一种高铁电力机车注入电网谐波的仿真方法与流程

本发明涉及电气化铁路电能质量研究领域，尤其是涉及一种高铁电力机车注入电网谐波的仿真方法。

背景技术：

电气化铁路大规模运用，尤其是和谐号(crh型)高铁的普及，对电网注入了大量不可忽视的谐波，分析高铁牵引变流器接入电网产生的谐波次数，可用来在电气化铁路接入供电系统前评估其对电力系统电能质量的影响，指导电网规划设计。

不同型号电力机车的牵引变流器原理不同，控制策略也不尽相同，因此对电网侧交流电流产生的谐波特性不同。现阶段有使用matlab/simulink搭建crh2型和crh5型机车牵引变流器模型的仿真方法，不能分析crh3型高铁的牵引变流器接入电网产生的谐波，crh3型高铁对电网注入的谐波含量、次数等数据不足，规律不明确。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种谐波数据充足、仿真结果规律明确的高铁电力机车注入电网谐波的仿真方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种高铁电力机车注入电网谐波的仿真方法，包括以下步骤：

步骤1：在pscad中搭建高铁电力机车注入电网谐波的仿真电路；

步骤2：以理想电压源等效替代仿真电路中的电网；

步骤3：以等值电阻等效替代仿真电路中的牵引逆变器和牵引电机；

步骤4：运行仿真电路，通过快速傅里叶分析fft对电网侧谐波进行分析；

步骤5：获得各次谐波含有率与谐波次数的关系，以及谐波含有率与载波比的关系。

优选地，所述步骤1中的仿真电路包括理想电压源、变压器、整流器、二倍频谐振子电路、稳压子电路和等值电阻；所述的变压器的一次侧与理想电压源相连，二次侧与整流器的交流侧相连；所述的二倍频谐振子电路、稳压子电路和等值电阻分别与整流器的直流侧并联连接。

更加优选地，所述的整流器为两个并联的四象限脉冲整流器。

更加优选地，所述的变压器为三绕组变压器；所述的三绕组变压器的一次绕组与理想电压源相连，二次绕组中的两个绕组分别与两个整流器相连。

更加优选地，所述的二倍频谐振子电路包括谐振电容和和谐振电感；所述的谐振电容和谐振电感串联连接。

更加优选地，所述的稳压子电路包括稳压电容。

更加优选地，所述的整流器采用瞬态电流控制策略。

优选地，所述的谐波包括低次谐波和高次谐波。

优选地，所述的步骤5具体为：

步骤5-1：采用快速傅里叶变换fft分析电网侧电压谐波分量，并计算在额定载波比时电网侧谐波含有率，获得谐波含有率和谐波次数的关系；

步骤5-2：通过调整整流器中igbt的开关频率来改变载波比，采用fft分析电网侧电压谐波分量，然后计算在该载波比下的电网侧高次谐波含有率，最终获得载波比与谐波含有率的关系。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提出了一种crh3型高铁电力机车注入电网谐波的仿真方法，该发明以pscad/emtdc为建模环境，根据crh3型高铁的实际元件参数，并合理简化逆变部分和异步电机部分，搭建crh3型高铁牵引变流器电路和控制模型，利用fft模块分析电网侧电压各次谐波含有率，归纳并验证出crh3型高铁对电网谐波影响，解决了当前crh3型高铁谐波数据不足、规律不明确的问题，可用来在电气化铁路接入供电系统前评估其对电力系统电能质量的影响，指导电网规划设计。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明中整流电路的结构示意图；

图3为本发明中整流器采用的瞬态电流控制策略的控制流程图；

图4为本发明中仿真的主电路图；

图5为本发明在开关频率fs＝1250hz时谐波含量的仿真结果图；

图6为本发明在开关频率fs＝1000hz时谐波含量的仿真结果图；

图7为本发明在开关频率fs＝2000hz时谐波含量的仿真结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

本发明涉及一种高铁电力机车注入电网谐波的仿真方法，其流程如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：在pscad/emtdc中搭建高铁电力机车注入电网谐波的仿真电路；

