高速鐵路供電系統(tǒng)諧波分析及抑制方法研究

1、碩士學(xué)位論文高速鐵路供電系統(tǒng)諧波分析及抑制方法研究analysis of harmonics and research on suppressionmethod in power supply system of high speed railway作者姓名吳鐵成指導(dǎo)教師郭鳳儀教授學(xué)科專業(yè)電機(jī)與電器二 o 一二年十二月高速鐵路供電系統(tǒng)諧波分析及抑制方法研究吳鐵成遼寧工程技術(shù)大學(xué)關(guān)于論文使用授權(quán)的說明本學(xué)位論文作者及指導(dǎo)教師完全了解遼寧工程技術(shù)大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意遼寧工程技術(shù)大學(xué)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱，學(xué)?？梢詫W(xué)位論文的全部或部

2、分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編本學(xué)位論文。保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此協(xié)議學(xué)位論文作者簽名：_導(dǎo)師簽名：_年月日年月日分類號(hào)udcu225621.3學(xué)校代碼密 級(jí)10147公開碩 士 學(xué) 位 論 文高速鐵路供電系統(tǒng)諧波分析及抑制方法研究analysis of harmonics and research on suppressionmethod in power supply system of high speed railway作者姓名吳鐵成指導(dǎo)教師郭鳳儀教授申請(qǐng)學(xué)位學(xué)科專業(yè)研究方向工學(xué)碩士電機(jī)與電器滑動(dòng)電接觸理論遼寧工程技術(shù)大學(xué)致謝本論文是在

3、我的導(dǎo)師郭鳳儀教授的悉心指導(dǎo)下完成的，是他給了我如此好的研究課題，使我有機(jī)會(huì)更加深入的鉆研本專業(yè)的知識(shí)。郭老師淵博的知識(shí)、豐富的經(jīng)驗(yàn)、嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、一絲不茍的作風(fēng)使我受益匪淺；他循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無盡的啟示。在此謹(jǐn)向郭老師獻(xiàn)上最誠摯的敬意和深深地謝意！同時(shí)感謝陳忠華副教授，在課題的方案論證和設(shè)計(jì)期間給予了大力幫助，才能比較順利地完成課題工作。陳老師的滿腔熱情、虛懷若谷的高尚人格，傳道、授業(yè)、解惑、孜孜不倦的傳授我做學(xué)問的道理。對(duì)陳老師的幫助和支持表示感謝！感謝和同學(xué)們一起打造良好的學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)，營造良好的學(xué)習(xí)氛圍，在活躍和寬松的環(huán)境下完成學(xué)業(yè)。感謝鐵道部第三設(shè)計(jì)院接觸網(wǎng)所的專家對(duì)我論

4、文的斧正。最后感謝參與我論文評(píng)審和答辯的各位老師。摘要高鐵正成為大家出行的熱門選擇，高鐵在給大家?guī)矸奖憧旖莸耐瑫r(shí)，也帶來了很多負(fù)面的產(chǎn)物。作為電氣化鐵路的能量來源，牽引供電系統(tǒng)中諧波的危害已經(jīng)越來越被關(guān)注。諧波不僅影響電力系統(tǒng)電能質(zhì)量，同時(shí)影響牽引變壓器、機(jī)車電動(dòng)機(jī)的使用壽命；還能造成自控系統(tǒng)的二次保護(hù)誤動(dòng)作，影響動(dòng)車組列車正常運(yùn)行，造成晚點(diǎn)，影響公眾出行。此外，產(chǎn)生的諧波隨接觸網(wǎng)傳播加劇了對(duì)通信的干擾。因此對(duì)牽引供電系統(tǒng)中的諧波的來源、諧波成分進(jìn)行分析，對(duì)其特性和抑制方法進(jìn)行研究，具有重要意義。本文簡(jiǎn)要概括了機(jī)車與接觸網(wǎng)對(duì)牽引供電系統(tǒng)中諧波的影響，介紹了一種優(yōu)化傅里葉算法，用于分析牽引供電

