系统谐波和不对称负载对高速铁路供电的影响

在同相牵引供电系统中，负载是非线性的且只接于系统的一个端口，三相严重不对称。由于牵引负荷是非线性的，因此在分析时需要线性化处理才能应用叠加原理。假定我们考察的时间足够短，如小于一个开关周期或更短一段时间，那么系统各参数就可以认为是一确定常数，整个系统就可以按照线性系统进行分析。这时同相牵引供电系统可以分成系统谐波、系统电压不对称、负载不对称、负载引起的谐波4种情况进行讨论，最终效果则是4种情况的叠加。由于分析方法和过程与前面相同只是比较烦琐，这里不再一一赘述。为了便于比较两种模型的补偿效果，以下分系统电压畸变和无畸变两种情况并采用仿真比较方法进行分析讨论。

以图2.7 YN，d11接线同相牵引供电系统为例，设牵引负荷接于YN，d11接线的ac端口，因此负载的电压为uac。根据YN，d11接线特点，它正好与系统原边A相电压同相。所以，以为参考，负荷的接线角为0°，假定牵引负荷电流为

1．系统电压无畸变时

假设系统电压不含谐波，为纯正弦波形，且三相对称，如图4.13（a）所示，图4.13（b）为负荷电压电流波形。在同一负载下两种补偿模型仿真结果如图4.14所示。

图4.14（a）、（c）、（e）分别为最佳负载模型下系统侧、牵引侧三相电流和三相补偿电流；图4.14（b）、（d）、（f）分别为波形畸变最小模型下系统侧、牵引侧三相电流和三相补偿电流。

图4.13　系统电压及负荷电压、电流波形

图4.14　补偿电流与补偿后电源侧、牵引侧电流

由图4.14可知，两种补偿模型的补偿特性是一致的，两种模型补偿后三相电流仅含有幅值相同的基波有功电流。平衡补偿装置输出的补偿电流波形亦完全一样。所以两种模型下电源输出功率、电流波形、补偿装置输出电流相同。由于负载的基波电流幅值为500 A，因此，按照功率守恒原理可算出系统三相均衡承担负荷时，变压器次边三相电流幅值应为288 A，原边三相电流的幅值应为72 A。仿真结果与理论值基本一致。说明当系统三相电压对称且无畸变时，两种模型完全等价。(www.xing528.com)

2．系统电压有畸变时

假设系统电压含有5、7次谐波，含量分别为基波的14.1% 和7%，电压表达式为

图4.15为系统电压波形和负载的电压、电流波形。仿真结果如图4.16所示。图4.16（a）、（c）、（e）分别为最佳负载模型下系统侧、牵引侧三相电流和三相补偿电流；图4.16（b）、（d）、（f）分别为波形畸变最小模型下系统侧、牵引侧三相电流和三相补偿电流。

图4.15　系统电压及负荷电压、电流波形

图4.16　补偿电流与补偿后电源侧、牵引侧电流

由图4.16可见，在畸变电压作用下，两种补偿模型的补偿特性明显不同。最佳负载模型补偿后三相电流对称，并含有与畸变电压同频率的谐波，对系统而言，补偿后，不对称的单相负载变成了三相对称纯阻性负载，系统将同时提供负载所需的基波有功功率和谐波有功功率。仿真结果中，系统侧三相基波电流幅值和次边的三相基波电流幅值都分别与理论值72 A和288 A接近，且补偿后系统三相电流波形与系统三相电压波形完全一致。

波形畸变最小模型补偿后的系统三相电流仅含有基波有功电流，幅值分别为73 A、75 A、76 A，次边三相电流也仅有基波有功电流，幅值分别为287.75 A、302.93 A、298.38 A。原、次边电流除了一相与理论值接近外，另外两相电流幅值都大于理论值。这与前面分析结论一致，说明波形畸变最小模型约束下，电源除了直接向负载提供基波有功电流外，还向补偿装置额外提供了有功功率，用以确保补偿装置输入输出功率平衡。