EMTDC

EMTDC（精选7篇）

EMTDC 篇1

0 引言

空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)控制策略是依据变流器空间电压(电流)矢量切换来控制变流器的一种新颖思路的控制策略[1]。该控制策略早期由日本学者在20世纪80年代初针对交流电动机变频驱动而提出的。SVPWM也叫磁通正弦PWM法,是一种以三相波形整体生成效果为前提,以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的的PWM波生成方法[2]。以后的发展使得这种PWM控制脱离了交流电机磁链轨迹控制的原意,形成了电力电子技术中一类PWM控制方式[3]。与SPWM控制相比,SVPWM算法的主要优点是:能提高直流电压利用率;在每一次PWM波变化时,只有一个开关管动作,大大减少了开关次数;输出波形谐波含量小[4]。EMTDC是目前被广泛使用的一种电力系统分析软件。经过多年的发展,既可以研究交直流电力系统问题,又能够完成电力电子仿真及非线性控制的多功能工具。特别是PSCAD图形界面的开发成功,使得用户能更方便地使用EMTDC以进行电力系统仿真计算[5]。但在PSCAD/EMTDC库文件中没有实现SVPWM控制的元件,本文通过对两电平SVPWM控制的基本原理进行分析,在PSCAD/EMTDC中创建了实现SVPWM控制的元件。文中介绍了创建两电平SVPWM元件的过程,并对主程序各功能模块的算法如参考矢量所在扇区判断、空间矢量工作时间计算、工作时间分配等进行了详细的分析。最后用仿真验证了自定义SVPWM元件的正确性和有效性。

1 SVPWM基本原理简介

以三相桥式电压型逆变电路为例来说明两电平空间矢量调制的基本原理。典型的三相电压型逆变电路及其PWM等效电路如图1所示[6]。

PWM等效电路中逆变器各桥臂的开关状态分别为Sa、Sb、Sc,其值为1时表示上桥臂导通下桥臂关断,为0时表示上桥臂关断下桥臂导通[7]。

假设期望输出的三相基波电压为:

定义电压空间矢量为:

式(2)表明:矢量V是模为U且以角频率ω按逆时针方向匀速旋转的空间矢量。若定义逆变器的开关状态为(SaSbSc),则共有八个开关状态组合,可得到模为2Vdc/3相位依次相差π/3的六个非零矢量V1～V6和两个零矢量V0、V7,如图2所示。

按照矢量合成的平行四边形法则和PWM的等面积原则利用这8个矢量可以合成任意角度有限模长的空间矢量,也就是在一个开关周期内,选择与参考矢量最接近的3个空间矢量Va、Vb、Vc,并控制它们的作用时间,使得各开关矢量的控制效果在平均伏秒意义上与参考矢量的控制效果等效[8]。即VTs=VaTa+VbTb+VcTc,其中Va、Vb为非零矢量,Vc为零矢量,如图2所示。

2 SVPWM算法元件的创建及其主程序流程

2.1 自定义功能元件的创建

PSCAD/EMTDC之所以是一个强有力的仿真工具,一个重要原因是它允许用户根据需要创建自定义功能的新元件[9]。用户可通过元件向导创建新元件。在“Circuit”视图中单击主工具栏的“New Component”或右键单击空白区域后选择“Create New Component…”,将弹出元件向导对话框。在元件向导对话框中可确定新元件的名称、说明、输入输出节点的数量、名称及数据类型,最后单击“完成”并将新元件放置在电路视图中。接着可右键单击新元件,选择“Edit Definition…”,在“Graphic”选项卡中可编辑新元件外观、输入输出节点的数量、名称及数据类型,在“Parameters”选项卡中可以设计一些用户与元件的基本接口,在“Script”选项卡中包含了“Component Definition”的核心部分,元件的基本功能都将在此被定义。SVPWM算法主程序均写在“Script”选项卡中。

图3为在PSCAD中创建的“SVPWM”元件外观图。该元件有4个输入参数6个输出参数,其中,Vdc为直流侧电压,Vα和Vβ为电压空间矢量V在α轴和β轴的分量,Ts为PWM开关周期,P1～P6输出为各桥臂开关管控制脉冲。

2.2 主程序流程

主程序流程如图4所示,采用FORTRAN语言编写。主要包含以下功能模块:初始化变量、判断V所在扇区、计算空间矢量的工作时间、判断当前所处时段、分配空间矢量工作时间、根据V所在扇区和当前所处时段查空间矢量工作时间分配表产生开关管控制脉冲。与文献[10]的程序流程相比,本流程省略了“到达设定的仿真时间?”,此功能由仿真软件自动实现,当到达设定的仿真时间仿真将自动结束,且无需每个仿真时间步长DELT都判断V所在的扇区,只需在完成一个开关周期仿真后开始一个新的开关周期仿真时,才重新判断V所在的扇区并计算空间矢量的工作时间。

3各功能模块的详细算法

PWM控制的关键就是确定6个开关管的开通状态和时间,其状态必须满足在同一时间只有3个开关管处于导通状态,另3个开关管处于关断状态;同一桥臂上下两个开关管处于互补状态,避免上下桥臂导通。SVPWM一般算法的步骤是[11]:将给定的abc轴指令电压合成电压空间矢量V,然后将其在αβ直角坐标系上进行分解形成Vα和Vβ,最后确定开关管工作状态。

3.1 初始化变量

以当前仿真时间TIME为初始化的依据,当TIME小于一个仿真时间步长DELT时进行变量的初始化。初始化的变量为程序中用到的一些变量,如角度、时间等变量以及对一些计数器赋初值。

3.2 判断是否完成一个开关周期仿真

根据开关周期Ts和仿真时间步长DELT可确定一个开关周期内的计算次数i,以i为计数器可判断是否完成一个开关周期仿真。如果完成一个开关周期仿真,则重新判断V所在的扇区,如果未完成一个开关周期仿真,则直接判断当前时刻所处的时段,然后根据V所在扇区和当前所处时段查空间矢量工作时间分配表后产生开关管控制脉冲。

3.3 判断V所在扇区

根据V在α轴和β轴的分量Vα和Vβ可判断V所在扇区。最直观的判断方法为:以V与α轴的夹角γ进行判断。首先计算V与α轴的夹角γ,定义逆时针方向为正,取值范围为(0,2π)。计算γ角的方法如式(3)所示。

根据计算出的γ角可以很容易地判断出V所在的扇区,如γ∈[0,π/3),V在Ⅰ扇区;……;γ∈[5π/3,2π),V在Ⅵ扇区。

此方法虽然直观,但是三角函数的计算将占用大量的时间。文献[12]介绍了采用简单的加减和逻辑运算确定V所在扇区的方法。方法如下:

令A=Vβ,B=Vα-Vβ,C=-Vα-Vβ,N=sign(A)+2 sign(B)+4 sign(C)(4)

式(4)中,sign(x)=(5)

经过分析,扇区号n与N有一确定的对应关系,见表1。

当判断出电压空间矢量V所在的扇区后,即可根据所在扇区选取三个空间矢量Va、Vb、Vc,选取结果见表2。

对于零矢量Vc的选择,主要考虑选择V0或V7应使开关变化尽可能少,以降低开关损耗。

3.4 计算空间矢量的工作时间

文献[1]推导了电压空间矢量V在Ⅰ扇区时,开关管导通时间计算式。当V在其他扇区时,计算式中除了θ参数外其余都一致。因此,只需在计算导通时间前先根据V所在的扇区求出相应的θ角,即可使用如下计算式:

式(6)中,Ta、Tb、Tc分别为矢量Va、Vb、Vc的作用时间,m为SVPWM调制系数,并且

θ角称为参考矢量的方位角[13]。其计算也比较简单,用前面计算出的V与α轴的夹角γ减去V所在扇区的起始空间矢量(以逆时针方向计算扇区的起始和终止)与α轴的夹角即可得到θ角。如V在Ⅰ扇区时,θ=γ-0;……;在Ⅵ扇区时,θ=γ-5π/3。

若某扇区的Ta和Tb之和大于Ts,即出现过饱和现象[12]。对此,需对Ta和Tb进行归一化处理

3.5 分配空间矢量的工作时间

空间矢量工作时间的分配有多种方法,这里介绍其中的两种方法。若要获得最低的开关损耗,则每次开关状态变化只改变一相桥臂的开关状态[14],且在每个开关周期内每相桥臂的开关状态变化不超过一次。则在一个开关周期内,开关状态输出可按式(9)或式(10)交替顺序输出。此脉冲输出方式每个开关周期内有4个开关矢量,包括两个零矢量,需要确定每个零矢量的具体作用时间,设(000)的作用时间为kTc,则(111)的作用时间为(1-k)Tc,k在[0,1]内取值,所取数值的不同会得到不同的三相平均输出电压效果,其本质为影响一个开关周期三相输出电压中的零序分量的大小,为简化计算其值可取为1/2。

另外一种方法是将零矢量周期分成三段,矢量V的起、终点上均匀地分布矢量V0,而在矢量V的中点处分布矢量V7,开关状态输出按式(11)交替顺序输出。

且T0=T7=Tc/2,为简化计算取t1=t7=T0/2=Tc/4,t4=T7=Tc/2。t1～t7为一个开关周期Ts中的7个不同时段。以扇区Ⅰ为例,空间矢量工作时间分配如图5所示。

由于第一种脉冲输出方式在开关频率fs处的谐波幅值较大,第二种方式在开关频率fs附近处的谐波幅值降低十分明显,因此本文采用第二种脉冲输出方式。采用第二种脉冲输出方式时,各扇区对应的开关管导通时间分配规律如图6所示。

根据图6的各扇区对应的空间矢量工作时间分配规律可得到空间矢量工作时间分配表,见表3。

3.6 判断当前所处的时段

到这里,已判断出V所在的扇区,且有了不同扇区的空间矢量工作时间分配表,现在只需判断当前仿真时间处于一个开关周期的哪个时段即可输出开关管控制脉冲。

首先在初始化变量时设置一个计数器M用以储存当前时刻已进行的完整的开关周期个数,每完成一个完整的开关周期计算M值自动加1。则当前所处的时段与当前仿真时间TIME有一确定的对应关系,见表4。

最后根据V所在的扇区号和当前所处的时段以及空间矢量工作时间分配表,采用查表法可确定当前时刻开关管的状态。

4 仿真验证

为了验证自定义SVPWM元件的正确性和有效性,在PSCAD/EMTDC仿真软件中进行了基于自定义SVPWM元件的仿真逆变实验,仿真主电路如图7所示。仿真参数如下:直流电压Vdc=1 kV,调制系数m=0.658,开关周期Ts=200μs,负载为对称星形连接负载R=0.4Ω,L=0.002 5 H。