5、系統(tǒng)中的諧波；通過在不同條件下對(duì)高密牽引變電所諧波的測(cè)量，對(duì)其成分和特點(diǎn)進(jìn)行了細(xì)致的分析，發(fā)現(xiàn)諧波含量不隨牽引負(fù)荷的增加而增加，在電流合成效應(yīng)下，隨著動(dòng)車組的增加而呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。在此基礎(chǔ)上，提出了諧波抑制的方法；并介紹了 at 所自耦補(bǔ)償和一種混合有源濾波器，并在營口變電所進(jìn)行了諧波參數(shù)、諧波抑制效果的測(cè)試。通過對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證了其合理性，為以后進(jìn)一步深入研究提供了參考。關(guān)鍵詞：諧波分析；動(dòng)車組；混合有源濾波器；諧波抑制（國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)： 51277090）- i -abstracthigh-speed rail is becoming a popular choi

6、ce in travel. however, it brings aboutnot only the convenience, but also many negative products. the tractive power supplysystem, as the power supply of electrified railway, in which there is lots of harmonic.the harm of harmonic is paid more and more attention. the harmonic affect the qualityof ele

7、ctric energy supply and the working lives of traction transformer and tractionmotor. meanwhile, the secondary protection of automatic control system may falseoperation and the motor train unit will be affected to be late. the traveling of passengerswill also be delayed time. in addition, the harmoni

8、c with transmission along catenarycreate interference for communication system. so there is an important meaning to studythe component, characteristics and suppression methods of the harmonic.the influence of locomotive and catenary on the harmonic in the tractive powersupply system is summarized. a

9、n optimization fourier algorithm is introduced toanalyze the harmonics in this paper. the harmonics in gaomi electrical substation aremeasured in different conditions. by analyzing its components and characteristics indetail， the following results are achieved. the harmonic content will not increase

10、 withthe draw-bar power. it will decrease when there are several motor train unit in tractivepower supply system because of the current synthetic effect. based on this, the harmonicsuppression method is proposed. the at substation self-coupling compensation andhybrid active power filter are introduc

11、ed. at last, the harmonic suppression test aregiven in yingkou substation .by the test results and analysis, the rationality is provedand the result can be used as reference for the further study.key words： harmonic analysis； motor train unit； hybrid active power filter ；harmonic suppression（ suppor

12、ted by natural science foundation of china, no. 51277090）- ii -目錄摘要 . iabstract . ii1 緒論 . 11.1 課題研究的背景及意義 .11.1.1 問題的提出 . 11.1.2 研究的意義 . 21.21.3供電系統(tǒng)諧波研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀 .2本論文的主要內(nèi)容及章節(jié)安排 .42 高鐵供電系統(tǒng)的諧波分析及危害 . 62.1 牽引供電系統(tǒng)的諧波分析 .62.1.1 接觸網(wǎng) . 62.1.2 變流器 . 82.1.3 逆變器 . 102.2 諧波成分測(cè)量 . 122.2.1 濾波器法 . 122.2.2 傅里葉法 . 1

13、32.2.3 優(yōu)化傅里葉法 . 142.3 高密變電所諧波的測(cè)試分析 . 152.4 高鐵供電系統(tǒng)諧波危害 . 192.4.1 諧波對(duì)機(jī)車電動(dòng)機(jī)的影響 . 192.4.2 諧波對(duì)接觸網(wǎng)的影響 . 212.4.3 諧波對(duì)牽引變壓器的影響 . 212.4.4 諧波對(duì)二次保護(hù)設(shè)備和計(jì)量表的影響 . 213 諧波抑制方法 . 323.1 國家諧波標(biāo)準(zhǔn) . 323.2 接觸網(wǎng)諧波抑制 . 333.2.1 at 所自耦補(bǔ)償 . 34- iii -3.2.2 并聯(lián)電抗器 . 363.3 混合有源濾波器的設(shè)計(jì) . 383.3.1 無源濾波器組 . 403.3.2 線性電抗器 . 423.3.4 注入支路濾波器

