淺析電力機(jī)車對(duì)牽引網(wǎng)電能質(zhì)量的影響

韓智玲

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院,北京 100081)

1 引言

電力機(jī)車作為牽引網(wǎng)的非線性不對(duì)稱負(fù)載,它的工作電壓和電流的質(zhì)量直接影響到牽引網(wǎng)的電能質(zhì)量。目前國(guó)內(nèi)普遍使用的交-直電力機(jī)車,存在功率因數(shù)低,諧波電流大的問題。而由國(guó)外引進(jìn)的交-直-交電力機(jī)車雖然功率因數(shù)較高,但是在運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)車網(wǎng)電壓諧振和低頻震蕩現(xiàn)象,嚴(yán)重影響了整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2 電力機(jī)車產(chǎn)生的諧波對(duì)牽引網(wǎng)的影響

交-直相控電力機(jī)車在額定工況時(shí)的功率因數(shù)≥0.9,穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)只產(chǎn)生奇次諧波,只在涌流中含有偶次諧波。其中3次諧波電流含有率最大,隨著諧波次數(shù)的增大,其諧波含有率快速遞減,15次諧波幾乎降到1%。國(guó)內(nèi)實(shí)測(cè)機(jī)車諧波電流:3次為20%～25%,5次為10%～13%,7次為6%～8%。交-直相控電力機(jī)車電流的波形隨相控角的變化而改變,諧波電流隨基波劇烈波動(dòng)。諧波含量還取決于機(jī)車的運(yùn)行工況,機(jī)車在輕載時(shí)產(chǎn)生的諧波電流則更大。

由于諧波電流能夠引起牽引網(wǎng)電壓畸變,使?fàn)恳冸娝⒙?lián)補(bǔ)償裝置的部分電容器因電介質(zhì)擊穿而造成容值增大,引發(fā)電容系統(tǒng)的差壓保護(hù)動(dòng)作;干擾遠(yuǎn)動(dòng)遙測(cè)、遙信系統(tǒng),造成誤傳信息等等,所以需要采取有效的措施治理諧波。如在電力機(jī)車上加裝濾波裝置,在變電所集中補(bǔ)償,加大牽引網(wǎng)容量,增加供牽引網(wǎng)絡(luò)間的聯(lián)絡(luò)支路,以提高牽引網(wǎng)的抗諧波能力。

采用PWM技術(shù)的交流變頻調(diào)速機(jī)車運(yùn)行功率因數(shù)一般大于0.96,產(chǎn)生的諧波較小(總諧波電流畸變率小于 5%)。具有 3點(diǎn)式變流器(GTO)或交錯(cuò)整流橋電壓轉(zhuǎn)換器的交-直-交電力機(jī)車的諧波電流頻譜大都集中在31次以上的音頻范圍內(nèi),對(duì)牽引網(wǎng)影響較大的3,5,7次等低頻諧波含有率基本為零。此外,總的諧波電流含有率也比一般交-直電力機(jī)車低很多。

3 電力機(jī)車與牽引網(wǎng)產(chǎn)生的諧振現(xiàn)象

在電力機(jī)車運(yùn)行過程中,由于存在牽引網(wǎng)對(duì)地分布電容和回路電感的影響,當(dāng)電力機(jī)車和牽引網(wǎng)的阻抗構(gòu)成某次諧波的諧振回路時(shí),就會(huì)造成牽引負(fù)荷諧波電流的諧振放大,危及系統(tǒng)安全。諧振一旦形成,直到遇到新的干擾改變了系統(tǒng)參數(shù),破壞諧振條件后諧振才可能消除。

當(dāng)發(fā)生并聯(lián)諧振時(shí),負(fù)載中的電流是輸入總電流的Q倍,稱“電流諧振”;發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí),負(fù)載中的電壓是輸入電壓的Q倍,稱“電壓諧振”。

由于電力機(jī)車運(yùn)行過程中,牽引網(wǎng)的分布參數(shù)是不斷變化的,如何在線辨識(shí)牽引網(wǎng)的分布參數(shù),找到時(shí)變的諧振條件,判斷引起諧振的諧波源是解決問題的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[1]分析了電力機(jī)車在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的并聯(lián)和串聯(lián)諧振現(xiàn)象,并畫出了長(zhǎng)度為60 km的供電線關(guān)于網(wǎng)側(cè)輸入阻抗、機(jī)車位置、諧波頻率的三維圖。從圖1可以看出在頻率為1520 Hz,3000 Hz,5200Hz附近,車網(wǎng)在供電線的任何位置都處于諧振狀態(tài),而對(duì)于頻率1520 Hz是在大概30 km處諧振情況最嚴(yán)重。