图8为逆变器输出的相电压和线电压波形。图9给出了逆变器输出的相电压经过低通滤波器后的波形,可以看出相电压里面含有三次谐波。图10给出了逆变器输出的相电流波形及其频谱图。从相电流波形可看出输出电流接近正弦波。从频谱图可看出,基波电流为0.248 5 kA,三次谐波为0.018 6 kA,除了三次谐波外还有一个相对比较明显的谐波为100次谐波,其频率等于开关频率fs,值为0.003 95 kA。可见谐波含量很小。

5 结论

本文在PSCAD/EMTDC仿真软件中创建了自定义的SVPWM元件,并用程序实现了其功能。程序首先判断参考矢量所在的扇区,然后判断当前时刻所处的时段,根据所在扇区和所处时段采用查空间矢量工作时间分配表的方法确定开关管状态,该方法计算量小,便于数字化实现。最后用仿真实验验证了自定义SVPWM元件的正确性和有效性。文章对自定义元件的创建过程和主程序流程图进行了详细的剖析,读者可据此创建自定义的SVPWM元件。

摘要：针对电磁暂态分析软件包PSCAD/EMTDC库文件中没有现成的能实现空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法元件的问题,根据两电平SVPWM的基本原理,在PSCAD/EMTDC里创建了自定义的两电平SVPWM算法元件。介绍了两电平SVPWM的基本原理、自定义元件的创建过程以及SVPWM元件主程序的流程图,对各主要功能模块的算法也进行了详细的分析。基于该自定义SVPWM元件进行了仿真实验,仿真结果表明了自定义SVPWM元件的正确性和有效性。

关键词：PSCAD/EMTDC,空间矢量,脉宽调制,算法

EMTDC 篇2

中国南方电网已形成含多馈入直流的交直流混合输电系统,这种新的电网运行形式给传统的以交流电网为中心的运行模式带来挑战。近年来,作为南方电网受端电网的广东电网,发生了多起因交直流系统的相互作用导致交流继电保护误动的事故,已成为工程界和学术界关注的热点问题[1,2]。

研究交直流相互作用下的电力系统动态行为,采用传统的以交流系统为中心的建模方法和仿真工具难以达到要求。目前常用的BPA仿真软件中,直流系统采用准稳态模型,不能直接反映逆变站换相失败故障,难以分析诸如交直流相互影响导致继电保护误动这样的暂态过程。EMTDC是目前公认最权威的包含直流输电系统的电磁暂态仿真软件,适于进行交直流相互作用的机理研究[3,4]。然而,在基于EMTDC研究广东电网交直流混合运行动态行为时,仍需要对交流、直流系统的模型和规模进行合理的取舍与等值,既能够保留交直流相互作用的动态特征,又具有较高的仿真效率。

本文以目前投入运行的南方电网4条直流和广东500 kV主网架为背景,从关注大规模多馈入交直流系统电磁暂态过程出发,研究基于EMTDC的广东电网交直流动态仿真建模问题。根据实际电网结构和负荷特性提出了仿真规模、元件模型选择、等值处理等相关问题的原则和方法,并结合实际电网数据和实际故障录波进行验证分析,再现交直流相互作用引发的直流换相失败和暂态功率倒向的动态过程。

1 仿真规模及模型选取原则

本文从交流继电保护的角度,在电磁时间框架内研究交直流混联系统中交直流之间和各回直流之间的相互影响及其对交流继电保护的影响。由于仿真规模和效率的限制,基于EMTDC仿真平台在交流电网的取舍和等值、交直流系统的模型选择等方面需要重点研究。

实际电网运行表明,直流系统在受扰后的响应,不但与故障类型和故障点位置密切相关,而且与交流电网的运行情况密切相关,表征出很强的复杂性。文献[3]提出仿真平台建立目标:交流系统潮流分布、动态特性,直流系统电气特征与原网保持一致。

本文研究交直流间相互作用及其影响,因此在尽可能保持广东电网电气特性和仿真结果精度的前提下,兼顾EMTDC系统建模的复杂性、仿真效率,重点关注的是广东电网直流落点区域和500 kV主网架,对220 kV以下电网和影响较小的区域进行简化等值。以2008年为例,广东电网含电厂的500 kV站点42个,220 kV站点大约250个。采用基于Ward的多端等值法[5],最后简化为保留广东电网500 kV主网架共28个节点,其规模见附录A图A1。

在电磁暂态时间框架内不涉及发电机的各种控制调节作用,而受端系统支撑电压强弱对交直流间相互作用影响显著,因此发电机采用电压源模型[6,7],并把运行方式潮流结果中发电机机端的电压相量作为发电机的运行初值。本文研究工作主要关注交流继电保护的行为,因此线路模型不必考虑行波特性,采用π模型,有互感平行双回线采用贝瑞隆模型。实际系统中的联络节点,本身不消耗功率,只保留站点母线,而负荷节点用带内阻的实际电源加恒功率模型代替。

目前南方电网已投运4条直流,落点均在广东,本文针对4条直流一次系统的建模均依据实际系统参数和网络结构。直流控制保护系统对其动态性能具有较大影响[8,9,10],理论上应在EMTDC中按各直流实际控制保护系统建模。但本文主要关注故障后瞬间直流系统响应特性对交流保护影响的极端情况,在此时间框架下可简化认为直流控制系统高级功能尚未来得及作用。从可行性角度出发,各直流的控制保护系统采用CIGRE标准模型可满足本文研究问题的工程精度要求。

2 天广直流落点的等值处理

±500 kV天广直流落点在220 kV广州换流站,并由广北甲、乙线接入500 kV北郊变电站的220 kV母线上,由此向220 kV和500 kV电网输送功率。而其他3个直流系统,包括三广直流、高肇直流和兴安直流均直接接入500 kV主网架[11]。天广的特殊电压等级落点使得需要对此处的220 kV电网等级的电气联系加以考虑,才能准确模拟天广直流与受端交流电网相互作用的动态特性。合理的天广直流接入方式处理需要兼顾网架等值处理和交直流相互作用强弱影响2个方面。

2.12种接入方式比较

本文对天广直流接入广东电网500 kV主网架有以下2种接入方式:方式A为保留广州换流站220 kV母线节点,天广直流直接接在广州换流站220 kV母线上;方式B为不保留广州换流站220 kV母线节点,天广直流通过一个500 kV/220 kV的升压变压器接在北郊站500 kV母线上。

本文重点考察的是直流对500 kV主网架的影响,因此倾向选择接入方式B简化等值规模。接入方式B是接入方式A的一种简化处理,即忽略了220 kV电网可能存在环路的情况。对2种接入方式的等值处理的差异性分析,重点在直流接入点其相邻站点间等值阻抗是否大至可忽略交流故障电流在此支路上的分流。等值软件计算得出直流接入点广州换流站220 kV母线与周边存在220 kV网络连接的500 kV母线节点间的等值阻抗情况如表1所示。

由表1可得:①部分等值阻抗的忽略可能会引入误差,如增城站;部分等值阻抗不能忽略必须要考虑,如曲江站、广南站。②从短路等值角度看,选择接入方式B如需考察天广直流附近220 kV故障时,至少需考虑增加对曲江站与广南站220 kV等值回路。

2.2 可能等值方案对比分析

在上文分析的基础上进一步分析保留节点间等值支路的忽略而引起故障后直流暂态快速响应对交流节点作用强弱的影响。考虑故障后等效注入电流(功率)最大变化情况是天广直流瞬时全失,这种情况下对母线电压的影响最大。考虑选取此时误差能满足要求的最简单的等值处理方案。

针对以上2个分析结果,可考虑采取的等值处理方案有6种,下面进行对比分析。计算结果如表2所示。

表中列出了在下述6种方案下的计算结果:①“理论”表示在广东电网500 kV和220 kV所有节点全部保留情况下的计算结果;②“A”表示采用接入方式A情况下的计算结果;③“A无沙C、顺德”表示采用接入方式A但忽略广州换流站220 kV母线与沙C、顺德站之间的等值阻抗情况下的计算结果;④“B+广南、曲江”表示采用接入方式B但增加广州换流站220 kV母线与广南、曲江站之间等值阻抗情况下的计算结果;⑤“B+广南、增城”表示在采用接入方式B但增加广州换流站220 kV母线与广南、增城站之间的等值阻抗情况下的计算结果;⑥“B”表示采用接入方式B情况下的计算结果。

由表2的计算结果可知:在不增加等值复杂性的基础上,采用“A无沙C、顺德”,可基本满足精度的要求。

3 仿真验证与扩展研究

为了验证本文仿真建模的正确性,本文结合广东电网实际运行方式和实际故障录波数据,分别进行了稳态和暂态仿真精度的对比分析。进一步,还对广东电网交直流相互作用的一些极端情况进行了仿真研究,以说明本文的有效性和可能的应用方向。

3.1 仿真验证

3.1.1 BPA稳态潮流比对

考虑到故障前交流系统潮流对直流换相有影响,在08夏大、08夏小、08冬大和08冬小4种典型运行方式下将EMTDC等值简化网和BPA稳态计算结果进行对比。从表3可得:各母线电压和相位最大相对误差为3.8%;各实际线路潮流流向一致,有功功率最大相对误差为6.9%,无功功率相对误差为14.2%。说明基于EMTDC的交直流输电系统典型结构模型的潮流能反映实际电力系统各种运行方式。

3.1.2 横东甲乙线保护误动事件再现

交流系统故障期间,逆变侧交流母线电压降低导致直流系统换向失败,交流输电线路功率出现快速倒方向,可能影响交流侧继电保护判据并导致保护误动,发生使重要输电线路停运的严重事件[12]。

模拟2005年广东电网横东甲乙线保护误动事件前的潮流并按当时的故障类型进行仿真:博—惠等值支路离博罗站78%处设置故障:AB两相经过渡电阻15 Ω短路(0.600 s至0.680 s),且在故障期间(0.660 s)跳开线路两侧开关。

从附录B图B1的EMTDC仿真结果与实际故障录波比较可知,故障前、后稳态情况下两者的结果基本相同,在故障期间各线路电流和各母线电压的暂态变化基本相同。

图1(a),(b)显示变压器阀侧的三相交流电流暂态变化趋势基本相同,交流故障引起直流系统换相失败,然后直流系统暂时闭锁,交流故障消除后,直流系统重启成功这整个过程。EMTDC模型中直流系统对交流系统电气特性影响与实际较相符。

从图1(c)可看出,正常时A相的有功功率Pa和无功功率Qa的方向为横沥→东莞,各相电压超前电流的相位约为61°,其相量关系在第一象限,表明A相功率是正方向。在故障后(0.613 s)Pa和Qa的方向变为东莞→横沥,这时电压超前电流的相位约为-157°,其相量关系在第三象限,表明A相功率是反方向,出现了功率倒向,从而引起保护误动。

