基于MATLAB的牵引负荷对风电场运行的影响研究

漆家炜　夏欣倩　董惠婷　沈云

[摘要]随着电气化铁路的普及以及风力发电的发展，我国较多地区电网将出现风力发电与牵引负荷并存的局面。与此同时，牵引负荷带来的风电机组脱网问题在境内已经发生多起。本文在当前研究显示的牵引负荷影响因素：负序电流、谐波等基础上，结合MATLAB/Simulink中风电场平均值模型，仿真并分析了牵引负荷造成的负序电流和谐波对风电机组运行的影响。最后对上述谐波与负序电流的改善给出相关建议。

[关键词]牵引负荷；风电场平均值模型；谐波；负序电流；simulink

“十一五”期间我国铁路将建成新线1.7万公里，2010年全国铁路营业里程将达9万公里以上，其中电气化率达45%以上。根据《中长期铁路网规划》。到2020年中国铁路营业里程将达到12万公里，电气化铁路总里程将达到一半。而在能源紧缺与环境恶化的双重压力下，世界可再生能源发展迅速，其中技术较为成熟的当属风电。随着电气化铁路的普及以及风力发电的发展，我国较多地区电网将出现风力发电与牵引负荷同时并存的局面。牵引负荷属于大功率单相整流负荷，谐波含量丰富，投入电网会产生深远影响。由于负荷的剧烈波动性和随机性以及牵引供电回路的不平衡性，目前实际电网已出现牵引负荷带来的风电机组脱网的问题。本文利用MATLAB/simulink中风电场平均模型，研究牵引负荷对风电场运行特性的影响，并提出相应整改措施及建议。

1模型及仿真系统

1.1风电机组与风电场模型

基于DFIG的变速风电机组模型目前在风电机组并网研究中使用较多，DFIG其转子与定子间接有变流器，通过控制系统调节，其结构如图1所示。

研究中，由于研究内容为牵引负荷对风电场整体影响，并不关心风电场内部潮流分布，可将多台风电机组并列运行视为风电场。

1.2牵引负荷模型

电力系统负荷分为常规负荷及特殊负荷，其中特殊负荷包括广义负荷及冲击性负荷（如炼钢、硅铁及电解铝负荷等）。文献采用“感应电动机并联牵引电机和恒阻抗”的负荷模型描述牵引供电系统，文献给出了韶山的SS8型电力机车主电路及数学模型。牵引负荷属于电力系统特殊负荷，模型结构的确定是当前特殊负荷建模的难点。不同类型冲击性负荷的物理特性差异较大，其模型结构也存在较大的差异。即使对于同一类型的特殊负荷，其模型结构目前也存在争议。

本次研究中并未涉及详细牵引负荷建模，而是根据现有的一些研究：（1）电气化铁路供电系统所产生的负序电流对沿途的风电场风电机组产生影响；（2）电气化铁路谐波对电力系统产生影响等采用等效思想，主要分析牵引负荷所引起的负序电流和谐波等问题，结合Simulink仿真来研究对风电场影响。对于负序电流影响，采用简单的三相不对称阻感性负载模拟；对于谐波影响，采用向DFIG网侧变流器中A、C相分别注入3、5次谐波模拟。

1.3仿真系统

本文的研究对象是牵引负荷特性对沿途风电场的影响，采取的是基于MATLAB中附带的风电场平均模型进行仿真研究，考虑各影响因素下进行模拟仿真，并未对应于实际电力系统。在Simulink中该模型可利用语句power_wind_dfig_avg直接调用，6台1.5MW风电机组构成的风电场通过B575母线接入主變升压并入无穷大电网，

2牵引负荷的负序电流对风电场运行的影响

与常规负荷相比，牵引负荷具有剧烈波动性和随机性以及牵引供电回路的不平衡性，导致电网出现不对称的负序和零序电流。因主变大都采用Yd11接线，零序电流无法流通到风电机组。故只有负序。模型仿真结构示意图与simulink模型图分别如图2所示。

三相不对称负载将导致风力发电机定子绕组中产生负序电流，使得发电机气隙中建立相对于转子2倍速的负序旋转磁场，因此在转子绕组、阻尼绕组以及转子铁芯等部件感应出100Hz的倍频电流。该电流很可能灼伤转子上电流密度较大的部位。此外，负序旋转磁场与转子电流之间以及正序气隙旋转磁场与定子负序电流之间所产生的100Hz交变电磁转矩，将同时作用在转子大轴和定子机座上，从而引起100Hz的振动，威胁电机的安全。

负序电流注入风电机组，导致风电机组出力与正常时显示出不同。仿真结果如图3、4所示。研究发现：正常即三相平衡时，机组输出的有功和无功功率较平缓，而在接入三相不对称负载后，机组输出的有功功率和无功功率均出现倍频波动。3牵引负荷的谐波对风电场运行的影响

牵引负荷为大功率单相整流负荷，属于电网中典型的不对称谐波源，其谐波含量丰富，以3、5、7次谐波为主。在电铁运行过程中，其产生的不平衡谐波主要以电流形式存在。为此，在simulink模型仿真中，设定v次电流谐波表示为：

注入风机网侧变流器A、C相的3、5次谐波电流仿真如图5所示。其中谐波电流源大小考虑到负序电流从系统注入风机经过变压器发生变化，可在网侧将负序电流设定为400A。仿真结果：

4结论

本文基于牵引负荷带来的风电机组脱网的问题，在当前研究的牵引负荷影响因素负序电流、谐波等基础上，结合MATLAB/Simulink中风电场平均值模型，仿真分析了牵引负荷造成的负序电流和谐波对风电机组运行的影响。结果表明牵引负荷带来的谐波使风电场低压母线电流出现波动，其负序电流对风电机组输出功率有较大影响。

基于谐波造成的影响，建议在电力机车牵引站母线上装设静止无功补偿设备SVC，利用其滤波功能对大功率单相整流负荷带来的谐波加以改善。同时可以改善负序电流对风电机组的影响。此外，建议铁路部门在修缮铁路时，适当偏离大规模并网的风电场，避免相近地点大功率牵引负荷与风电场同时接入电网，从根本上避免牵引负荷引起风电机组脱网问题。

[责任编辑：王伟平]