步骤2：以理想电压源等效替代仿真电路中的电网；

步骤3：以等值电阻等效替代仿真电路中的牵引逆变器和牵引电机；

步骤4：运行仿真电路，通过快速傅里叶分析fft对电网侧谐波进行分析；

步骤5：获得各次谐波含有率与谐波次数的关系以及谐波含有率与载波比的关系。

所述步骤1中的仿真电路包括电网、变压器、整流器、二倍频谐振子电路、稳压子电路、牵引逆变器和牵引电机；所述的电网等效为理想电压源；所述的牵引逆变器和牵引电机等效为等值电阻；所述的变压器的一次侧与理想电压源相连，二次侧与整流器的交流侧相连；所述的二倍频谐振子电路、稳压子电路和等值电阻分别与整流器的直流侧并联连接。

所述的整流器为两个并联的四象限脉冲整流器。

所述的变压器为三绕组变压器；所述的三绕组变压器的一次绕组与理想电压源相连，二次绕组中的两个绕组分别与两个整流器相连。

所述的二倍频谐振子电路包括谐振电容和和谐振电感；所述的谐振电容和谐振电感串联连接。

所述的稳压子电路包括稳压电容。

所述的整流器采用瞬态电流控制策略。

所述的谐波包括低次谐波和高次谐波。

所述的步骤5具体为：

步骤5-1：采用快速傅里叶变换fft分析电网侧电压谐波分量，并计算在额定载波比时电网侧谐波含有率，获得谐波含有率和谐波次数的关系；

步骤5-2：通过调整整流器中igbt的开关频率来改变载波比，采用fft分析电网侧电压谐波分量，然后计算在该载波比下的电网侧高次谐波含有率，获得载波比与谐波含有率的关系。

本发明中仿真方法的实施例：

在pscad/emtdc中搭建电网模型，以理想电压源等效替代电网电压，引出两组并联三绕组变压器，设置变压器的参数：容量为5665mva；一次侧电压25kv，二次侧电压1.55kv。

搭建如图2所示的整流器电路，包括两组并联的四象限脉冲整流电路。两组并联的四象限脉冲整流电路分别与三绕组变压器相连。折合到变压器二次侧的电阻rs和电感ls，电阻rs＝0.068ω，电感ls＝2.3mh。

四象限脉冲整流器用于将交流电变换成直流电，可以在四个象限内运行，可以将交流电压整流程直流电压，功率由交流侧流向直流侧；也可以将直流电压逆变为交流电压，功率由直流侧流向交流侧。四象限脉冲整流器交流侧电压与电网电压相位近似相等，当电力机车与电网相连时，对电网的危害较小，网侧电压畸变弱。四象限脉冲整流电路中每个igbt晶体管均并联一个反向二极管。

搭建与四象限脉冲整流器相连的直流侧二倍频谐振电路。四象限脉冲整流电路的功率损耗极小，因此近似认为整流部分交流侧功率和直流侧功率相等，可以计算出直流侧电流。

通过整流器交流侧向直流侧输入的功率为：

上式表明输入功率由两部分组成，有一部分是与输入电压和输入电流有关的恒定值，另一部分是以二倍的电网频率变化的交流分量。

整流器输出电压是恒定的直流电压ud，由功率守恒可得，整流电路输出的电压为：

可见如果仅通过整流电路，输出的直流侧电流将含有两个分量，除了理想情况下的不随时间变化的恒定值unin/ud以外，还有随时间变化的二倍频分量unincos2ωt/ud。这与理想输出的恒定电流值存在偏差，为了消除二倍频分量，最简单的方法就是在直流侧增加一条由电感和电容串联而成的谐振支路，谐振频率为电网频率的二倍，即f'＝100hz,ω'＝2πf'＝200πrad/s≈628.32rad/s。选取适当参数的电感电容构成二倍频支路，相当于将二倍频分量短路，这样输出的电流中二倍频分量被吸收，仅剩下所需要的恒定电流值。