3.2 广东电网交直流相互作用扩展研究

交直流电力系统在故障暂态过程中相互作用最强烈而引起故障特征变异最严重的是直流换相失败的发生。在此期间,直流系统换向失败引发交流输电线路的功率出现快速倒方向,造成类似于2005年横东甲乙线保护误动事故的暂态功率倒向的发生并不是偶然现象。目前国内外对这2个问题的研究主要集中在交流电气量特点上[12,13,14],这固然重要。然而在实际运行方式繁复多变而故障位置和类型不可预知的情况下,对多大范围内的母线和线路故障能够引起逆变器换相失败和线路暂态功率倒向展开研究,则更具工程实用价值。

3.2.1 换相失败

以广东电网4回直流和500 kV主网架为背景,在本文仿真平台上分别设置4种故障类型,并选择多个故障点来测试其对直流换相失败的影响。选取直流落点附近的其他500 kV节点进行4种故障测试,表4列出了部分统计结果。

大量仿真表明:不同类型故障对直流系统的影响并不一致。非对称故障更容易引起直流换相失败。当分析交流故障引发直流换相失败的可能区域时,应着重考虑不对称的两相故障。

3.2.2 暂态功率倒向

针对交流继电保护影响最严重的暂态功率倒向问题,本文在广东电网当前网架条件下,基于本文仿真平台进一步研究,表5给出了典型仿真结果。

大量仿真表明,受端交流侧故障可能引起1条或多条直流换相失败,并由此引发多条实际线路出现暂态功率倒向。本文研究表明,2005年发生的横东甲乙线暂态功率倒向问题,并没有随着近年来广东电网网架的加强而消失,在特定的情况下仍然会发生。因此,在未来的电网规划和运行中,特别是继电保护配置、运行和整定计算中需要严格校核,这也是本文仿真平台未来的一个重要应用方向。

4 结语

本文以含多条直流的多馈入交直流系统广东电网为研究对象,提出了仿真规模、模型选取、网络化简的原则和方法。特别是对接入220 kV交流系统的天广直流特殊落点接入方式进行了详细分析,给出了合理、有效的处理方案。结合广东电网实际运行方式和实际故障录波数据,分别进行了稳态和暂态仿真精度的对比分析。进一步,基于本文的仿真平台,还对广东电网交直流相互作用的一些极端情况进行了仿真研究,指出了广东电网交直流相互作用的影响范围及形式。本文工作为研究含多馈入直流的大规模交直流系统动态特性提供了一种实用、可行的方法和仿真手段。

EMTDC 篇3

关键词：高铁,电能质量分析,PSCAD/EMTDC软件,牵引供电系统,建模仿真

0引言

由于电气化铁路具有非线性、不对称性和波动性等特点, 其大规模接入电网会产生大量的负序功率和谐波等, 恶化电网的电能质量, 降低供电的安全可靠性。目前, 已有许多对高速电气化铁路建模仿真及其电能质量问题方面的研究[1,2,3]。参考文献[1]以江苏电网为例, 研究了电气化铁路负荷集中接入对江苏电网电能质量的影响, 并提出了相关的治理措施。参考文献[2]运用PSCAD/EMTDC软件对牵引供电系统的典型元件进行建模, 分别对Scott接线牵引变压器的电流互感器AT供电方式以及V/v接线牵引变压器的带回流线的直接供电方式的牵引供电系统进行了仿真分析, 重点研究了两种供电方式下牵引网的网压水平。参考文献[3]在ETAP软件中搭建V/v接线牵引变压器模型并进行了仿真分析, 从公共连接点的谐波电流和谐波电压角度研究了沪宁城际铁路对江苏电网的影响。

可以看出, 以往对高铁电能质量的研究主要是从仿真的角度来研究高铁接入后的电能质量问题, 对高铁实际运行时系统侧电能质量的变化特性还有待进一步挖掘, 尤其是对高铁运行工况变化引起系统侧电能质量的变化特性研究仍然较少。为此, 本文在运用PSCAD/EMTDC软件搭建高铁牵引供电系统仿真模型的基础上, 从不同角度对高铁实际运行中不同运行工况下系统侧电能质量变化的特性做了深入的研究。

1高铁仿真模型搭建

高铁建模仿真是针对高铁牵引供电系统仿真模型而言的, 由系统电源、牵引变压所、牵引网和高速动车组等组成, 如图1所示。

本文依据各组成模块的工作原理, 在PSCAD仿真软件中建立了整个高铁牵引供电系统的仿真模型, 以用于说明高铁负荷对电网造成的影响, 下面将对各个模块的仿真模型做具体介绍。

1.1高铁负荷仿真模型搭建

近年来, 我国在引进、吸收国外先进电力动车组的技术基础上研发了代表当前最高水平的交-直- 交CRH系列动车组, 主要车型有CRH1、CRH2、CRH3、 CRH5等。本文将对CRH系列动车组中的典型车型CRH2型动车组的特性进行分析与建模[4,5]。

CRH2型动车组主电路结构如图2所示。由图可知, 其由四象限脉冲整流器、中间直流环节、逆变器环节组成。牵引变压器二次侧牵引绕组额定电压为1 500 V, 通过单相三电平脉冲整流器整流为2 600~3 000 V直流电输出给逆变器。逆变器同样为三电平逆变器, 采用Vv/VF (变压变频) 的控制方式输出电压0~2 300 V、频率0~220 Hz可调的交流电驱动牵引电机。动车组中间整流环节采用的是三电平四象限脉冲整流器 (Three-level four-quadrant rectifier, TL4QR) 实现中间直流环节恒压[6,7,8], 其控制策略采用瞬态直接电流控制, 相关控制原理的数学表达式如公式 (1) 所示:

式中:Kp和Ti为PI调节器参数;U*d为中间直流侧电压给定值;Id和Ud分别为中间直流环节电流和中间直流环节电压;K为比例放大系数;ω为网侧电压的角频率;LN为线圈电感额定值。

同时, 为了输出符合动车组牵引电机工作要求的电压波形, 本文通过进行空间电压矢量的位置判断、空间电压矢量触发时间的计算以及空间电压矢量触发顺序的选择, 从而实现对逆变器环节的空间矢量脉宽调制SVPWM控制。另外, 仿真模型中, 对CRH2型动车组的鼠笼式异步电动机采用基于转子磁链定向的电机矢量控制策略[9,10]。

1.2 CRH2动车组牵引电机仿真模型搭建

为确保CRH2动车组稳定运行, 需设计可靠的控制系统以实现对各工况间切换的平滑过渡。本文通过恒速控制器设计, 计算出牵引/再生制动特性曲线发出给定转矩与磁通指令, 再将向量解耦计算结果与电机定子采样电流及转速比较, 经坐标变换、速度换算, 同时将转矩与励磁分量解耦, 最终触发逆变器, 得以拖动鼠笼式三相异步电机。下面具体介绍恒速控制器设计方案。

依据动车组实际运行速度区域, 给出了如表1所示的控制模式设定, 表中v*表示给定速度, v表示动车组实际运行速度, Δv表示速度差值。

恒速控制器依据图3所示的恒速控制策略进行设计, 以使得动车组能够在不同的运行控制方式间平滑过渡。由图3可知, 当Δv≥5 km/h时, 动车组为牵引控制模式, 动车根据牵引特性曲线发出参考转矩与磁通指令;当-5 km/h<Δv<5 km/h时, 动车组为恒速控制模式, 参考转矩与磁通指令由恒速控制器计算给出;当Δv≤-5 km/h时, 动车组为再生制动控制模式, 根据再生制动特性曲线发出参考转矩与磁通指令。

依据恒速控制器控制原理, 本文引入了相关系数k1, 得到牵引电机恒速控制时的参考转矩:

式中, Tv*为通过牵引/再生制动特性曲线计算所得的牵引电机转矩, 在恒速控制模式下称之为恒速特性转矩。k1表示取值范围为[0, 1]的斜坡函数值, 若k1=0, 则实际参考转矩指令值Te*=TL;若k1=1, 则实际参考转矩指令值Te*=Tv*。因此, 可通过调节k1值的大小实现动车组在牵引、恒速与再生制动三者间的平滑切换。

当牵引传动控制系统由牵引进入到恒速控制时, 牵引电机的参考转矩指令的数学表达式如下:

式中, T*qy (v*-5) 为进入恒速控制时依据牵引特性曲线输出的临界转矩指令。

由式 (3) 可知Δv=5 km/h时, 系统处于牵引与恒速控制模式的临界点, 此时, Tv*=T*qy (v*-5) ;当Δv=1 km/h时, 系统控制方式为恒速控制模式, 此时动车组运行于给定速度 (v*-1) km/h处, 即动车组牵引电机的参考转矩与实际负载转矩相等。

当动车组运行速度处于-5 km/h<Δv <1 km/h范围内, 此时系统的控制方式由再生制动切换为恒速控制模式, 牵引电机的参考转矩指令输出分为3个过程, 即:

(1) 若0 km/h<Δv <1 km/h, 则牵引电机的输出参考转矩为:

(2) 若-2 km/h<Δv ≤0 km/h, 则输出的参考惰行转矩为:

(3) 若-5 km/h<Δv ≤-2 km/h, 则参考转矩指令计算式为:

式中, T*zd (v*+5) 为进入恒速控制时依据再生制动特性曲线输出的临界转矩指令。

由式 (6) 可知, 当Δv =-5 km/h时, 动车组处于再生制动与恒速控制之间的临界点;当Δv =1 km/h时, 动车组的控制方式再次进入至牵引恒速控制, 直至稳定运行于设定运行速度 (v*-1) km/h处。

1.3牵引变电所仿真模型搭建

牵引变电所是高铁牵引系统的核心部分, 其主要功能是将供电系统中高压输电网传送过来的电能通过牵引变压器转换成适合动车组使用的单相工频交流电, 再通过不同的馈线将电能传送至相应的牵引网, 动车组升弓受电后便可从牵引网取用电能, 驱使动车组。

牵引变电所中的核心元件是牵引变压器, 牵引变压器的类型很多, 如YNd11接线牵引变压器、单相牵引变压器、V/v接线牵引变压器、Scott平衡变压器以及阻抗匹配平衡型牵引变压器等, 上述类型的变压器在我国铁路中都有应用。本文采用三相V/v接线[11,12], 该类型的牵引变压器结构简单, 变压器容量利用率高, 抗短路能力强, 分相有载调压方便, 可提高对牵引网和三相动力负荷供电的可靠性。

