MATLAB 综合实验高铁牵引供电系统运行数据分析.pdf

实验名称：

MATLAB综合实验——高铁牵引供电系统运行数据分析
实验目的：

1.理解MATLAB在解决电气科学复杂工程问题中的应用；
2.掌握本实验复杂工程模型的建立、仿真与分析方法。
实验原理：
1.基本原理
综合运用教材书上的知识，以及本实验原理，对综合问题进行复杂工程模型的建立，仿真和分析。
2.谐波定义

谐波(harmonicwave)，从严格的意义来讲，谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，
一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。
3.电能质量标准及电能质量计算方法

[1]中华人民共和国国家标准.GB/T14549-1993电能质量公用电网谐波.
1993.

[2]中华人民共和国国家标准.GB/T15543-2008电能质量三相电压允许不
平衡度.2008.

第h次谐波电压含有率HRUh计算公式：HRUh=Uh/U1×100%
式中：Uh为第h次谐波电压（方均根值）；U1为基波电压（方均根值）。
第h次谐波电流含有率HRIh计算公式：HRIh=Ih/I1×100%
式中：Ih为第h次谐波电流（方均根值）；I1为基波电流（方均根值）。.
谐波电压含量UH计算公式：

谐波电流含量IH计算公式：

电压总谐波畸变率THDu计算公式：THD=U/U×100%
UH1
电流总谐波畸变率THDi计算公式：THD=Ih/I1×100%
i
4．离散傅里叶变换与快速傅里叶变换
1)傅里叶变换：
它可以将一个以时间t为自变量的连续的信号x(t)转换为以频率为自变量的
函数X(jf)，该函数是复数形式的

2)离散傅里叶变换：
离散傅里叶变换，用于离散信号分析，是为适应于数字计算机计算的傅里叶
变换。他将离散的信号x(n)转换为以频率为自变量的函数X(k)。

DFT处理信号的步骤可以简要归纳如下：
①在得到一段信号后，首先得到的信息是该信号的时间长度T。
②以一定的采样频率Fs进行采样，可以得到一个离散序列x(n)，其长度为N=T*Fs。
③x(n)、N代入公式，得到一个频率序列X(k)，其长度也为N，该序列中的值为复数。要做的便
是对该序列X(k)，进行一定的处理，来得到不同频率的幅值大小。
④X(k)频率序列的频率是以1/T为间隔的，以此为横坐标。
⑤若将频率序列X(k)再除以N，乘以2，然后取前一半数据（因为数据是对称的，只有一半是有用
的），便得到各频率所对应的真正幅值大小，以此为纵坐标。
⑥画出的图，便是能够反映各频率成分幅值大小频谱图。
3)快速傅里叶变换（FFT），FFT从物理本质上讲与离散傅里叶变换是相同的，FFT的出现是为了加
速离散傅里叶变换的计算速度，所以FFT的计算结果与离散傅里叶变换相同。
实验内容：
铁路运输是铁路设施、设备运送旅客和货物的一种运输方式，是现代运输主要方式之一，也是构成陆
上货物运输的两个基本运输方式之一。图9.2为高速铁路牵引供电系统示意图，主要包括牵引变电所、
牵引网和动车组。牵引变电所将220kV三相电压转换为满足电力机车运行的27.5kV单相电压，其核
心元件是牵引变压器。牵引网由馈线、接触网、钢轨、回流线等组成,完成对电力机车的送电任务。

高速动车组在运行过程中将消耗大量电能，且其功率随动车组运行工况不同而变化，动车组运行也将
带来区域电网电压、电流的谐波问题，恶化电能质量,给电网运行调控带来不良影响。由此，如何对
含高铁牵引负荷的区域电网电能质量进行评估尤为重要。对此，请结合上述背景知识及附录提供的相
关实测数据，解决如下问题。
题目：作为牵引供电系统的主要负荷，高速动车组负荷具有非线性，单相性、冲击性等特点，导致了
区域电网的谐波等电能质量问题。请结合提供的牵引供电系统高压侧（220kV)实测三相电压、三相电
流数据（采样间隔50微秒)，分析计算如下问题。一）高速动车组的主要运行工况可分为空载、牵
引、制动，在三种运行工况下，各取0.2秒时长的数据:【1，4000】(空载)，【1600000，1604000】
(牵引)，【4000000，4004000】(制动)1）绘制各运行工况下电压和电流的波形，要求Figure1中
绘制三种工况下各自三相电压波形，不同工况分开，三相信号在一个子图中;Figure2中绘制三种工
况下的三相电流波形，不同工况分开，三相信号在一个子图中。2）试用FFT绘制各运行工况下电流
频谱。3）计算幅值最大的5个谐波分量幅值和频率。4）请结合原理中的国家电能质量评估标准，计
算各运行工况下的电流总谐波畸变率，据此评价动车组运行工况对电流谐波的影响，给出自己的分析。
二）取全部数据为分析对象:5）高速动车组运行工况多变，可能带来电流谐波含有率的变化，试绘