14、 . 423.3.5 耦合變壓器 . 433.3.6 輸出濾波器 . 443.3.7 有源電力濾波器 . 444 抑制效果測(cè)試 . 454.1 測(cè)試地點(diǎn) . 454.2 測(cè)試參數(shù) . 454.3 測(cè)試方法 . 454.4 測(cè)試結(jié)果 . 46結(jié)論 . 54參 考 文 獻(xiàn) . 55作 者 簡(jiǎn) 歷 . 57學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 . 58學(xué)位論文數(shù)據(jù)集 . 59- iv -遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文1緒論1.1課題研究的背景及意義1.1.1問題的提出1960 年我國第一條電氣化鐵路寶成線建成，標(biāo)志著我國進(jìn)入電氣化鐵路時(shí)代。歷經(jīng)60 多年的學(xué)習(xí)與艱難探索，同時(shí)伴隨著科技的日新月異與工業(yè)產(chǎn)業(yè)化的突飛猛進(jìn)，

15、我國電氣化鐵路及電力機(jī)車從無到有、從時(shí)速 30 公里到京滬高鐵動(dòng)車組重聯(lián)沖高試驗(yàn)時(shí)速 486.1公里、從低噸位到大秦鐵路的萬噸重載的不斷進(jìn)步，電力機(jī)車從韶山系列到今天的 crh380系列動(dòng)車組的在線運(yùn)行，無不實(shí)現(xiàn)了飛躍?；仡櫚l(fā)展的歷史，寶成線是值得一提的，因?yàn)殚_創(chuàng)了歷史。1998 年哈大線第一次引進(jìn) re200 的德國西門子技術(shù)，應(yīng)該說是一場(chǎng)階段性的革命，也讓鐵路人看到了與國外發(fā)達(dá)國家真正的差距，但這條電氣化線路受軌道狀況的影響，開通運(yùn)營速度只達(dá)到了時(shí)速 120 公里。2002 年開工建設(shè)的秦沈客運(yùn)專線是我國對(duì)客專領(lǐng)域的又一次探索，在全國第六次鐵路大提速后開創(chuàng)了我國鐵路運(yùn)營速度的先河，實(shí)現(xiàn)了時(shí)

16、速 250 公里的在線運(yùn)行。嚴(yán)格意義上講，秦沈客運(yùn)專線是我國第一條客運(yùn)專線，也為我國開工建設(shè)時(shí)速 300 公里以上高速鐵路積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。高速電氣化鐵路(high speedelectric railway)是行車速度在 200km/h350km/h 的電氣化鐵路。國際上一般將鐵路行車速度在 100km/h 及以下者稱為常速，在 200km/h 以下稱為快速或準(zhǔn)高速，在 200km/h 以上至350km/h 者稱為高速。其中日本新干線 1952km，法國 tgv 1282km，德國 ice 427km，意大利 etr 237km，西班牙 ave 471km1。高 速 鐵 路 近 幾 年 的 發(fā)

17、 展 方 興 未 艾 ,2010 年12 月 4 日 ,在 京 滬 高 速 鐵 路 試 車 的 過 程 中 跑 出 了 486.1 公 里 /小 時(shí) 的 頂 級(jí) 速 度 。雖 然 經(jīng) 歷 了 7.23 事 故 以 后 ，對(duì) 于 高 速 鐵 路 的 建 設(shè) 與 發(fā) 展 影 響 巨 大 ，也 引 起 了 高鐵 領(lǐng) 域 學(xué) 者 的 進(jìn) 一 步 思 考 和 研 究 。這 也 是 在 急 速 發(fā) 展 的 過 程 中 的“ 震 蕩 調(diào) 整 ”，我認(rèn)為隨著高鐵技術(shù)的日臻完善，高鐵事業(yè)仍然具有強(qiáng)大吸引力 ，仍然是公共交通中努力發(fā)展的方向。大家在享受電氣化鐵路高效、運(yùn)能、環(huán)保、快速、舒適的同時(shí)，電氣化鐵路供電系

