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论文摘要：轻轨供电系统采用直流牵引，具有波动性强、系统谐波含量丰富等特点，极可能威胁到电力系统的安全稳定运行。本文研究轻轨供电系统在不同运行状态下对公共电网谐波的影响规律。依据机车、牵引供电系统和公共电网的实际参数，搭建包括公共电网在内的城市轨道交通牵引供电系统整体仿真模型，并通过实际的现场谐波测试数据加以验证。以此模型为平台，得出该供电系统向公共电网注入谐波主要是24脉波整流导致的特征谐波（23次、25次）和逆变器开断导致（11次、13次）。谐波含量在单端供电极限运行情况下较为严重，在列车启动瞬间其总谐波畸变率可达到17%。尽管在极端运行情况下，但各次谐波含量都未超过国家标准允许值。这些研究可为调查城市轨道交通供电系统的影响提供理论支持。
论文关键词：城市轨道交通,供电系统,公共电网,电能质量,仿真
引言
随着我国部分特大中心城市人口的迅速增加，城市交通问题日益突出，以城市轨道交通（包括轻轨和地铁）为代表的城市轨道交通系统是解决大城市交通问题的必由之路。部分中心城市正陆续开通轻型轨道交通（简称轻轨），其主要采用牵引供电系统，通过从公共电网供电到牵引变电所，通过牵引供电系统为牵引电机供电。由于牵引负荷的非线性、非正弦性、非对称性和非连续性的“四非”特性，可能威胁到电力系统的安全稳定运行。同时，城市轻轨负荷处于人口密集的城市之中，对公共电网的影响一旦造成事故有可能对整个城市的电力供应和社会稳定带来影响。
目前的研究方法以确定性的方法计算机车运行产生的谐波电流。实际上，机车在运行中负荷及其谐波电流会发生变化，受许多不确定的因素影响。尽管国外在研究牵引负荷谐波时采用了随机模拟的方法，但主要以实测法进行研究，但实际测量往往对列车实际的运行状况并不清楚，很难摸清谐波的规律。尽管文献给出了机车在运行中产生的随机谐波电流计算方法。这种方法的实现需要正确掌握机车主电路的控制过程，技术较为复杂、不利于维护。目前，国内大部分研究都是针对普通的电气化牵引供电系统，由于轻轨供电系统采用直流牵引，并且采用3电平逆变系统，其供电系统有其特殊性，针对该问题的研究并不多。
本文根据MATLAB/simulink的特点，从动态的过程对某城市轻型轨道交通的牵引供电系统及电力机车进行动态建模、仿真和实际测量，以全面了解该城市轨道交通供电系统对公共电网的影响规律，这对提高电力系统的电能质量和避免事故有一定的意义。
2仿真模型
本文研究的城市轨道交通供电系统具有一定典型性，采用1500V直流牵引供电，其主接线原理如图1所示。主变电所将城市电网的110kV电能降压后以10kV电压等级分别供给牵引变电所和降压变电所。为保证供电的可靠性，设置两座110kV主变电所，每个主变电所都由两路独立的电源供电，内部设置两台主变压器。牵引变电所电压等级为10kV，为环网供电方式。其中整流采用24脉波整流方式，机车上包括了逆变器和牵引电机，其中逆变器将直流通过IGBT斩波逆变成PWM（脉冲宽度调制）脉冲驱动牵引电机。
图1城市轨道交通供电系统
2.124脉波整流
为减少牵引整流变电站网侧谐波电流对城市电网的影响，我国城市轨道交通的牵引整流变电站正由原来的12脉波向24脉波发展。本系统采用了24脉冲整流技术，其原理及仿真模型如图2所示。事实上，24脉波整流是由两个12脉波整流并联而成。图2(a)中，两个12脉波整流器的整流变压器高压网侧并联的绕组分别采用±7.5°外延三角形连接时，两套整流器并联运行即可构成等效24脉波整流。为了实现两台整流变压器在网侧实现±7.5°的移相，在整流变压器原边采用延边三角形接法。图2（b）是利用MATLAB/simulink仿真模块搭建的24脉波整流器模型，整流器接有理想电源，直流侧有电阻负载运行，通过此模型可以分析整流器的运行特性。