2高铁模型仿真和论证

本文利用PSCAD仿真环境及其所支持的Fortran语言, 对高铁牵引供电系统模型进行仿真, 并对仿真模型的正确性进行了论证。

2.1仿真条件

为对该系统仿真模型进行验证, 本文对相关参数进行了设定, 包括牵引变电所牵引变压器、车载牵引变压器、牵引变流器、牵引电机及CRH2型动车组运行参数。其中, 牵引变流器主要由电压型的三电平四象限脉冲整流器、中间直流电路及三相逆变器等组成。

2.1.1牵引变电所牵引变压器仿真参数

牵引变电所牵引变压器采用三相V/v接线, 由两台独立单相变压器组合成, 容量为2× (50+50) MVA;短路阻抗为10.5%, 原边电压为220 k V, 副边电压为27.5 k V, 工作频率为50 Hz, 直接向电气化铁路供电, 并考虑变压器模型存在铁心饱和。

2.1.2车载牵引变压器仿真参数

车载牵引变压器一次侧电压为25 k V, 二次侧牵引绕组输出电压为1 500 V, 工作频率为50 Hz, 容量设为3.06 MVA, 同时也考虑变压器模型存在铁心饱和。

2.1.3牵引变流器仿真参数

1) 脉冲整流器仿真参数

牵引绕组漏感设为LN=2 m H, 二次侧电阻RN= 0.2Ω;载波周期为T=0.000 8 s, 采用SPWM调制方式, 该脉冲整流器还考虑到了中点电位平衡控制。

2) 中间直流电路仿真参数

中间由L、C电路组成二次滤波环节, 电感值为L=0.84 m H, 电容值为C=3 000μF, 直流支撑电容分别为C1=C2=16 000μF;当动车处于牵引工况时, 直流电压设定为2 600 V;处于再生制动工况时, 直流电压设定为3 000 V, 整流器处于逆变状态, 其向车载牵引变流器供应AC 1 500 V、50 Hz的交流电。

3) 三相逆变器仿真参数

逆变器采用Vv/VF控制方式, 脉冲信号由SVPWM计算给出, 其载波频率f=1 250 Hz;牵引工况下, 处于逆变状态;制动工况下, 由牵引电机发出的三相交流电, 经逆变器整流状态, 进而向中间直流电路输出3 000 V的直流电压。

2.1.4牵引电机参数

牵引电机为三相鼠笼式异步电机, 额定输出功率为300 k W, 额定电压UN=2 k V, 额定电流IN=106 A, 额定频率fN=140 Hz, 转差率sN=1.4%, 效率为94%, 功率因数87%, 定子电阻Rs=0.114Ω, 转子电阻Rr=0.146Ω, 定子漏感Lsl=1.417 m H, 转子漏感Lrl=1.294 m H, 互感Lm=32.848 m H, 极对数np=2。其中, 转子侧参数已换算至定子侧。

2.2仿真结果论证

设定动车组CRH2初始速度为120 km/h;2 s时, 设定CRH2速度为200 km/h;5 s时, 设定机车速度100 km/h, 整个仿真时间持续10 s。同时, 为保证数据格式及图形显示结果的统一性, 以便进行数据处理, 本文通过建立数据接口, 将PSCAD仿真结果导入MATLAB软件, 对CRH2型动车组进行仿真论证。

图4给出了CRH2型动车组按给定速度运行的速度响应曲线, 从图中可知, 响应速度能够很好地跟踪给定速度, 并稳定运行于给定速度-1 km/h处。因此, 高铁负荷模型的速度响应满足了仿真模型的设计要求。

图5为直流电压给定曲线以及脉冲整流器的实际输出电压曲线。0 s时刻, 动车启动, 输出电压迅速上升, 最终稳定在2 600 V;2 s时刻, 速度从120 km/h设定为200 km/h, 动车加速, 处于牵引工况, 此时脉冲整流器输出电压虽略有下降, 但很快稳定到直流电压给定值2 600 V附近;5 s时刻, 速度从200 km/h设定为100 km/h, 动车减速, 处于再生制动工况, 此时整流器输出电压迅速增加, 并很快稳定在给定值3 000 V附近;当速度下降至105 km/h时, 动车进入恒速控制模式, 直流给定电压为2 600 V, 整流器输出电压下降, 并最终稳定在2 600 V附近。因此, 脉冲整流器输出的直流电压响应也符合设计要求。

以上分析论证了本文所建牵引供电系统仿真模型的可行性与正确性;因此, 可依据本文搭建的系统仿真模型做进一步的研究, 为实测录波数据的电能质量分析奠定了基础。

3高铁运行工况电能质量分析

对于高铁运行工况的电能质量分析, 实测波形数据取自京-沪高铁南京段220 k V高铁牵引变电站的PCC点, 牵引站的短路容量为18 000 MVA, 牵引站牵引变压器采用三相V/v接线。

在对高铁运行工况电能质量特性进行分析之前, 首先要确定系统侧监测到的高铁波形的运行工况。为此, 本文首先通过仿真得出高铁不同运行工况下的系统侧电流仿真波形, 包括加速、上坡、再生制动、过分相等工况波形;其次, 采用DTW算法对实测波形与仿真模型进行相似度计算, 对比分析实际运行中高铁系统侧实测电流波形与仿真工况电流波形的相似度, 则相似度最大的仿真波形运行工况即可用于表征实测波形对应的运行工况, 进而对高铁实际运行工况下电能质量进行分析。

DTW算法不仅可以有效地解决时间序列偏移问题, 还可以有效处理不等长度时间序列问题, 因此本文采用DTW算法对两个时间序列进行相似度分析。

由于篇幅有限, 下面以高铁加速工况为例, 对其电能质量进行分析研究。图6给出了系统仿真模型中设定动车加速工况下的仿真电流波形, 及与其相似度最大的一段系统侧实测电流波形;因此, 此实测数据波段对应的运行工况可表征为加速工况。另外, 通过二者的波形对比可知, 该实测电流波形走势与加速工况下仿真电流波形一致, 更加验证了DTW相似度分析结果的正确性。

下面将从不同角度分析高铁实际运行中加速工况下系统侧的电能质量特性。

1) 电压偏差

图7给出了动车在加速过程时, 220 k V侧A相与B相电压的供电电压偏差曲线。图中, 每10个工频电压周期更新一次电压偏差值。

对于A相供电电压偏差, 在整个加速工况下, 最大偏差值为0.72%, 电压偏差整体在0.54%~0.72% 之间;对于B相供电电压偏差, 其最大电压偏差为0.22%, 电压偏差整体位于0.12%~0.22%之间, 偏差幅度很小。由于220 k V侧的系统短路容量足够大, 动车组在整个加速运行工况中, 220 k V侧A相与B相供电电压偏差远低于国标规定的限值, 换句话说, 相对于动车组的取用功率而言, PCC点相当于一个无穷大节点, 因此动车组加速时, 突增的取用功率对系统电压不会造成太大影响。另外, 相对于B相, A相的供电电压偏差稍大, 这可能与其在该牵引站中作为两牵引供电臂的共同接入端口相关。

2) 负序不平衡

负序是高铁牵引负荷引起的主要电能质量问题之一。图8给出了动车组加速时段, 220 k V侧PCC点的负序不平衡度, 包括负序电压不平衡度及负序电流不平衡度。

分析图9知, 动车组加速时段, 其负序电流不平衡度最大值接近于70%;然而, 由负序电流引起的负序电压不平衡度最大值却不超过0.28%, 远低于国标规定的限值。另外, 由负序不平衡度曲线可以看出, 动车组加速时, 负序不平衡度增加, 负序电压不平衡度最大值接近于动车稳定运行时的2倍, 而负序电流不平衡度接近于1.5倍。从动车组牵引力/制动力特性曲线分析可知, 动车加速瞬间牵引电机输出功率是稳定运行时的2倍以上, 此时, 动车组取用功率突然增大, 且动车负荷接于A相与B相之间, 即在两牵引臂中, 一臂有大功率型的动车组负荷运行, 另一臂可能轻载或空载运行, 这就造成两牵引供电臂负荷功率分布不均衡, 势必引起系统三相电压出现波动或不平衡, 且A、B、C三相电流也不对称, 即系统侧三相电流不平衡。

3) 谐波

谐波是高铁牵引负荷运行过程中, 对高压电网运行影响最为显著的电能质量指标。由于高铁牵引负荷的特殊性, 其产生的谐波与一般电力系统负荷所产生的谐波有所差异。

图9描述了动车加速工况时段, 高铁牵引供电系统接入点处的各次谐波分布情况, 共包含了2~50次的谐波电压与谐波电流。各次谐波是在对实测电流波形经过FFT处理后得到的, 同时为细致分析A、B相电流与电压谐波的动态分布情况, 本文采用每十周期刷新一次。

由图9中A、B相的电压谐波分布可知, 因接于两相之间高铁负荷的存在, A、B两相谐波频谱分布广。其中, 奇次谐波中, 5、7、11次谐波较大, 其中5次谐波含有率最大, 为0.6%, 平均值与最小值均超过0.5%;另外, 3、13次谐波电压含有率也相对较大。偶次谐波中, 2次谐波最大值在0.3%附近, 是5次谐波最大值的一半, 2、4次谐波相比于其他偶次谐波较大。

同理, 由图9中A相、B相的谐波电流分布情况可看出, 谐波电流频谱分布也比较广。A相奇次谐波电流中3、7、11、13次都相对较大, 其中3次谐波最大, 其最大值接近2 A, 含有率超过2.5%;平均值为1.6 A, 含有率超过2.4% ;同时5、9、17、25、 31、37次谐波也相对较为突出。A相偶次谐波电流中2次谐波最大, 其最大值为2.54 A, 含有率超过3.5%;平均值为1.8 A, 含有率超过2%;另外, 4、6次谐波也较为突出。B相谐波电流中, 3、5、7、11、 13、25次谐波都相对较大, 其各次谐波值较A相低, 但谐波含有率较A相高, 其中3次谐波最大值含有率接近于5%, 平均值含有率为3.75%;2次谐波最大值含有率超6.5%, 平均值含有率为4%;另外, 5次谐波含有率是A相5次的4倍, 25次谐波含有率将近是A相25次的2倍。

由以上分析可知, 加速工况下220 k V侧谐波电压中, 5、7、11次谐波为主奇次特征谐波, 3、13次谐波为次奇次特征谐波, 2、4次谐波为偶次特征谐波;220 k V侧谐波电流中, 3、5、11次谐波为主奇次特征谐波, 7、9、17、25、31、37次谐波为次奇次特征谐波, 25、31、37次为高次特征谐波, 2次谐波为主偶次特征谐波, 4、6次谐波为次偶次特征谐波。