18、統(tǒng)產(chǎn)生的諧波也正在危害著供電系統(tǒng)自身的設(shè)備及上一級(jí)電網(wǎng)的運(yùn)行安全。2010 年 12 月 10日，在太中銀鐵路山西段發(fā)生一起牽引變電所跳閘事故，引發(fā)了上一級(jí) 220 千伏變電所跳閘。經(jīng)調(diào)查，在吳城至呂梁區(qū)間上行供電臂上兩輛電力機(jī)車同時(shí)啟動(dòng)，由于此區(qū)間線路坡- 1 -遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文度很大，就造成了電力機(jī)車長(zhǎng)時(shí)間的以大電流的方式向接觸網(wǎng)取流。峰值電流達(dá)到了1200a。造成了吳城變電所的跳閘。吳城變電所牽引變壓器的整定電流是 1000a，以上所述而言，吳城變電所跳閘無可厚非，屬于正常的過流保護(hù)跳閘。但是，引起上一級(jí) 220 變電所跳閘就不正常了，作為上一級(jí)的變電所，它對(duì)鐵路供電臂的整定

19、電流大于 1500a,瞬間產(chǎn)生的大電流對(duì)它不能造成影響。諧波的產(chǎn)生是造成此次事故的直接原因之一，重載的電力機(jī)車在坡道啟動(dòng)的時(shí)候，由于需要很大牽引力，會(huì)造成電力機(jī)車在鋼軌上打滑，從而引起電力機(jī)車會(huì)很大幅度的震顫，造成受電弓的離線，在瞬間高頻次的離線，就會(huì)產(chǎn)生諧波，對(duì)電網(wǎng)造成很大的危害。鑒于此，很多省市、自治區(qū)國家電網(wǎng)在電氣化鐵路開通送電之際，都會(huì)向鐵路建設(shè)部門收取高額的高可靠供電費(fèi)及諧波治理費(fèi)用。高速鐵路每個(gè)供電區(qū)段都很長(zhǎng)，一般要達(dá)到 60 公里以上，在這樣的區(qū)間里三輛動(dòng)車組啟動(dòng)運(yùn)行是常態(tài)化的。電氣化鐵路供電系統(tǒng)存在自然功率低且負(fù)載具有非線性和波動(dòng)性等特點(diǎn)。在電力機(jī)車運(yùn)行過程中隨著線路坡度、啟動(dòng)

20、和制動(dòng)等不同運(yùn)行條件而劇烈變化，會(huì)對(duì)電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)的無功補(bǔ)償造成影響。1.1.2研究的意義本課題研究的意義在于，深入分析動(dòng)車組列車、接觸網(wǎng)及牽引變電所在運(yùn)行中產(chǎn)生的諧波的特點(diǎn)，針對(duì)各種設(shè)備的特點(diǎn)，抑制諧波對(duì)電網(wǎng)的危害。從而達(dá)到保護(hù)上一級(jí)變電站的正常運(yùn)行。將高鐵整個(gè)供電系統(tǒng)的諧波產(chǎn)生抑制在可控范圍之內(nèi)，使得高鐵供電系統(tǒng)及上一級(jí)電網(wǎng)安全、高效、環(huán)保、高質(zhì)量的運(yùn)行。1.2供電系統(tǒng)諧波研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀對(duì)諧波的分析及抑制方法的研究已經(jīng)進(jìn)行了幾個(gè)世紀(jì)了，對(duì)其的研究大體上分為四個(gè)方面，一是諧波產(chǎn)生的機(jī)理研究；二是諧波譜的分析及其次生災(zāi)害；三是如何補(bǔ)償和抑制諧波；四是諧波參數(shù)的測(cè)量和諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)的研究。諧波主要是

