谢磊
中车大连机车车辆有限公司，客户服务部 辽宁 大连 116000
摘要:利用MATLAB软件平台上的仿真软件Simulink建立了sS 1型和SS 4型电力机车数字仿真模型提出了通过机车牵引控制特性函数与整流回路的关系确定导通角0的方法并利用DSP工具箱的FFT函数对电流进行FFT得到电力机车在不同网压，级位和速度下注入牵引网的基波和各次谐波电流的幅值和相角在此基础_上建立了sS 1型和SS 4型电力机车的谐波电流数据库为计算牵引变电所全天2 4h谐波电流的随机模拟计算打下了基础。
关键词:MATLAB ;电力机车;牵引负荷谐波电流中图分类号
引言
近年来我国电气化铁道牵引负荷发展很快使铁路电气化率达到25%并承担铁路总货物周转量的50%以上给国民经济带来巨大的经济效益但电气化铁道在运行中从电网取得基波电流的同时还向电网注入大量的高次谐波和负序电流使电能质量下降威胁电网的安全运行以及其他用户设备的安全和正常工作为此研究人员投入大量精力来研究牵引负荷的谐波特性。
目前国内大部分研究都以确定性的方法计算牵引负荷的谐波电流没有很好地针对牵引负荷周期性。随机性强的特点计算谐波电流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
而实测法主要的缺点是投资大、周期长、缺乏灵活。通过建立较为准
确的SS 1型和SS 4型电力机车动态模型首次在国内以概率的方法对牵引负荷机车谐波电流进行研究但忽略了牵引网电压降落以及各台机车谐波电流的相互影响要研究牵引负荷对电力系统的影响必须建立较为准确的电力机车数学模型开发良好的电力机车谐波电流仿真程序是最基本的工作此前研究人员在研究SS 1型和SS 4型谐波电流时先分析电力机车主电路的工作原理然后根据其工作原理建立数学模型再用编程语言FORTRAN或语言D编写仿真程序来求得电力机车交流侧注入接触网的基波和各次谐波电流详细的推导和计算。这种方法往往需要花费大量的时间去求解常微分方程组且程序不易维护在考虑列车牵引动态过程时需要不断地调用计算谐波电流的程序不断求解常微分方程组。计算量非常大;另外铁路负荷一般以我24h为一个周期运行方式多变若采用这种方法计算牵引负荷24h谐波电流的概率分布显然不合适。
为了解决上述问题本文采用了以下思路:利用MATL AB建立不同类型电力机车谐波电流仿真模型并将仿真结果放入数据库形成不同类型电力机车谐波电流数据库以便在进行列车牵引动态过程时依据牵引网的电压，机车级位和速度查询谐波库得到该时刻机车谐波电流用这种方式进行仿真有以下优点:
a.避免反复进行常微分方程组的求解。
b.一次形成方便使用由于各地区电气化铁路的机型和运行方式差异较大以数据库的方式存放机车谐波电流便于机型的扩充通用性强。
1电力机车仿真模型
美国Math WorkS公司于1992年推出;了动态系统通用仿真软件Simulink它运行在MATLAB软件平台上利用该软件中的电力系统工具箱PowerSyStem BlockSet简称PSB于1998年推出D可对电力机车主电路进行精确、直观、高效的仿真由于电力系统工具箱中有非常成熟的各种电气元件的数学模型及接口研究人员可以方便地利用各种元件可视化地建立自己所需要的仿真对象将精力放在仿真对象的工作原理。上较之通过传统的编程语言建立模型更为便捷而且可靠性大为提高。电力机车主电路中主要有以下元器件:变压器，二极管，晶闸管，直流电动机，平波电抗器等这些元件有些可以用PSB中现成的元件模拟，有些通过工具箱中其他元件方便地组合起来进行模拟。
下面介绍利用MATLAB进行电力机车谐波电流仿真的大致步骤：
a .用PSB各电气元件模块构造主电路。