4结语

本文以CRH2型动车组高铁仿真模型为基础, 以京-沪高铁南京段动车组为例, 对高铁运行加速工况下引起的系统侧主要电能质量指标的变化特性进行了深入研究, 包括电压偏差、负序电压与负序电流不平衡度、电压谐波及电流谐波等电能质量指标, 得到了高铁实际运行中加速工况下系统侧不同电能质量指标的变化特性及其电能质量特征。

通过对实际运行中高铁运行工况下在系统侧产生的主要电能质量问题的研究, 掌握高铁实际运行中不同运行工况下产生的电能质量问题的特性, 为高铁电能质量监测分析和治理, 以及高铁实际运行控制优化提供了合理的建议。

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EMTDC 篇4

电流互感器(CT)作为电流信号传变元件,电力系统的继电保护装置都是通过它反映被保护元件中流过的电流。电流互感器的暂态特性对快速和高灵敏度的继电保护装置的动作行为有着相当重要的影响,是高压和超高压电力系统继电保护所必须考虑的问题。文献[1,2,3,4,5]论述了电流互感器暂态特性的仿真与分析,对铁芯的磁化特性模型提出了不少的方法。

根据电流互感器类型选择原则,330～500 kV系统保护、高压侧为330～500 kV的变压器和300 MW及以上发电机变压器组差动保护用的电流互感器,由于系统一次时间常数较大,普通P类电流互感器暂态饱和较为严重,由此导致保护误动和拒动的后果严重。因此一般应选用暂态特性良好的TPY级电流互感器。目前世界上被广泛使用的电磁暂态仿真程序之一PSCAD/EMTDC没有给我们提供一个较为完善的保护类电流互感器模型,其自带元件库中提供的模型采用的是目前工程中应用较为广泛的Jiles-Atherton铁磁磁滞模型[6-8],该模型的磁化曲线采用改进的Langevin函数进行模拟,但是所需要的α、c、k等参数在实际中很难获得,因此给模型的使用带来极大不便。此外,该模型的铁芯是没有气隙的,暂态特性不能满足高压和超高压系统仿真要求。

本文在吸收上述电流互感器暂态特性分析及建模方法的基础上,利用PSCAD自定义模块的方法,建立了TPY级电流互感器的元件模型,为高压和超高压系统电磁暂态的仿真分析提供了一个具有良好暂态特性的互感器模型。

1 TPY级电流互感器的数学模型

1.1 基本特点

TP类电流互感器是考虑暂态条件的保护用电流互感器,要求在规定工作循环的暂态条件下保证规定的准确性。作为其类型之一的TPY级电流互感器的铁芯存在小气隙,气隙长度为铁芯平均磁路长度的0.01%～0.1%,静态剩磁系数Kr≤0.1。由于为小气隙环形铁芯,励磁阻抗减小,二次闭合回路时间常数相应减小,动态剩磁的衰减加快,有利于改善暂态误差,以适应继电保护装置的要求。同时励磁阻抗的减小使励磁电流增大,对一次短路电流中非周期分量的传变能力变差。但稳态误差略有增加,可采取相应措施既满足继电保护对稳态误差和额定二次容量的要求,又满足对暂态误差的要求。

1.2 基本方程

CT的简化等值电路如图1所示。图中忽略了铁心损耗电阻R0,并把二次绕组电阻和电抗分别与二次负荷电阻和电抗合并成R2和X2,且一次侧电流i1和励磁电流i0已折算到二次侧。

由图1可知,电流互感器的基本关系式为:

励磁电流i0为未知量,而一次电流变换的准确度就取决于这个电流。从方程式中消去i2即可得出线性微分方程式

设T0=L0/R2,T2=L2/R2,在实际条件下,T2大体上处在0≤T2≤0.001 8 s的范围内,故可认为T2≈0。于是式(3)可简化为

即

假如采样时间间隔取得很小,则于是式(5)可改写为

在tn+1时刻,对应式(6)有

设时间间隔内的励磁电流变化量为Δi0 (n),则在时刻tn+1=tn+Δt的励磁电流可近似记作:

将式(8)代入式(7),可得

即

其中,T0(n)=L0(n)/R2

对于带小气隙的TP类电流互感器,总的励磁支

路电感L0 (n)可用气隙支路电感L3(n)和铁芯钢片支路电感ZCT(n)并联得到的等效电感表示[9],即。若是不带气隙的P类电流互感器,L0(n)=LCT(n),LCT(n)由电流互感器磁化曲线的仿真模型动态求得。

1.3 磁化过程的描述

电流互感器的铁芯具有非线性的磁化特性,对电流互感器磁化过程的合理描述是系统建模的关键。稳态和暂态情况下,电流互感器铁芯的磁化过程是不相同的。稳态情况下,铁心的磁化过程是沿某确定的磁滞回线循环。暂态情况下,由于暂态磁通既包含周期性正弦分量又包含非周期性分量,导致铁心的磁化过程是沿着一系列不规则的局部磁滞回环变化。根据铁芯的磁化过程特征,对不同励磁电流段内的磁化曲线分区间进行描述。TPY级电流互感器铁芯的多值磁滞特性可近似表示为一个基本磁化曲线和包含在其内部的局部磁滞回环族。关于基本磁化曲线的模拟,目前常见的方法是应用某种曲线拟合,如反正切函数拟合、高次多项式拟合、三次样条函数分段插值等[1],本文采用反正切函数拟合法。关于局部磁滞回环的模拟则采用磁滞回线压缩法,假定极限磁滞回环与次磁滞回环之间的位移是线性的前提下,由极限磁滞回环生成相应的次磁滞回环[10]。

2 TPY级电流互感器在PSCAD中的建模

2.1 PSCAD/EMTDC用户自定义模块原理简介

PSCAD (Power System CAD)是电磁暂态仿真程序(Electromagnetic Transients including DC,EMTDC)的图形用户界面(Graphic User Interface,GUI),通过PSCAD,用户可以在一个完全集合的图形环境下构造仿真电路,可以方便地使用EMTDC进行电力系统仿真计算和分析。

为弥补自带元件库的不足,PSCAD允许用户根据需要自定义模块,以满足用户在工作中对某些功能特殊元件的需求。用户只需把定义好的元件模型添加到仿真系统中,就可同PSCAD自带元件模型库中的元件一样使用。在最新的PSCAD V4.0中,元件模型定义可直接在编辑器窗口中完成,而无需再使用Component Workshop。编辑器窗口中涉及到元件模型定义或编辑的子窗口有:图形子窗口、参数子窗口和Script子窗口。具体定义步骤和方法如下:

(1)图形绘制。这是元件模型得以可视化的重要步骤,在图形子窗口中使用点、线条、矩形、椭圆和圆弧等图元可完成元件模型外观的绘制。各种图元的属性可根据需要设置,例如:大小、线形、颜色等。

(2)参数栏定义。元件模型的输入参数定义在参数子窗口中进行,通过添加多个类(Categories)完成模块的参数栏定义。类中可定义的参数栏有三种:用于添加描述性说明的文本框(Text Box)、用于添加元件必要数值的输入域(Input Field)和用于设置条件的选项框(Choice Box)。

(3) Script定义。Script定义是模块定义的核心部分,决定用户定义模块的功能。通过写入大量代码而组成各种段(Segments),每一个段执行特定一种功能,一般一个元件的Script定义不会用到所有类型的段,但是最常用的Fortran段、计算段和支路段会默认包含在每一个新元件定义中。

2.2 建模过程及方法

在PSCAD中,对上述1.3中铁芯非线性磁化特性合理描述的实现是通过在Script定义的Fortran段中写入用Fortran语言编写的仿真程序。除基本磁化曲线(S1)外,将整个磁化曲线分为四种状态:磁滞上升状态(S+)、磁滞下降状态(S_)、正向深度饱和状态(S+∞)、反向深度饱和区(S-∞)。其中Dir为标识量,Dir=1表示上升曲线,反之Dir=-1表示下降曲线。具体的电流互感器仿真程序的流程见图2。

2.3 模型外观及界面

TPY级电流互感器模型的外观如图3所示,其中CT_TPY.f是实现元件功能的Fortran函数子程序。通过双击互感器模型,可以进入元件参数设置对话框。描述TPY级CT的相关参数被分为三类,设置了对应的三个参数输入对话框,分别为main参数、material参数和load参数对话框,通过下拉式菜单可以选择相应的对话框。

如图4所示,main参数对话框中包含的参数主要有线圈匝数、铁芯截面积、铁芯平均磁路长度、气隙长度、剩磁和铁芯类型等。Material参数对话框主要是磁化曲线的辅助参数。Load参数对话框中包含的参数主要是二次负荷参数,界面如图5所示。用户通过参数设置可得到所需的TPY级CT模型。

3 仿真计算实例

假定一次侧故障电流为i1=5et/0.1-5cos314t(kA),故障时刻为1.02 s,根据变比n=500/1,准确等级为10P20电流互感器选用原则,仿真电流互感器参数选取如下:铁芯平均磁路长度l=100 cm,铁芯截面积S=11.25 cm2,铁芯气隙长度l0=0.3 cm,二次侧负载为r2=1Ω,x2=0.314Ω。用TPY级CT仿真出来的一次侧和二次侧电流波形如图6所示。为了便于对比,用相同准确度等级的P类电流互感器进行仿真,得到如图7所示的仿真结果。

根据图6和图7的仿真结果可以看到,在相同准确等级条件下,当传输较大故障电流时,P类电流容易发生饱和现象,而自定义的TPY级互感器由于铁芯小气隙的存在未发生饱和现象,与现场相符,符合TP类电流互感器在最严重的暂态条件下不饱和的要求。由仿真计算得到的最大峰值瞬时误差为8%。以上可见,采用PSCAD自定义元件方法建立的TPY级电流互感器模型是合理的,为高压和超高压系统电磁暂态的仿真计算提供了暂态特性良好的互感器模型。

4 结论

(1)借助PSCAD自定义元件方法建立的具有小气隙环形铁芯的TPY级电流互感器模型调用简单,可通过灵活设置线圈匝数、铁芯截面积、气隙长度及二次负荷等各种相关参数调节互感器的性能,满足用户需要。

(2)仿真计算实例表明该模型的合理性,该模型的建立丰富了PSCAD/EMTDC仿真程序的互感器元件模型,为基于PSCAD的继电保护仿真提供了前提。

在实际应用中,本文模型所需的基本参数要通过CT测试仪测量得到,这样才能保证仿真结果与实际相符。

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[9]#12

EMTDC 篇5

继电保护系统是高压直流输电的重要组成部分,其对于快速、准确切除故障以保护相关电气设备的安全以及防止故障的扩大和事故的发生具有重要意义。

目前,直流保护装置对运行人员而言往往是个黑盒子,只能给出保护动作或不动作的定性结果,这对于运行人员进行保护整定、灵敏度分析以及确定保护配置十分不利。根据直流继电保护系统的原理和算法,选取合适的仿真平台建立保护系统的模型,以定量查看保护算法中各中间量的变化情况并分析保护误动或拒动的原因,对于提高保护装置的正确动作率,保障电网安全运行具有重要意义。