谐振电容和谐振电感参数的选取过程如下：

根据串联谐振电路定义，谐振电容c2和谐振电感l2的关系为：

即

其中，ω'＝4πf＝200πrad/s。

上式表明二倍频谐振电路的电感l2和电容c2成反比，c2上的电压最大值为

可以得到谐振电容c2的范围

其中，α是一个系数，它是整流输出的脉冲直流电流有效值和交流电有效值的比值。正弦波交流电的有效值与整流以后的脉冲直流波的有效值不等同的，大约是交流电的0.95。

综合以上计算值和经验取值，最终选取谐振电容c2为6000μf，根据谐振电容c2和谐振电感l2的关系式可得谐振电感l2的取值为0.42mh。

本实施例中稳压电容cd的取值为9000μf。

本实施例中的整流器采用瞬态电流控制策略进行控制，控制流程图如图3所示，数学表达式如下所示：

其中，kp和ti是比例积分器的参数，是直流侧电压给定值，ud是直流侧电压的实测值，un是交流侧电压的有效值，k是交流侧电流反馈分量的比例系数，比例积分调节参数kp＝0.2，ki＝15。设置三角波频率即开关频率fs＝1250hz，幅值与变压器二次侧电压保持一致。

对牵引电机和牵引逆变器的等效过程如下：

假设牵引逆变器没有电能损耗，驱动的异步电机功率因数近似为1，可以将逆变部分和牵引电机等效为等值电阻，该电阻的计算方法具体为：

其中，pmσ是逆变部分和牵引电机的输出功率之和，pmo是单个电机的功率。

下面采用fft分析各次谐波含有率与谐波次数的关系以及谐波含有率与载波比的关系。

1、首先使用fft计算在额定载波比时电网侧谐波含有率，各次谐波含有率如表1所示。

表1额定参数下电网侧交流电流谐波含有率

采用瞬态电流控制策略对整流电路进行控制，控制过程有两个闭环，外环是用来控制直流侧电压，维持其在恒定值，内环对电流进行控制，使电网侧功率因数为1。由于直流侧电压含有二倍频谐波，经过比例积分器得到的特征信号中也会含有二倍频分量，乘以sinωt后形成的电网侧交流电流中会出现三倍频分量，则实际电网侧交流电流in1也含有三倍频分量。同理没这样的3次谐波作为输入再次进行闭环进行循环，会得到5次谐波，5次谐波将产生7次谐波，如此下去。因此牵引变流器输入端交流电流中，低次奇数谐波含量较大，有3、5、7、9、11等。

由表可得，在额定参数下运行时，交流侧电流中3次谐波含有率为0.3256％，5次谐波含有率为0.2828％，7次谐波含有率为0.1504％，9次谐波含有率为0.0885％％，11次谐波的含有率为0.1540％，相比于其他次谐波含量较大，符合理论分析。

2、通过调整整流器中igbt的开关频率改变载波比，然后测得不同载波比下电网侧高次谐波含有率的变化，分析载波比与电网高次谐波含有率的关系。

crh3型动车组，整流器部分的开关频率为fs＝1250hz，电网侧频率为f＝50hz，载波比n＝fs/f＝1250/50＝25，整流部分是二重化的pwm整流器，即两个四象限脉冲整流器并联，理论上交流侧电流谐波次数为mn+n，二重化使m为奇数时的谐波全部消除，谐波次数最低在2n附近，谐波次数在偶数的载波比附近时，高次谐波的含有率较大。

如图5所示，51次谐波含有率为0.3692％，99次谐波含有率为0.1849％，符合理论分析的在偶数倍载波比附近的谐波次数较大的结论。

为了进一步验证高次谐波与开关频率有关，分别进行fs＝1000hz和fs＝2000hz时交流侧电流谐波含量分析。

当fs＝1000hz时，谐波含有率分析结果如图6所示，41次谐波含有率为0.2057％，79次谐波含有率为0.2485％。

当fs＝2000hz时，谐波含有率分析结果如图7所示，80次谐波含有率为0.2299％。

当fs＝1000hz时，载波比为20，因此40、80等20的偶数倍次谐波附近会出现较大值，仿真结果中41次、79次谐波含量较大，符合理论分析。当fs＝2000hz时，载波比为40，因此80等40的偶数倍次谐波附近会出现较大值，仿真结果中73、80次谐波含量较大，同样符合理论分析。因此，高次谐波含量与整流器的开关频率有关，载波比偶数倍次数的谐波附近会出现较大含量的谐波。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。