b .利用数字信号处理工具箱(简称DSP )的FFT函数将步骤a中得到的电流进行FFT，得到电力机车注入牵引网的基波和谐波电流幅值和相角。
c将不同网压，级位，速度下的基波和谐波电流按照数据接口的要求放入数据文件。
2确立SS 1型电力机车谐波电流仿真模型
仿真电路图构建之后，在主电路动态仿真之前需要设定Simulink的解题器(SOIver )的参数。根据机车主电路可知各回路的时间常数T为0.0BS左右,因此SOlver中的仿真时间设为0.4S足够保证整流回路过渡过程的结束0 PSB将仿真计算过程建立在基本的电路原理和微分方程数值求解的基础上，所以还需在SOIver OptiOn中做相应的设置0PSB针对整流回路建立的常微分方程组形式如下,x/=Ax -$(t)(1)
其中,A为m >m矩阵，由于PSB准确模拟了二极管的动态特性，因此PSB针对机车整流回路建立的常微分方程组是刚性方程组，即矩阵A的特征值相差十分悬殊0针对这种情况，在SOlverOptiOn中应当选择可变阶次的数值微分公式(NDFS),即Ode 15S算法，该方法适合解决用Runge -Kutta法不能解决的刚性问题。
仿真步长应选变步长方式，由PSB 根据需要自动调节，以保证解的稳定性和计算速度。利用DSP工具箱的FFT函数将电流 a做FFT，就可以得到电力机车注入牵弓|网的基波和各次谐波电流的幅值和相角。
采用PSB仿真得到SS 1型电力机车在网压为25kV及某一级位和速度下的B次，5次，7次，9次谐波的含有率分别为27.5%,16.4%,11.6%,8.9%;用FORTRAN 77编写的SS 1型电力机车整流回路谐波电流仿真程序,在相同的网压，级位和速度下计算得到的各次谐波电流含有率分别为26.9%,15.4%,10.B%,7. B%。
通过比较说明，运用MATLAB进行整流回路仿真是足够准确的，存在误差的原因是两种程序所采用的方法不一样,MATL AB仿真采用数值微分法来求解PSB构造的机车主电路。
接口程序采用MATLAB自身的编程语言，文件后缀名为.m 0反复调用PSB模型，需要用到MATLAB自带的系列函数:set param,save sys-tem,sim等。 setparam用于设定PSB仿真模型中某一模块的参数。例如,SS1型电力机车级位在21挡时相应的整流变压器低压绕组电压有名值，电阻和电感标幺值等参数分别为1290,0.0027979, 0.016281,程序中就可以输入参数，其他参数也以类似的方式输入。
语句中ss1 hsz2表示PSB仿真模型的名称，Linear Transformer表示整流变压器的名称,c是参数的名称。
5结论
本文介绍了如何利用MATL _AB的PSB工具构造SS1型和SS4型电力机车谐波的动态仿真模型的方法，提出了通过机车牵引控制特性函数与整流回路的关系确定导通角0的方法，并利用DSP工具箱的FFT函数对电流进行FFT，得到电力机车在不同网压，级位，速度下注入牵引|网的基波和各次谐波电流的幅值和相角，首次构建了这两种机型较为完备的谐波电流数据库，通过比较，认为利用MATLAB建立机车谐波电流模型是准确，可靠并且高效的方法，为下一步结合牵引供电系统模型以及铁路部进行全天24h牵弓|负荷谐波电流的随机模拟计算打下了基础。
参考文献
[1] 李建华，夏道止.韶山3型电力机车的谐波电流计算[A].东南大学.中国高等学校电力系统及其自动化专业第九届年会论文集[C].南京:东南大学，1993.
[2]刘友梅.韶山3型4000系电力机车M.北京:中国铁道出版社，1998
[3]刘友梅.韶山3型电力机车M.北京:中国铁道出版社，1990