PSCAD/EMTDC(Power System Computer Aided Design/Electro-Magnetic Transient in DC System)是国际上最权威的直流输电系统专业仿真软件,为直流保护系统仿真模型的搭建提供了有力的工具。利用其自定义功能模块,可使得直流保护系统的详细建模与仿真成为可能[1,2]。

本文首先对PSCAD/EMTDC自定义功能模块的相关技术和方法进行了分析,基于此建立了直流保护系统的仿真模型,并给出了将实际故障录波导入直流保护系统仿真模型的一般思路。最后,利用所建立的直流保护系统仿真模型,对一次典型的直流微分欠压保护误动原因进行了分析,为保护算法的改进提供了依据。

2 PSCAD/EMTDC自定义建模技术

PSCAD/EMTDC自带保护模块功能过于简单,保护算法单一,且难以保护内部复杂的逻辑与时序关系。因此,在利用PSCAD/EMTDC进行高压直流继电保护系统的建模时,需要利用其用户自定义功能,以满足不同的应用要求[3]。

在4.0以上版本的PSCAD/EMTDC中,元件模型定义可直接在编辑器窗口中完成,编辑器窗口中设计到元件模型定义或编辑的子窗口有:图形子窗口、参数子窗口和script子窗口。具体定义步骤如下。

(1)元件外观图形绘制:元件图形的绘制在图形子窗口中进行,使用点、线条、矩形等图元完成元件模型外观的绘制。各种图元的属性可根据需要设置,例如:大小、线性、颜色等。

(2)参数栏定义:元件模型的输入参数定义在参数子窗口中进行,通过添加多个类完成模块的参数栏定义。类中需要定义的参数栏分三种:文本框,用于添加输入参数的描述性说明;输入域,用于添加元件必要的数值输入;选项框,用于设置元件中需要的一些条件设置。

(3)script定义:script定义是模块定义的核心部分,决定用户定义模块的功能。模块功能的实现一般有两种方法,一种是直接嵌入,即直接由自定义元件script定义中编写的Fortran代码实现元件的功能;另外一种是间接调用,即元件的核心功能由外部子程序(Fortran、C或Matlab)来实现,通过在script中添加相应的调用声明来实现对外部子程序的调用。

(4)自定义元件的功能测试:在元件的自定义工作完成后,为保证其正确性,一般需要对其功能进行反复测试,若发现有错误或者偏差,则需要进行程序的检查与修改,直至无误。

其中,步骤(3)是实现用户自定义功能模块的关键。目前普遍采用外接子程序的方法实现。PSCAD/EMTDC提供了Fortran、C和Matlab三种语言给用户进行自定义功能模块的编程。相比于Fortran和Matlab,C语言具有功能丰富、表达能力强、目标程序效率高、可移植性好等优点,且在微机继电保护中得到了广泛应用,因此选择C语言作为PSCAD/EMTDC用户自定义模块的开发语言是适宜的[4,5,6]。

但PSCAD/EMTDC目前不直接支持C语言,用户编制好的C语言功能代码必须经过编译连接工序后才能为EMTDC的script所使用。这一工序可通过Fortran语言编写简单的接口函数来完成,下面举例说明之。

定义一个输入变量为in,输出变量为out的功能模块,这个模块的功能由C语言函数TEST_C(in,out)实现,则可以通过定义一个Fortran接口函数TEST_F(in,out)来调用TEST_C(in,out),TEST_F(in,out)格式如下:

进而在script中添加一条调用声明CALL TEST_F($in,$out)以调用TEST_F(in,out),即可实现EMTDC与C语言功能代码的链接。

3 直流输电保护系统仿真模型的建立

以上文所介绍的功能模块自定义方法为基础,进一步根据保护厂商所提供的保护系统软件设计报告,分析各保护所采用的功能模块、各模块之间的关系以及模块的参数,即可根据需要搭建出用户自己的保护元件模块和直流保护系统。

本文按照西门子的控制保护系统元件库中的元件功能说明,建立了20余种元件模块,经严格测试,各模块功能与西门子元件功能说明完全一致。进一步,参照厂商直流保护系统的流程图,即可建立直流保护系统的仿真模型。

以南方电网某一直流线路保护系统为例,所搭建的保护系统外观如图1所示,具体过程不再详述,经过严格测试,其能够准确复现实际线路保护系统的功能,且能够给用户定量地提供保护的动作特性信息,为直流线路保护拒动和误动的原因分析,以及相关改进措施的提出奠定了基础。

4 实际直流输电系统故障录波的导入

故障录波为现场技术人员和工作人员正确分析事故原因、研究反事故对策、及时处理事故、评价继电保护和安全自动装置的动作准确性提供了可靠的依据。目前通用的故障录波数据格式为COMTRADE(Common Format for Transient Data Exchange)格式,是由IEEE制定的一套存储电力系统暂态数据的通用格式。然而,PSCAD/EMTDC可读文件的格式与COMTRADE格式并不相同,要实现在PSCAD/EMTDC下对现场故障录波进行分析,就必须编写接口程序将COM-TRADE格式文件转换为EMTDC可读的文件格式。

表1和表2所示,分别为COMTRADE数据格式与PSCAD/EMTDC数据格式的例子。表1中:第1列为序号;第2列为采样时刻(单位为微秒);第3至5列为各模拟量的采样数据;最后两列为开关量。表2中:第1行为变量名称等信息;第2行开始为各量的记录值。其中,第1列为记录时刻,单位为秒,第2至4列分别为Ud L、Id L、Id H的值。

分析表1和表2可以看出,实现COMTRADE格式向PSCAD/EMTDC格式转换的关键在于将COMTARDE格式中各电气量的录波数据转换为PSCAD/EMTDC格式下的实际值。此外,录波时刻信息也需稍作处理。实际值y与采样数据x的关系为y=f Coef A*x+f Coef B,其中f Coef A和f Coef B为变换因子,需要从COMTRADE配置文件中读取。

因此,将实际故障录波导入直流保护系统仿真模型的一般思路为:(1)对COMTRADE配置文件进行详细解读,从中提取录波的通道数、转换因子信息;(2)从COMTRADE数据文件中读取相应列的采样数据,和录波时刻信息;(3)根据y=f Coef A*x+f Coef B将录波数据转换为变量的实际值,并对录波时刻信息稍作处理;(4)通过以上三步,基本完成了数据格式的转换,进而用PSCAD/EMTDC中的File-Read component将文件中故障电气量数据度入到PSCAD/EMTDC变量中,即可进行仿真分析。

5 实际故障下保护系统动作行为的仿真

2008年6月18日,广东罗洞站发生交流系统故障,导致高肇直流微分欠压保护误动作。图2为将现场故障录波导入PSCAD//EMTDC的显示结果。

图2中,Ud L为录波电压;Id L为录波电流。

直流微分欠压保护的判据为:

(1)电压变化率条件:du/dt>△1;

(2)低电压条件:Ud L>△2。

其中,△1和△2分别为电压变化率和低电压条件的动作阀值。高肇直流系统中电压变化率条件的动作值为.08p.u./0.15ms,;低电压条件的动作值为0.25p.u.,返回值为0.4p.u.。电压变化率条件和低电压条件都满足的情况下,微分欠压保护延时20ms出口。

利用所搭建的直流线路保护系统对上述故障录波进行分析,结果如图3所示。

图3中,du/dt、Uabs分别为线路保护系统所计算的电压变化率和低电压判据;虚线为保护定值。从图中可以看出,在0.9s时电压变化率和低电压条件同时满足定值,延时20ms后也就是在0.92秒出口重启直流系统。

为避免微分欠压保护的误动作,可以适当减小低电压条件的返回值,或者增加保护的出口延时。以增加保护出口延时为例进行了仿真分析,结果表明,当出口延时增加至110ms时,微分欠压保护可靠不动作。文献[7]利用RTDS实时系统对增加微分欠压保护出口延时的可行性进行了动模试验,结果证明这一措施是切实有效的。

6 结论

本文对PSCAD/EMTDC环境下高压直流继电保护系统建模与仿真的相关技术与方法进行了讨论,得到结论包括:

(1)PSCAD/EMTDC自定义元件的应用可实现高压直流线路保护的精确和详细建模,能有效地增强仿真的灵活性,提高仿真结果的精度和可信度;

(2)通过接口程序实现对COMTRADE格式的现场故障录波文件进行调用和分析,拓展了PSCAD/EMTDC应用范围;

(3)利用所搭建的直流保护系统可以方便进行相关保护特性的研究,对于保护灵敏度分析、定值整定、算法改进等具有重要意义。

参考文献

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EMTDC 篇6

在输电线路防雷计算中, 由于雷电的随机性和输电线路结构的复杂性, 进行试验模拟较为困难。数字仿真软件具有投资小、功耗低、占用场地小、灵活性和扩展性强、实验重复性好、自动化程度高等优点[1]。

对目前应用线路防雷计算较为广泛的PSCAD/EMTDC仿真软件的原理和流程进行分析, 并应用该软件建立线路防雷计算的模型。

1 PSCAD/EMTDC仿真原理和仿真流程

PSCAD是EMTDC的前处理程序, 用户在PSCAD面板上可以构造电气连接图, 输入各个元件的参数值, 运行时则通过FORTRAN编译器进行编译、连接, 运行的结果可以随着程序的进度在PLOT中生成实时曲线, 以检验运算结果是否合理。

1.1 仿真原理

PSCAD/EMTDC程序是把求解分布参数波过程的贝杰龙特性线法和求解集中参数电路暂态过程的梯形法结合起来编制而成的, 基于这两种方法, 建立分布参数元件和集中参数元件的离散化电路, 对于非线性元件, 采用线性化或逐点线性化的方法加以近似处理[2]。

以这些元件模型为基础, 将原系统网络转化为等值计算网络, 运用规格化的拓扑步骤生成等值计算网络的节点电压方程, 加以数值求解后即可获得系统网络中指定支路或节点上的电流、电压响应。

1.2 仿真流程

利用PSCAD/EMTDC软件对电力系统进行仿真研究时, 首先要在PSCAD图形界面上选取Master Library中的适当元件模块搭建系统模型, 并对照实际物理系统设置模型元件中对应的参数。在需要观测变量处添加电表和输出观测点, 以便于对仿真结果进行查看、分析。检查无误并设置好仿真步长、时间等参数后即可进行仿真分析。

