基于EMTDC/PSCAD的电力机车暂态仿真

王秀清，张铁竹，李书营

（郑州铁路职业技术学院 车辆工程学院机车教研室，河南 郑州450052)

近年来，我国电气化铁道高速发展，其负载电力机车为单相大功率整流或逆变负荷，会向电网输入较大的负序和谐波电流。负序和谐波电流会降低电网的供电质量，还会对电力系统的安全稳定运行造成很大危害。因此，电气化铁道电能质量问题的监测、治理已成为急需解决的任务。

1 SS4G电力机车主电路

韶山4改进型电力机车(以下简称SS4G电力机车)主电路采用大功率晶闸管和二极管组成的不对称半控桥式整流电路，牵引电机为ZDl05型6极串励脉流电动机。主电路如图1所示。

图1中所示整流桥由不等分三绕组供电，即a1b1、b1x1和a2x2绕组。3个绕组的空载额定电压分别为347.7 V、347.7 V与 695.4 V，即成 1/4、1/4和 1/2的三段不等分比例。三段桥的工作情况如表1所示。

2 SS4G电力机车稳定运行点参数计算[1，2]

在仿真过程中，牵引计算程序给出机车车速v和受电弓处的电功率P1，利用自定义模块计算出机车整流电路的稳定运行点，即牵引电机的反电势和整流桥触发角α的大小。

SS4G型电力机车牵引电机为ZDl05型6极串励脉流电动机，稳定运行时的反电势为：

其中，E为牵引电机反电势（单位：V），u为齿轮传动比，D为动轮直径（单位：m），Ce为牵引电机常数。

电力机车工作在一段桥后，可以根据电力机车整流电路直流侧电压Ud确定整流电路工作的桥段，然后根据各段桥主电路的工作原理，由直流电压Ud、网压等参数推导出对应的触发角的值。

表1 SS4G型电力机车移相晶闸管导通顺序表

整流电路工作在一段桥时，整流桥触发角α的计算如下：

整流电路工作在二段桥时，整流桥触发角α的计算如下：

整流电路工作在三段桥时，整流桥触发角α的计算如下：

其中，U2为交流侧电压，Id为直流侧电流，XB1为此时绕组a2x2折算到二次侧的漏电抗，XB2为绕组 a1b1折算到二次侧的漏电抗，XB3为绕组b1x1折算到二次侧的漏电抗，XB3=XB2。

3 SS4G电力机车谐波电流的暂态分析

在仿真过程中，利用C语言编写程序，采用EMTDC的自定义模块，建立反电势E的自定义模块[3]。

利用EMTDC/PSCAD仿真软件建立仿真系统，其中牵引网电压为25 kV，主电路如图2所示。

EMTDC/PSCAD仿真软件是电力系统暂态分析的工具，可以在运行不停止的情况下，实时改变电机的转速，下面对SS4G电力机车谐波电流进行暂态分析。

移相调节一段桥，封锁二段桥和三段桥，在0.7 s时刻，一段桥触发角α从稳定运行时的31°调节为满开放的过程中，直流侧电压Ud的波形如图3所示，牵引网侧电流Il的波形如图4所示，牵引网侧电流Il的FFT分析如图5所示。

满开放一段桥，移相调节二段桥，在0.52 s时刻，使二段桥触发角α从180°调节到稳定运行时的 89°，调节为满开放的过程中直流侧电压Ud的波形如图6所示，牵引网侧电流Il的波形如图7所示，牵引网侧电流Il的FFT分析如图8所示。

满开放一段桥，移相调节二段桥，在0.75 s时刻，使二段桥触发角α从稳定运行时的89°调节为满开放的过程中直流侧电压Ud的波形如图9所示，牵引网侧电流Il的波形如图10所示。

满开放一段桥、二段桥，移相调节三段桥，在0.52 s时刻，使三段桥触发角α从180°调节到稳定运行时的129°，调节为满开放的过程中直流侧电压Ud的波形如图11所示，牵引网侧电流 Il的波形如图 12所示，牵引网侧电流Il的FFT分析如图13所示。

通过对电力机车的稳态和暂态分析，得出如下结论：

(1)直流传动电力机车的谐波主要是 3、5、7次等奇次谐波。

(2)在三段桥的调节过程中，稳定运行时桥段数越多，牵引网侧电流的畸变就越小，但是在调节的过程中，网侧电流的畸变并不是一直在减小。

(3)电力机车在运行过程中和各段桥调节的过程中，谐波没有突变。

[1]杨兆昆.韶山4改型电力机车乘务员[M].北京：中国铁道出版社，2001.

[2]张有松，朱龙驹.韶山 4型电力机车[M].北京：中国铁道出版社，1998.

[3]袁涛，郑建勇，曾伟，等.PSCAD/EMTDC中自定义模型研究及其在有源滤波器控制算法仿真中的应用[J].电气应用，2006，25(11)：71-73.