圖1 不同位置和頻率的網(wǎng)側(cè)輸入阻抗Fig.1 The line input impedance at different position and frequency

針對(duì)電力機(jī)車和牽引網(wǎng)產(chǎn)生并聯(lián)和串聯(lián)諧振的現(xiàn)象,文獻(xiàn)[2]提出了一種解決方法。文中推導(dǎo)出了在線識(shí)別諧振條件的傳遞函數(shù),通過控制網(wǎng)側(cè)變流器PWM的開關(guān)角使得車網(wǎng)的總諧波能量最小化來避開諧振點(diǎn)。

4 電力機(jī)車與牽引網(wǎng)發(fā)生的低頻振蕩現(xiàn)象

2007年12月,太原鐵路局湖東機(jī)務(wù)段和湖東一場(chǎng)、二場(chǎng)的HXD1型電力機(jī)車與接觸網(wǎng)發(fā)生電壓振蕩,致使機(jī)車牽引封鎖而無法運(yùn)行。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試后發(fā)現(xiàn),在同一供電臂下有6臺(tái)空載HXD1型電力機(jī)車同時(shí)運(yùn)行是車網(wǎng)震蕩的臨界點(diǎn)。6臺(tái)機(jī)車同時(shí)運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)振蕩一段時(shí)間后收斂現(xiàn)象,而當(dāng)6臺(tái)機(jī)車同時(shí)運(yùn)行振蕩收斂后再投入一臺(tái)機(jī)車,振蕩加劇并最終導(dǎo)致封鎖保護(hù),見圖2。震蕩出現(xiàn)時(shí)機(jī)車牽引變流器中間直流回路電壓和網(wǎng)流、網(wǎng)壓的振蕩頻率均為3～4 Hz,而牽引網(wǎng)的頻率是50 Hz,所以這種震蕩屬于低頻振蕩。

圖2 機(jī)車發(fā)生振蕩、牽引封鎖及自動(dòng)重啟Fig.2 The process of the oscillation between locomotive and power supply netwo rk,the traction blockade of converter and automatic restart

通過進(jìn)行牽引變電所補(bǔ)償電容器投切試驗(yàn),變電所供電變壓器網(wǎng)壓調(diào)節(jié)試驗(yàn),接觸網(wǎng)分布參數(shù)影響試驗(yàn),改變機(jī)車負(fù)載試驗(yàn),再生制動(dòng)對(duì)振蕩工況影響試驗(yàn),外部負(fù)載對(duì)振蕩影響的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)只有外部負(fù)載對(duì)改善振蕩有積極的作用。

最后經(jīng)過分析得出低頻震蕩是由于HXD1型電力機(jī)車網(wǎng)側(cè)4象限變流器的控制參數(shù)和牽引網(wǎng)的系統(tǒng)參數(shù)不匹配,引起了機(jī)車與牽引網(wǎng)的震蕩。西門子技術(shù)人員通過改變網(wǎng)側(cè)4象限變流器的控制特性,改進(jìn)補(bǔ)償環(huán)節(jié)和濾波器設(shè)計(jì),解決了車網(wǎng)低頻震蕩問題。

文獻(xiàn)[3]介紹了在瑞士蘇黎世由于大量車型為Re450的機(jī)車同時(shí)投入運(yùn)行引起了頻率為5 Hz的車網(wǎng)低頻振蕩,文中通過仿真觀察到當(dāng)5臺(tái)機(jī)車同時(shí)運(yùn)行時(shí),5 Hz的振蕩很好的衰減了。而12臺(tái)機(jī)車同時(shí)運(yùn)行時(shí),振幅逐漸增大。之后文中對(duì)12臺(tái)機(jī)車同時(shí)運(yùn)行的情況做了改進(jìn),調(diào)整了中間直流電壓控制器的參數(shù)后發(fā)現(xiàn)振蕩被衰減了。從而可以得出同時(shí)運(yùn)行的機(jī)車數(shù)量和控制系統(tǒng)的參數(shù)都會(huì)對(duì)車網(wǎng)低頻振蕩有很大的影響。

5 結(jié)論

我國(guó)目前普遍使用交-直電力機(jī)車,它產(chǎn)生的諧波問題已經(jīng)受到高度重視,可以采取許多有效的措施來減弱諧波對(duì)牽引網(wǎng)的影響。對(duì)于我國(guó)新引進(jìn)的交-直-交電力機(jī)車,由于經(jīng)驗(yàn)不足,對(duì)于車網(wǎng)諧振和車網(wǎng)低頻震蕩等問題仍然需要深入分析原因并找到有效的解決辦法。

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