21、由于用電設(shè)備的非線性特性造成，如單相負(fù)荷、it 行業(yè)和辦公設(shè)備中大量使用的開關(guān)式電源(smps)、電弧式負(fù)荷包括電弧熔爐、弧焊設(shè)備、公共照明系統(tǒng)中大量使用的熒光燈負(fù)荷等。圖 1.1 為典型的計(jì)算機(jī)負(fù)荷的負(fù)荷特性(示意)?？梢娫擃愒O(shè)備呈現(xiàn)出非常明顯的非線性特性，電流畸變情況非常嚴(yán)重，包含大量的諧波成分。將畸變的非正弦信號(hào)分解為各諧波成分的工具是傅里葉變換2。通常的分析表明各諧波成分呈現(xiàn)如下特性：- 2 -遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文(a)圖 1.1fig. 1.1計(jì)算機(jī)負(fù)荷的負(fù)荷特型the computer load typecast(b)偶次諧波，如 2、4 次諧波等，將造成畸變的波形在正負(fù)半

22、周內(nèi)波形不對(duì)稱。奇次諧波，如 5、7 次諧波等，不改變畸變波形在正負(fù)半周內(nèi)的對(duì)稱性。通常的線電流中不包括 3、9 次等 3 的倍數(shù)次諧波，但在有中線的系統(tǒng)中中線流過大量這類諧波。諧波通常造成很高的波形因子(crest factor)。波形因子是波形峰值與有效值的比值。過高的波形因子將造成變壓器必須以低于額定容量的方式工作。用電設(shè)備的非線性特性產(chǎn)生的諧波電流在系統(tǒng)中引起諧波電壓，降低了系統(tǒng)的電壓質(zhì)量，并帶來其它危害，如造成保護(hù)誤動(dòng)、損耗增加、變壓器和線纜降容量使用等。近年來，隨著靜止變頻器、周波變流器、異步電動(dòng)機(jī)和電弧發(fā)生裝置的使用，產(chǎn)生了所謂的次諧波和間諧波對(duì)電動(dòng)機(jī)造成的損害遠(yuǎn)大于普通的 3、

23、5 次諧波，會(huì)嚴(yán)重影響電機(jī)的使用壽命，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。諧波問題不僅是傳統(tǒng)意義上電氣問題、它嚴(yán)重的危害了國家電網(wǎng)電能質(zhì)量，而解決起諧波問題來也非常棘手3,4。抑制諧波是大家比較關(guān)注的課題，抑制諧波的方法有兩種，事前控制(預(yù)防)和事后控制(補(bǔ)償)。第一方面對(duì)諧波產(chǎn)生設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造，降低設(shè)備的諧波輸出。比如電力機(jī)車增加晶閘管濾波，提高接觸網(wǎng)的品質(zhì)，降低離線率，提高電力機(jī)車取流的穩(wěn)定性等。事后控制(補(bǔ)償)，也就是安裝有源濾波器，來清除供電系統(tǒng)中的諧波。例如在接觸網(wǎng)供電臂的中段增加 at 所，以提高系統(tǒng)供電質(zhì)量(這屬于輸電線路范疇)，在變配電所串并入大功率電容、電抗來實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。目前看來，并聯(lián)補(bǔ)償還是

24、抑制諧波最為行之有效的技術(shù)手段之一。- 3 -遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文電力系統(tǒng)諧波并聯(lián)補(bǔ)償有無源濾波器(lc 濾波器)、有源電力濾波器(apf)和混合型濾波器。并聯(lián)補(bǔ)償在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的主要目的是：提高電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性、供電可靠性和運(yùn)行效率，同時(shí)改善供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量。電力系統(tǒng)并聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備可以按照不同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類5-10。按照并聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備輸出功率的性質(zhì)可以分為：1有功和無功功率并聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備，如抽水蓄能電站、飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)、smes 及 bess，其中后者屬于 ssg 類型的 facts 控制器；2無功功率并聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備，如同步調(diào)相機(jī)、可投切電抗器、svc，statcom，apf 等；3有