进行仿真时, PSCAD首先调用软件自带的编译器将PSCAD中的模型电路编译为主FORTRAN程序, 此时可视化的模型元件转换为EMTDC的子函数, 并根据电路连接关系自动进行参数传递和节点编号;然后利用设定的FORTRAN编译器通过调用EMTDC引擎库文件生成最终的执行文件。在仿真进行过程中, 用户可以通过输入输出元件库的控制元件自由调整参数值, 以便观察系统某些动态情况下的响应特性。

2 输电线路防雷计算的仿真实例

输电线路防雷计算中, 一个重要的内容就是线路耐雷水平的仿真和计算。

2.1 仿真模型的建立

用PSCAD/EMTDC进行输电线路耐雷水平仿真时, 需要建立的仿真模型主要包括雷电流模型、杆塔模型、输电线路模型和绝缘子串闪络模型等。其中, 雷电流可以采用以下数学函数式来表达:

PSCAD/EMTDC中建立的雷电流模型如图1所示。

防雷计算中, PSCAD的Tline元件既可以模拟波阻抗, 又可以模拟输电线路。

为了反应雷电流在杆塔上传播的波过程, 杆塔的各个部分采用波阻抗模拟。PSCAD中, Tline元件的Bergeron Model可以准确模拟雷击时杆塔的波阻抗, “Manual Entry of Y, Z”模型可以输入波阻抗的值及雷电冲击波的传播速度。确定各个部分的模型后, 雷击杆塔或输电线路时, 输电线路随着频率的变化表现出不同的特性。Tline元件的Frequency Dependent (Phase) Model能反应线路的频率响应, 对雷击暂态过程中的输电线路可以进行很好的仿真。为了和实际的输电线路情况相符, 仿真中需要确定输电线路导、地线的空间位置及计算参数。PSCAD元件库中的“Tower Model”可以输入导地线的空间位置、半径、直流电阻、弧垂、分裂数和分裂间距等参数, 将其添加到Tline元件中, 并输入相应的参数即可模拟实际的输电线路。PSCAD元件库中的“Tower Model”包括以下两种形式:具有特定杆塔结构的模型, 模型中导线的排列方式已经确定;用户可以自定义导线排列方式的模型, 用户使用过程中可以根据自己的需要选用相应的模型。另外, Tline元件中的“Ground Plane”可以表征输电线路的接地回路的特性, 用户可以通过该元件输入接地回路的电阻率和相对磁导率。各个部分模型确定后, 模拟输电线路的Tline元件如图2所示, 图中的“Tower Model”选用的是用户自定义导线排列方式的模型。

仿真过程中, 绝缘子串采用开关来模拟, 开关打开和闭合两种状态分别表示绝缘子串没有闪络和发生闪络两种情况, 开关状态通过先导闪络模型控制。在正常情况下, 开关处于打开的状态, 雷击杆塔或输电线路时, 绝缘子串一端产生先导, 当产生于绝缘子串一端的先导到达另一端时, 绝缘子串发生闪络, 开关闭合。

先导闪络模型的主要变量是先导发展的速度, 防雷计算中, 先导发展速度公式为:

先导发展速度的计算公式复杂, 用CSMF中的元件建立先导闪络模型较为复杂, 可以通过PSCAD/EMTDC强大的自定义元件的功能建立绝缘子串的先导闪络模型。PSCAD/EMTDC软件自定义元件主要包括以下过程:

(1) 点击工具栏中“New Component”, 在弹出的对话框中输入新元件的名称和元件各个位置与电路系统连接的节点数。

(2) 点击下一步, 输入连接节点的名称和显示的名称, 选择连接节点的连接形式和传输的数据形式, 当连接形式为电气连接时, 需要选择电气连接的形式。

(3) 在所建立的新元件上右击选择“Edit Definition”, 通过“Graphic”选项画出自定义元件在主页面的显示图, 通过“Parameters”选项设置元件的参数, 通过“Script”选项写入表征绝缘子串先导闪络过程的FORTRAN语言源程序。先导闪络模型的FORTRAN语言源程序主要是判断先导是否连接绝缘子串的两端, 贯穿整个绝缘子。

通过以上步骤, 就可以建立绝缘子串的先导闪络模型。将绝缘子串两端的电压输入到模型中, 模型经过处理后输出控制开关状态的信号, 以控制绝缘子串的状态。PSCAD中建立的控制绝缘子串状态的系统如图3所示。

2.2 输电线路耐雷水平的仿真

基于所建立的模型, 利用如图4所示的控制仪表控制雷电流的幅值, 观察不同雷电流幅值下绝缘子串是否发生闪络, 找出绝缘子串不发生闪络时所能承受的最大雷电流值。这就是输电线路的耐雷水平。

3 结语

PSCAD/EMTDC仿真结果和线路运行经验吻合得较好, 并且具有良好的人机界面和较快的计算速度, 适合输电线路的防雷计算。

参考文献

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EMTDC 篇7

近年来,随着电气化铁路的快速发展,电气化铁路对电网电能质量的影响越来越引人关注。电气化铁路会产生大量的谐波和负序电流[1],接入电网后将会对公共电网的电能质量造成严重的负面影响。因此,对电气化铁路引起的电能质量问题展开全面分析和详细建模评估具有重要的科研意义与实际应用价值[2]。

国内学者已逐步展开对电气化铁路接入电网引起的电能质量方面的研究工作。目前,国内对电气化铁路接入电网的研究多集中于针对牵引变压器接线方式[3,4,5]与电力机车牵引负荷的内部特性[5,6,7]进行建模分析,并评估牵引站带单辆机车负荷时对电网电能质量的影响[7,8,9]。然而,目前的研究仍存在如下不足:

(1)目前对电气化铁路的仿真模型搭建主要考虑电力电子电路结构连接以及各种车型所对应的不同控制策略[5,6,7],由于电路结构与控制策略具有复杂性与多样性,因此其建模仿真过程比较复杂,可推广性不高。

(2)对电气化铁路接入电网引起的电能质量评估的仿真场景不够全面。在实际运行时,存在上下两供电臂各带多种车型、多种工况、多种数量组合的机车负荷的可能性,然而目前大部分文献[7,8,9]均只考虑牵引站带单辆机车负荷进行电能质量评估,分析得不够全面。

针对上述研究的不足,本文拟提出一种基于国际公认的电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC(Power Systems Computer Aided Design)的电气化铁路接入电网对电网电能质量影响的仿真建模分析方法。首先,本文拟提出基于PSCAD/EMTDC搭建的电气化铁路接入电网的仿真模型,所搭建模型主要包括V/v型牵引变压器、电力机车、输电线等,可有效利用电力机车的出厂测试报告数据或实测数据;其次,为了提高分析全面性,提出结合电力机车的车型、工况、数量组合三个维度的仿真评估分析场景;最后以深茂铁路为例,对广东省某牵引站带不同电力机车场景进行建模与仿真分析,评估该电气化铁路接入对电网电能质量的影响。

2 电气化铁路接入电网仿真模型搭建

文中利用PSCAD/EMTDC对电气化铁路接入电网进行建模,重点介绍此模型中最主要的三部分,分别是牵引变压器、电力机车和输电线。

2.1 V/v型牵引变压器

牵引变电站沿铁路线路设置,由区域变电所或电厂供电,经由牵引变压器将电能供给上、下两条供电臂。牵引变压器的负载特性与普通电力变压器有很大区别,主要表现为存在单相负载、负载变动大、谐波含量高等。

目前,我国高速铁路大多采用V/v型变压器,该变压器具有结构简单、容量利用率高等优点。从结构上看,V/v接线型变压器是将两台单相牵引变压器连接成开口三角形,原边绕组接入电力系统的AB相与BC相,副边出线端子分别接到两组牵引母线,再经馈线向两牵引供电臂供电。由于是两台单相变压器的串联组合,箱体内两台单相变压器的磁路相互独立,两相容量可以相等,也可以不相等。

根据上述三相V/v接线型牵引变压器的结构特点,在PSCAD中使用变压器元件库中两个单相双绕组变压器对V/v接线牵引变压器进行仿真,其仿真模型搭建接线图如图1所示。

2.2 电力机车

电力机车是电气化铁路牵引供电系统的主要负荷,也是谐波和负序的主要产生源。谐波的存在引起电力系统电压的畸变,负序电流则会引起三相不平衡,因此仿真建模时需对电力机车的功率特性和谐波特性进行充分的体现。

目前已有文献[5,6,7]对电力机车的建模主要考虑电力电子电路结构连接以及对应的控制策略研究,由于电路结构与控制策略具有复杂性与多样性,故此类建模方法较复杂,可推广性低。

针对现有建模方法复杂且大部分电力机车均有出厂测试详细报告的现状,本文提出采用负荷+谐波源的方式表征电力机车的功率特性和谐波特性的等效电力机车模型。其一,PSCAD的恒功率负荷模型元件可根据实际情况设定其有功功率、无功功率、电压以及频率等参数特性,因此仿真时可通过设置负荷模型不同的功率参数来表征电力机车不同工况下的功率特性。其二,利用PSCAD搭建一个可产生2~25次谐波信号的谐波电流产生元件;根据电力机车的谐波数据,可通过设置谐波信号产生元件输出不同工况下电力机车的谐波电流数据,以此方式表征电力机车的谐波特性。

本模型以机车的出厂测试数据或实测数据为基础,采用负荷+谐波源的方式等效替代电力机车,简化建模过程,增强可推广性,适合工程应用。首先依据出厂测试报告或实测得到电力机车在不同运行工况下所产生的谐波电流数据以及对应的功率数据;其次,利用PSCAD搭建一个谐波信号产生元件,该元件可产生各次谐波信号,将其谐波电流数据输入至谐波信号产生元件中,使其以谐波源方式注入至供电臂,并将其对应工况的功率数据以负荷形式注入至供电臂,其仿真模型如图2所示。

2.3 输电线

输电线路包括架空线和电缆,本模型的输电线路可采用PSCAD中已有元件Coupled Pi Section等效替代,其主要参数包括频率、线路长度以及线路每公里的电阻、电抗、容抗等,其仿真模型如图3所示。

3 仿真场景设置分析

针对目前文献[7,8,9]只片面地对牵引站带单辆机车负荷进行电能质量评估而导致分析不够全面的现状,本文以深茂铁路为例,提出了详细且全面的仿真评估分析方案。

在实际运行时,存在上下两供电臂各带多辆、多种工况、多种车型的机车负荷的可能性,因此本方案综合考虑了电力机车的车型、工况、数量组合三个维度,考虑所有存在出现可能性的场景,弥补了现有文献仅对单辆机车进行评估故分析不全面的缺陷。以深茂铁路为例,本方案所考虑的车型、工况、数量组合如下:

