侧。cigre负荷谐波等值模型图如图2所示。
[0064]
相关参数计算如下。
[0065][0066]
式中：un表示母线在基波下的额定电压；h为谐波次数；pn为负荷的有功功率；qn为负荷的无功功率。
[0067]
长线路工况下，线路对地电容相对于短线路工况下较大，因而当谐波从牵引站侧
注入后经长线路传播进入电网会出现谐波方法现象。从而出现牵引站侧谐波未超标而电网侧谐波超标的现象。
[0068]
当牵引站侧注入谐波电流后，牵引站侧所产生的谐波电压为如下式。
[0069][0070]
式中：为牵引站侧谐波电压
[0071]
在电网侧产生的谐波电压如下式。
[0072][0073]
式中：为电网侧谐波电压
[0074]
则牵引站侧与电网侧谐波电压之比如下式。
[0075][0076]
通过比值将牵引站侧及电网侧谐波电压进行简化，如下式所示。
[0077][0078]
从而根据谐波传播二端口网络模型，电网侧谐波电流如下式。
[0079][0080]
式中：为电网侧谐波电流
[0081]
则当牵引站侧注入谐波电流为时，电网侧输出谐波电流相较于牵引站侧输入谐波电流的放大倍数如下式所示。
[0082][0083]
式中：gi为谐波电流放大倍数
[0084]
则长输电线路情况下，放大倍数数值可能超过1，进而出现谐波放大现象，使得电网侧谐波电流大于牵引站侧谐波电流，因此需结合国标相关规定，对牵引站侧谐波电流限值进行重新计算以保证电网侧谐波电流满足国标规定，相关修正式如下。
[0085]ih,修正
＝i
h,国标
·gi
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0086]
式中：i
h,修正
为国标修正谐波限值，i
h,国标
为国标规定谐波限值
[0087]
得出牵引站侧谐波限值修正值后，需对牵引站侧谐波电流进行处理如减少同一时间运行机车数，或是加装滤波装置，以保证其满足谐波限值修正值要求，从而使得谐波经长输电线路传播后，电网侧输出谐波满足国标要求。
[0088]
本发明的技术方案流程图如图3所示，本发明提出了量化指标，给出牵引站侧谐波限值修正方法，更正线路牵引站侧谐波限值标准，保证电网侧输出谐波电流满足谐波国标限值。