25、功功率并聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備，如 tcbr。按照補(bǔ)償對(duì)象的不同，無功補(bǔ)償技術(shù)的設(shè)備可分為負(fù)荷補(bǔ)償和系統(tǒng)補(bǔ)償兩類。負(fù)荷補(bǔ)償通常是指在用戶內(nèi)靠近負(fù)荷處對(duì)單個(gè)或一組負(fù)荷的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，其目的是提高負(fù)荷的功率因子，改善電壓質(zhì)量，減少或消除由于沖擊性負(fù)荷、不對(duì)稱性負(fù)荷和非線性負(fù)荷等引起的電壓波動(dòng)、電壓閃變、三相電壓不平衡及電壓和電流波形畸變等危害。系統(tǒng)補(bǔ)償通常是指對(duì)交流輸電系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，目的是保持電網(wǎng)樞紐點(diǎn)處的電壓，減少壓降，使系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，降低線損，增強(qiáng)線路的送電能力和優(yōu)化無功潮流等。按照應(yīng)用系統(tǒng)的不同，并聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備還可以分為輸電系統(tǒng)并聯(lián)補(bǔ)償和配電系統(tǒng)并聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備，前者主要是保證輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定性和提高

26、傳輸能力，而后者主要是維持節(jié)點(diǎn)電壓，保障用戶的供電可靠性和電能質(zhì)量等。此外，還可以按照并聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備的電壓等級(jí)分為低壓并聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備，中壓并聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備與高壓并聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備等；按照并聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備的響應(yīng)速度的分為慢速型、中速型以及快速型設(shè)備等。1.3本論文的主要內(nèi)容及章節(jié)安排本文旨在分析高速鐵路供電系統(tǒng)中的諧波，研究其特點(diǎn)以及抑制諧波的有效方法。圍繞這一主題，本文將完成以下主要內(nèi)容：(1) 牽引供電系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的來源；(2) 對(duì)高速鐵路供電系統(tǒng)中諧波的有效分析方法進(jìn)行探討，并對(duì)系統(tǒng)中產(chǎn)生的諧波波譜分析；(3) 對(duì)系統(tǒng)中諧波的抑制方法進(jìn)行研究。- 4 -遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文在本文中各章節(jié)的主要任務(wù)

27、安排:第一章緒論部分簡(jiǎn)要的闡述了本文的學(xué)術(shù)研究背景，課題的理論依托及其實(shí)際意義，本課題的立意及研究方向。第二章主要介紹高鐵牽引供電系統(tǒng)的組成，然后分析了在供電系統(tǒng)中各組成部分的諧波，探討了諧波對(duì)系統(tǒng)各部分的危害。對(duì)高密變電所的諧波進(jìn)行測(cè)試，分析，總結(jié)其中的規(guī)律及特點(diǎn)。第三章主要介紹了諧波的抑制方法，介紹了一種混合有源濾波器。第四章對(duì)諧波的抑制效果進(jìn)行測(cè)試，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。- 5 -遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文2 高鐵供電系統(tǒng)的諧波分析及危害2.1牽引供電系統(tǒng)的諧波分析牽引系統(tǒng)主要由接觸網(wǎng)、受電弓、主斷路器、牽引變壓器、牽引變流器及牽引電機(jī)組成，工作原理如圖 2.1 所示。受電弓通過電網(wǎng)

28、接入 27.5kv 的高壓交流電，輸送給牽引變壓器，降壓成 1770v 的交流電。降壓后的交流電再輸入牽引變流器，逆變成電壓和頻率均可控制的三相交流電，輸送給牽引電機(jī)牽引整個(gè)列車。動(dòng)車組有兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的主牽引系統(tǒng)，一個(gè)單元是三輛動(dòng)車和一輛拖車組成一個(gè)動(dòng)力單元，另一個(gè)單元是兩輛動(dòng)車和兩輛拖車組成一個(gè)動(dòng)力單元。正常情況下，兩個(gè)牽引系統(tǒng)均工作，當(dāng)一個(gè)牽引系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可以自動(dòng)切斷故障源，繼續(xù)運(yùn)行。ac25kv受電弓牽引變壓器單相ac1770v牽引電機(jī)三相交流電牽引變流器圖 2.1牽引系統(tǒng)工作原理示意圖fig. 2.1 the diagram of traction system working p