(1)电力机车车型。在我国,现阶段主要运行的客车为动车组(CRH型8辆编组),具有少量SS9机车,货车为HXD3,故仿真时牵引负荷分为CRH型8辆编组、SS9机车、HXD3系列货物列车三种类型。根据电力机车出厂测试数据可知,SS9机车额定功率为4800k W,功率因数为0.85;CRH系列动车组8辆编组类型的额定功率为5500k W,功率因数为0.98;HXD3系列货物列车的额定功率为7200k W,功率因数为0.98。

(2)电力机车工况。每种车型均取其5种典型工况作为典型代表进行仿真分析,分别为启动工况、高功率工况、中功率工况、低功率工况和制动工况,涵盖了电力机车所有可能出现的功率范围。其中,电力机车运行时的额定功率工况定义为高功率工况,按牵引功率大小往下可分为中功率工况和低功率工况;启动工况的功率约为1.5倍额定功率,机车在制动工况时向系统倒送功率,倒送功率值约为0.5倍额定功率。

(3)电力机车数量组合。考虑牵引变电站不带机车,以及上下行供电臂带不同数量机车的情况。以A0B0表示上行、下行线路不带机车,A2B1表示上行带2辆机车,下行带1辆机车,以此类推。根据本实例牵引变压器容量与实际运行规划,设定极限情况为A2B2,共有6种组合情况。另外,根据列车运行的规定,同一供电臂上不可能出现2辆电力机车同时处于启动工况或制动工况,因此下文在分析启动工况和制动工况时设定极限情况为A1B1。

综上所述,对电气化铁路引起的电能质量问题进行全面分析时,需要结合车型、工况、数量组合三个维度,本文取深茂铁路其中的典型场景进行分析。

4 实例分析

电气化铁路负荷具有不对称、非线性和波动性的特点,所产生的电能质量问题集中于电压偏差、谐波和负序上,因此需对电气化铁路接入引起的电能质量问题进行详细的建模仿真以及评估分析。

4.1 仿真条件

在仿真建模过程前,首先对深茂铁路仿真条件进行分析,包括评估内容及电气连接方式。

(1)评估内容。对牵引站带不同机车负荷组合场景下在110k V变电站110k V侧连接点产生的电能质量问题进行详细的评估分析,评估分析内容包括电压偏差、三相电压不平衡、谐波等。

(2)电气连接方式。该牵引站110k V侧出线1回接入110k V变电站,线路长度约为5.65km,其中架空线路全长1.35km,型号为JL/LB1A-240/30,电缆线路全长4.3km,型号为YJLW03-Z 64/110-1×500mm2。该牵引站采用110/27.5k V三相V/v接线变压器,容量为(16+16)MV·A,牵引供电系统采用单相工频25k V交流制,经三相V/v变压器变压后引出上下行两条供电臂,供电臂带电力机车,牵引站接入系统示意图如图4所示,仿真模型如图5所示。

4.2 电压偏差

由于同种机车负荷的功率越高,其产生的电压偏差越大,故高功率工况、中功率工况、小功率工况中只取高功率工况进行分析,本节分别取三种电力机车的启动工况、高功率工况、制动工况为例进行研究。在不同仿真场景下,110k V变电站110k V母线侧产生的电压偏差情况如表1所示。

根据表1的仿真结果可知:①当电力机车处于启动工况、高功率工况时,机车从电网吸收功率,导致在变电站110k V母线产生的电压偏差为负值,并网点的电压下降;②当电力机车处于制动工况时,机车向电网倒送功率,导致在变电站110k V母线产生的电压偏差为正值,并网点电压升高;③带SS9机车时供电电压偏差范围为-2.70%~+1.18%;带CRH系列动车时供电电压偏差范围为-2.02%~+1.08%;带HXD3系列货物列车时供电电压偏差范围为-2.92%~+1.25%。

综合上述,各种负荷组合情况下110k V变电站110k V母线电压正负偏差绝对值之和均不超过标称电压的10%,符合国家标准。

4.3 三相电压不平衡度

电气化铁路单相供电和负荷的不平衡会带来负序电流,容易引起公共连接点处的三相电压不平衡问题。国标规定负荷引起系统公共连接点三相电压不平衡度应小于1.3%。

由于同种机车负荷的功率越高,其产生的三相电压不平衡度越大,故本节分别取三种电力机车的启动工况、高功率工况、制动工况为例进行研究,不同场景下110k V变电站110k V母线侧三相电压不平衡度的仿真结果如表2所示。

由表2仿真结果可知:①当牵引站带相同的电力机车数量组合时,电力机车的3种典型工况中,启动工况造成的三相电压不平衡度最大,高功率工况次之,制动工况最小;②当牵引站带相同的电力机车工况及数量组合时,HXD3货车造成的三相电压不平衡度最大,CRH动车次之,SS9机车最小;③当电力机车运行在启动工况时,仅有SS9机车的A1B0组合符合国标限值,但也达1.28%,接近限值1.3%,因此电力机车在启动工况时造成的三相电压不平衡度超标情况比较严重;④当3种电力机车运行在高功率工况时,仅在A0B0、A1B0、A1B1数量组合时三相电压不平衡度符合国家标准,其余数量组合均超过国标限值,其中最大值为HXD3货车的A2B2组合,达到了2.69%,超过国标限值的2倍以上。

综上所述,电力机车造成的并网点三相电压不平衡度超标情况比较严重,需要针对三相电压不平衡度采取一定的补偿或治理措施。

4.4 谐波

电力机车作为两相或单相不对称谐波负荷,其产生的谐波电流经牵引变压器变换后为不平衡的三相谐波电流,并直接注入高压电网公共连接点,易造成公共连接点电压畸变,需限制其注入电流。

4.4.1 谐波电压

根据国家标准GB/T14549-1993《电能质量-公用电网谐波》规定,110k V电压等级的电网电压总畸变率限值为2%。

由于电力机车的启动和制动工况过程十分短暂且数量组合较少,因此本文只以SS9型机车和CRH型8辆编组动车的高、中、低功率工况为例进行仿真分析。不同仿真场景下,SS9机车与CRH型8辆编组动车组引起110k V变电站110k V母线侧三相电压总畸变率仿真结果分别如图6和图7所示。

由仿真结果可知:

(1)带SS9机车时,高功率工况下,仅在A1B0情况下,谐波电压总畸变率小于2%的国家标准限值,其余数量组合下,谐波电压总畸变率均超标;中功率和低功率工况下,均仅在A1B0、A1B1、A2B0情况下,谐波电压总畸变率小于国家标准限值,其余数量组合下,谐波电压总畸变率均超标。SS9机车引起的三相电压畸变率最大值出现在高功率工况下的A2B2情况,其值为4.85%,超过国标限值2倍以上。

(2)带CRH动车组时,谐波电压总畸变率最大值出现在低功率工况的A2B2情况下,其值为0.58%,小于国家标准限值2%,故所有CRH负荷情况下谐波电压总畸变率均符合国家标准。

由上述结果可知,SS9机车所带谐波容易导致110k V变电站110k V侧谐波电压总畸变率偏高,需要对其采取一定的限制或治理措施;CRH型8辆编组动车所产生的谐波较小,所导致的谐波电压总畸变率均符合国家标准。

4.4.2 谐波电流

由于篇幅问题,本文以谐波电压总畸变率最高的SS9机车高功率工况为例,进行谐波电流仿真。SS9机车高功率工况的谐波及功率数据如表3所示,将其数据输入至仿真模型中,得到谐波电流仿真结果,如表4所示。

该变电站110k V侧最小短路容量为558MW,根据国家标准《电能质量公用电网谐波》的规定,谐波注入电流允许限值换算后如表4所示。

根据表4可知,带SS9机车高功率工况下,所有列车组合的3次谐波均超标;除A1B0外,其他列车组合的5次谐波均超标;除A1B0、A1B1、A2B0外,其他列车组合的7次谐波均超标;除A1B0、A1B1、A2B0外,其他列车组合的9次谐波均超标;11次及以上谐波均在标准限值内。

综上所述,SS9机车会使并网点产生3、5、7、9次谐波电流超标问题,因此需要对其引起的谐波电流问题采取对应的限制或治理措施。

5 结论

(1)本文提出了采用负荷+谐波源的方式表征电力机车的功率特性和谐波特性的等效电力机车模型。该模型以机车出厂测试报告或实测数据为依据,采用负荷+谐波源的方式等效替代电力机车,其建模过程简便,可推广性强,适合工程应用。

(2)本文以深茂铁路为例,提出了详细且全面的仿真评估分析方案。所提出分析方案将电力机车结合车型、工况、数量组合三个维度进行仿真分析,并对仿真结果进行对比评估,得到更全面的评估结果。

(3)本文对深茂铁路牵引站在变电站110k V母线侧引起的电压偏差、三相电压不平衡、谐波等电能质量问题进行评估,评估结论如下:

1)电压偏差。在多种不同的仿真场景下,牵引站带电力机车在并网点所产生的电压偏差均在国家标准限值内。

2)三相电压不平衡。3种电力机车造成的并网点三相电压不平衡度超标情况均比较严重,其中最大值为HXD3货车的A2B2组合,达到了2.69%,超过国标限值的2倍以上,需要采取一定的针对性治理措施。

3)谐波电压。当牵引站带SS9机车数量超过1辆时,有导致谐波电压总畸变率超标的风险,需要对其进行治理;当牵引站带CRH型8列动车时,其谐波电压总畸变率均符合国家标准。

4)谐波电流。深茂铁路运行时将会导致该牵引站接入电网处存在3、5、7、9次谐波电流超标的问题,需要对其采取对应限制或治理措施。

摘要：目前电气化铁路接入电网对电能质量影响的建模过程复杂,仿真场景不够全面,针对这一现状,本文提出一种基于PSCAD/EMTDC的电气化铁路接入电网的电能质量评估方法。首先,本文提出一种基于PSCAD/EMTDC的电气化铁路接入电网的仿真模型,其中包含以负荷+谐波源方式表征电力机车的功率特性和谐波特性的等效电力机车模型,该模型以机车出厂测试报告或实测数据为依据,达到简化建模过程的目的;其次,为了使分析过程更全面,提出了结合电力机车的车型、工况、数量组合三个维度的仿真场景设置方案;最后,以深茂铁路为例,对广东省某牵引站带不同电力机车场景进行详细的电能质量评估,有效分析了电气化铁路接入对电网电能质量的影响。

关键词：电能质量,电气化铁路,PSCAD/EMTDC,仿真模型,评估

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