通过24脉冲整流后，110kV侧电流的谐波含量如图3所示。从电流谐波成分看出，通过整流后，明显具有一些特征谐波：21、23、47和49次谐波。根据理论，24脉波整流后，理论上的谐波次数应为：24k
1，其中k为整数，因此仿真结果和理论相吻合。该整流方式对于消除3次、5次、7次、11次、13次等低次谐波非常有效。
（a）整流原理
（b）仿真电路
图224脉波原理及仿真模型
图324脉波整流后网侧的谐波电流成分
2.2机车模型
机车模型主要包括逆变器和牵引电机两部分。目前大功率交流传动领域广泛应用的是中点箝位型三电平逆变器（NeutralPointClamped，简称为NPC)，图4是利用MATLAB/simulink搭建的NPC三电平逆变器仿真模型，右侧为1500V直流电源，左侧部分为三角载波和开关程序模块，中间的模块为逆变器和三相异步电机。
仿真电路输出的三电平PWM脉冲电压如图5所示，与传统的两电平比较，谐波成分会更少一些，波形更接近正弦。通过在逆
图4三电平NPC逆变器仿真模型
变器的输入端测量到的谐波电流成分如图6所示，可以看到，主要包括了3、5、11、13和19次谐波成分，其中以11和13次谐波成分最为显著。
图5三电平PWM脉冲输出
图6逆变器工作导致的谐波电流成分
3公共电网实测数据
采用Fluke434专用电能质量分析仪，从110kVPT和CT二次侧取电压和电流信号同时监测，普通负荷则采用短时测量为主（30分钟），对轻轨供电的重要负荷采取长时间测量，测量时间为12小时。为了解背景谐波的影响，测试时，对该变电站的其它110kV出线的也全部进行了测量。
110kV轻轨供电出线的三相电能质量情况几乎一样，A、B、C三相总的谐波电压畸变率仅为0.6%、0.6%、0.7%，即电压畸变很小。 而谐波电流的含有率较高，但是其负载轻，总的基波电流很小（最大的一次测量约在10A左右，可能实际运行时行车密度较低），各次谐波电流也非常小。各谐波电流成分如表1所示（以B相为例进行分析）。虽然其谐波电流含有率较高，但是换算成各次的谐波电流，都没有超过国标的规定值。
表1轻轨供电出线谐波电流含有率较大各次情况（其它较小成分已忽略）
| 次数 | 直流 | 3 | 5 | 11 | 13 |
| 谐波电流含有率（%） | 5.0 | 0.9 | 0.6 | 1.2 | 1.1 |
| 次数 | 19 | 23 | 25 | 47 | 49 |
| 谐波电流含有率（%） | 0.6 | 2.4 | 2.1 | 0.5 | 0.3 |
表1中明显出现了24脉波整流导致的特征谐波。根据前文的分析，会有明显的23、25、47、49次谐波电流，即24脉波整流的特征谐波。对于24脉波整流机组而言，23次最大，其次是25次谐波电流。因此，测量到的24脉波整流的特征谐波和仿真结果相吻合。根据图6的仿真结果可以看出，因为逆变器的工作导致其11、13次的谐波成分比重也较大，测量结果和仿真相吻合。
4仿真分析
4.1仿真基本电路和条件
根据图1中的供电电路，利用MATLAB仿真软件建立轻轨供电模型。110kV降压后直接连接到牵引供电系统的10kV环网为轻轨列车供电。
根据轻轨的设计资料和公共电网资料，仿真条件如下：
(1)公共电网（4路110kV进线，组成双电源）：短路容量分别在1930MVA-3100MVA之间；阻抗比为0.12/0.41；(2)主变电站：降压变压器的主接线为单Yd11接线；(3)牵引变电所：采用24脉波整流机组，电抗取0.1mH，18座牵引变电站同时运行；(4)机车：额定功率约为800kVA。