29、rinciple2.1.1接觸網(wǎng)接觸網(wǎng)是特殊形式的輸電線路，高速鐵路的接觸網(wǎng)一般采取 at 供電方式，主要有懸掛系統(tǒng)，(腕臂、承力索及接觸線)，補(bǔ)償系統(tǒng)(af 線)、回流保護(hù)系統(tǒng)(pw 線、接地線)及各種設(shè)備組成。其作用主要是向動(dòng)車組提供動(dòng)態(tài)的電能。動(dòng)車組列車通過受電弓滑板與接觸線接觸取得電能。受電弓與接觸網(wǎng)構(gòu)成的系統(tǒng)統(tǒng)稱為弓網(wǎng)系統(tǒng)，它是動(dòng)車組的受流方式之一11。世界上大多的高速鐵路采取這種供電方式。弓網(wǎng)系統(tǒng)中很多參數(shù)對(duì)于動(dòng)車組受流有影響，其中典型的有接觸壓力、離線率、接觸網(wǎng)系統(tǒng)彈性補(bǔ)償狀態(tài)等。- 6 -遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文(1) 接觸壓力不均勻系數(shù)其表達(dá)式為：c h =1nni =1

30、ni =1i maxi max- fi min )+ fi min )(2.1)式中： n采樣點(diǎn)數(shù)；fi maxf最小值。接觸壓力不均勻系數(shù)可以評(píng)判動(dòng)態(tài)過程中接觸力的變化狀態(tài)及弓網(wǎng)的匹配效果與性能。接觸壓力對(duì)離線率和弓網(wǎng)受流狀態(tài)的都有很大影響。(2) 接觸懸掛的彈性系數(shù)及彈性差異系數(shù)接觸網(wǎng)的彈性也會(huì)影響受流質(zhì)量。高鐵接觸網(wǎng)一般采用彈性鏈形懸掛，以增大接觸線的補(bǔ)償，接觸網(wǎng)的彈性均勻連貫，即彈性差異系數(shù)要小。平均彈性系數(shù)和彈性差異系數(shù)分別表示接觸懸掛彈性性能及均勻程度，其表達(dá)式為：平均彈性系數(shù)：彈性差異系數(shù)：式中：k = (kmax + kmin ) / 2e = (kmax - kmin ) /

31、( kmax + kmin )(2.2)(2.3)k max、 k min 分別表示檢測(cè)或指定跨距內(nèi)的彈性系數(shù)的最大值及最小值。(3) 離線率離線是弓網(wǎng)配合工程中的錯(cuò)誤狀態(tài)，會(huì)對(duì)受流造成嚴(yán)重后果，離線率是評(píng)判受流關(guān)系的重要數(shù)據(jù)12,13。一般以離線時(shí)間來衡量，也有以水平?jīng)_擊力作為衡量依據(jù)的。 在接觸網(wǎng)專業(yè)俗稱為接觸網(wǎng)硬點(diǎn)。通常將 10ms 以下的離線稱為可忽視離線，10100ms 為需要克服的缺陷，大于 100ms 時(shí)為不可容忍離線。從受電弓方面看，當(dāng)列車運(yùn)行速度增大至200km/h 以上時(shí)，受電弓產(chǎn)生垂直方向的加速度，會(huì)引起接觸線的振動(dòng)，如果接觸網(wǎng)系統(tǒng)彈性補(bǔ)償狀態(tài)差的話，會(huì)造成離線。離線率為