4.2轻重负荷条件下的谐波
考虑到远期高峰期负荷的极端情况，上下行各有5辆电力机车同时运行，来分析此时牵引系统对公共电网的影响。白天高峰期(100%负荷运行)，行车密度约2-3min。
仿真得到的110kV网侧电流波形和谐波含量如图7所示，谐波成分并不严重。电流波形前面几个周期的振荡主要可能是控制算法需要一定的时间才能达到稳定。波形中包括了24脉波整流机组和逆变器产生的的特征谐波，而且谐波都在国标值允许范围。在白天负荷高峰期，公共电网110kV侧电流总畸变率为1.77%，从电流谐波成分如图7（b）可以看出，其谐波含量集中在11、13、23、25次谐波（2.3A，1.6A，0.2A，0.3A，远小于国标所规定的值（根据国标规定值折算到当前的基准容量的允许值为11.1A，9.3A，5.39A，4.88A）。
（a）公共电网110kV侧电流波形
（b）公共电网110kV侧电流谐波成分
图7公共电网110kV侧电流波形和谐波成分
考虑到夜间低谷期负荷情况，上下行约有2辆电力机车同时运行，来分析此时牵引系统对公共电网的影响。夜间(20%负荷运行)，仿真后，得到谐波电流总畸变率为仅仅1.02%，而且各次谐波也明显减少，因此对公共电网的影响更为有限。
4.3单端供电影响(极端情况)
为了保证轻轨供电的可靠性，采用了双端供电方式。当其中某一变电所需要检修等情况退出对轻轨的供电后，轻轨供电网便处于单端供电状态。因此，对于公共电网能否胜任这样一种特殊的运行方式也进行了计算分析。当一路110kV主变退出运行时，也就是单端供电时，则另一端完全担负起10辆轻轨列车的负荷。
分析结果表明一台主变退出运行时，另外一路110kV侧电流总畸变率为2.66%，基波电流为55.6A，从电流谐波次数图8可看出，其谐波含量仍然集中在11、13、23、25次谐波。其中11，13，23和25次谐波最为明显，11次谐波最大为2.99A，仍未超过国家标准。
图8公共电网110kV侧电流谐波（单端供电）
4.4启动瞬间的影响
当列车启动的短暂时间，对电网的冲击性最大，其谐波含量丰富。仿真条件为双边供电，当机车同时启动时，公共电网110kV侧谐波波形及含量情况如图9所示，110kV侧电流谐波含量丰富，谐波特性不明显，其瞬间谐波总畸变率可达到17%，但各谐波成分仍没有超标。并且由于是瞬间冲击，发生时间较短（几十个ms），并且此种极端情况通常不会发生，对电网不会造成危险。
（a）启动时大溪沟110kV侧电流瞬间波形
（b）启动时110kV侧电流瞬间频谱图
图9列车启动时大溪沟110kV侧电流瞬间波形
机车在不同速率下对公共电网谐波的影响区别较小，其实质也就是负荷变化的影响，因此无需再进行分析；当列车制动时，机车断路器断开，此时对电网基本无影响。
5结论：
本文通过建立城市轻轨供电系统的全部仿真模型，模拟不同运行情况下的谐波问题，研究该供电系统对公共电网谐波的影响规律，主要得到如下结论：
（1）所建立的轨道交通供电系统仿真模型能模拟列车在不同工况下的谐波特征；
（2）根据实测和仿真，得出该牵引供电系统向公共电网注入谐波主要是24脉波整流导致的特征谐波（23次、25次）和逆变器开断导致（11次、13次）；
（3）即使在电网单端极限运行情况，最大谐波为11次（2.99A）；启动瞬间时谐波含量非常丰富，电流谐波总畸变率可达17%，但持续时间很短。 在两种极端运行状况下，各特征谐波成分仍未超过国标允许值。
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