32、運(yùn)行期間弓網(wǎng)脫開時(shí)間與運(yùn)行時(shí)間的百分比：- 7 - (f (f、 i min 分別為相鄰定位點(diǎn)間或某一個(gè)檢測(cè)區(qū)段采樣點(diǎn)處的接觸壓力的最大值和遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文s = t 100%t(2.4)式中：s 為離線率；t 離線時(shí)間(即運(yùn)行時(shí)間內(nèi)各次離線時(shí)間總和)；t 為運(yùn)行時(shí)間。弓網(wǎng)離線時(shí)，接觸網(wǎng)導(dǎo)線與受電弓滑板相當(dāng)于一個(gè)棒一板電極，在高電壓的作用下，接觸網(wǎng)導(dǎo)線與受電弓滑板之間產(chǎn)生很強(qiáng)的電場(chǎng)，在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，弓網(wǎng)電極間的氣隙被擊穿，發(fā)生氣體放電，形成電弧。弓網(wǎng)電弧導(dǎo)致牽引電流電壓的波形形成畸變，產(chǎn)生諧波，甚至是偶次諧波。2.1.2變流器阿爾斯通動(dòng)車組（crh5）采用兩電平四象限變流器供電(

33、并聯(lián)二重化)，每輛動(dòng)車上由兩組并聯(lián)；之后接兩組牽引逆變器，各自帶一電機(jī)，其主電路如圖 2.2 所示。一個(gè)主變壓器帶六組副邊，分別為能量?jī)?chǔ)放通過變壓器漏感來完成；直流側(cè)支撐電容 9.01mf，無二次吸收回路。ksaz2*ksaz1*ta2ta1圖 2.2主電路結(jié)構(gòu)smtcdccrisrdcrristv1tv2fig. 2.2 the structure of main circuit四象限變流器技術(shù)參數(shù)圖如表 2.2 所示。表 2.1四象限變流器技術(shù)參數(shù)tab. 2.1 four quadrant converter technology parametersigbt 電壓igbt 絕緣電壓ig

34、bt 電流每臂的并聯(lián) igbt/二極管數(shù)量冷卻方式- 8 -6500v / 600a9.5kv600a2水循環(huán)冷卻遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文i1nl1nintri1sl1s+inun+-i2sl2su1ab-un+-i2n l2n+u2ab+ku1ab-ku2ab-圖 2.2 crh5 機(jī)車網(wǎng)側(cè)等效電路fig 2.2 equivalent circuit for crh5 in catenary sidecrh5 四象限變流器網(wǎng)側(cè)等效電路如圖 2.2 所示14。對(duì)于并聯(lián)二重化來說，每個(gè)四象限變流器各分配網(wǎng)側(cè)功率的一半，兩個(gè)四象限變流器的三角載波相位相差 pi 2crh5 機(jī)車網(wǎng)側(cè)諧波模型如圖

35、 2.3 所示。inin+p2，即un-l1ni1abnl2n i2abnun-lniabn圖 2.3 網(wǎng)側(cè)諧波模型fig2.3 harmonic model in catenary side諧波電流源 iabn 為iabn = i1abn + i2abn=-4ku d mm p mpj n ( )cosc onsw(t + mwct + nb + ma1)-4ku d mm p mp mpj n ( )cos- 9 -)a 2 1 = 2- al1n = l2 n n= 2li1n 1 = i 2 n 1 = n 1mp l1n c ) 2 2(nw + mwcos(nwt + mwct + nb + ma1 +mp l2 n c ) 2 2 2(nw + mw遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文由于 m 為偶數(shù)，所以有諧波電流源 iabn 為.cos( x +mp2m2ia b n= -4ku d mm pmp ln (nw + mwc ) 2)(2.5)經(jīng)過并聯(lián)二重化之后， (4k + 2)n + n ，（ k = 0,1, 2.;n = 1, 3.）次諧波將會(huì)抵消，但是，四象限變流器網(wǎng)側(cè)仍然會(huì)存在 4kn + n，（ k = 0,1, 2.; n = 1, 3.）次諧波。2.1.3逆變器逆變器的作用主要是將整流器輸出的直流電轉(zhuǎn)換成三相交流電，供牽引電機(jī)使用。而動(dòng)車組中，通常