包神鐵路神華號電力機車諧波特性研究

0 引言

重載鐵路運輸是鐵路運輸?shù)闹匾M成部分，直接關(guān)系國民生活和生產(chǎn)。包（頭）神（木）鐵路是神華集團的重要重載鐵路之一，是為開發(fā)內(nèi)蒙古東勝煤田和陜西神府煤田而修建的一條運煤專線。線路北起包蘭鐵路的萬水泉車站，終點為神木縣的大柳塔，正線全長171 km。為滿足不斷增長的運量需求，株洲電力機車有限公司在既有大功率交流傳動電力機車技術(shù)平臺基礎(chǔ)上，為神華集團研發(fā)了神華大功率交流傳動電力機車，以動力單元為基礎(chǔ)，形成八軸機車、十二軸機車2種不同功率等級的大功率交流傳動機車編組形式。該機車符合神華集團鐵路運輸特點，滿足了神華鐵路運輸對機車動力性能的要求，具有優(yōu)越的技術(shù)性與經(jīng)濟性。

神華號電力機車屬于交直交型電力機車，采用PWM（Pulse Width Modulation）技術(shù)，增強了對電氣參數(shù)的控制，提高了電力機車的有效功率，減少諧波。目前，包神鐵路運行著SS4B、SS4、神華號等不同類型的電力機車。由于各類電力機車的特性不同，對牽引供電系統(tǒng)產(chǎn)生的影響也不同，由此產(chǎn)生的高次諧波廣泛分布于供電系統(tǒng)中，當系統(tǒng)參數(shù)滿足一定條件時可能發(fā)生系統(tǒng)諧振，進一步加劇高次諧波的形成。近年來，因高次諧波引發(fā)的事故較為常見，嚴重影響鐵路的安全運輸，因此研究重載鐵路高次諧波特性十分必要。

1 高次諧波的不利影響

高次諧波的出現(xiàn)給重載鐵路提出了新的嚴峻課題。總結(jié)既有包神鐵路和其他鐵路運營經(jīng)驗，高次諧波對牽引供電系統(tǒng)和電力機車產(chǎn)生的不利影響，可概括為以下幾個方面：

（1）在諧波和負序電流的共同作用下，牽引電動機中可能形成反向旋轉(zhuǎn)磁場，對電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生制動作用，大大降低了牽引電動機的出力，不利于電力機車重載運行。

（2）諧波經(jīng)過牽引變壓器會造成更多的鐵損和銅損，同時負序電流會影響變壓器的出力，使得變壓器的總利用率下降。

（3）高次諧波電壓直接疊加于交流屏，使其整流模塊的電容長期處于過電壓狀態(tài)。

（4）高次諧波會降低電容的容抗，提高電感的感抗。對牽引網(wǎng)的影響主要是提高整體線路的阻抗，同時降低電纜線路的容抗，導致線路參數(shù)發(fā)生較大變化，使車網(wǎng)耦合參數(shù)出現(xiàn)不匹配現(xiàn)象，從而引發(fā)高次諧波振蕩。如果在機車運行期間發(fā)生接地故障可能導致故障范圍的進一步擴大。

（5）諧波可使通過電容器的電流幅值增大且電容值變小數(shù)倍甚至幾十倍，因此諧波通過電容器時，會使電容器的溫度升高，長期使用將可能導致電容器熱擊穿。

（6）負序電流是三相不平衡的表現(xiàn)，可使總合成電流變小，進而大大降低電力線路輸送電能的能力；諧波電流與頻率密切相關(guān)，兩者不能等同。諧波和負序電流相應的保護設(shè)置和原理大不相同。

（7）正常運行中的電力機車在分相區(qū)段會頻繁啟動主斷路器，形成負序電流，諧波對經(jīng)負序電流啟動的繼電保護形成較大的干擾，可能引起負序電流保護誤動。

（8）當系統(tǒng)中三相不平衡較為嚴重時，會出現(xiàn)虛幻接地即假接地，而假接地故障現(xiàn)象與中性點不接地的配電系統(tǒng)產(chǎn)生的單相接地故障現(xiàn)象十分相似，從而增加了值班員判斷故障的難度。

（9）對鐵路遠動系統(tǒng)的“三遙”功能產(chǎn)生較大影響，給判斷和處理故障增加了難度。

（10）電磁式電壓互感器的鐵芯易受諧波的干擾，使鐵磁飽和呈非線性變化，增大了變比的誤差，且影響測量的精確度。

（11）造成鐵路配電系統(tǒng)的微機保護誤動作，保護定值丟失或更改。

（12）諧波對電能質(zhì)量產(chǎn)生較大影響，諧波電流放大作用使電網(wǎng)的網(wǎng)損增大，進一步加大了無效用電的電量，增加了費用。

2 神華八軸電力機車簡介

2.1 主電路結(jié)構(gòu)

神華號電力機車采用交直交型主電路結(jié)構(gòu)，主要由受電弓、主斷路器、牽引變壓器、整流器、中間直流環(huán)節(jié)、牽引逆變器、三相異步交流電機等組成。其主電路結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

接觸網(wǎng)系統(tǒng)單相工頻25 kV交流電經(jīng)受電弓和主斷路器輸送給牽引變壓器，降壓后通過四象限變流器將單相交流電整流成直流電，再經(jīng)中間直流環(huán)節(jié)輸出給牽引逆變器，逆變器輸出電壓、電流、頻率可控的三相交流電供牽引電機使用。

圖1 神華號機車主電路結(jié)構(gòu)原理

2.2 四象限變流器控制

電力機車注入供電系統(tǒng)的諧波特性主要取決于四象限變流器。四象限變流器具有功率因數(shù)高、諧波含量低、可實現(xiàn)能量的雙向流動等優(yōu)點。

四象限變流器通常采用瞬態(tài)電流控制技術(shù)，其本質(zhì)是基于電壓電流雙閉環(huán)反饋控制與前饋控制相結(jié)合的控制方法。瞬態(tài)電流控制技術(shù)具有諸多優(yōu)點，如操作簡便、能有效抑制諧波的產(chǎn)生等。采用瞬態(tài)電流控制策略對單相電壓型整流器進行控制，其具體計算式為

式中，Kp和Ki為調(diào)節(jié)器的參數(shù)，Udc為中間直流側(cè)電壓給定值，Idc為中間直流環(huán)節(jié)電流，K為比例放大系數(shù)，w為網(wǎng)側(cè)電壓的角頻率。

圖2 瞬態(tài)電流控制策略示意圖

圖2為瞬態(tài)電流控制策略示意圖，控制系統(tǒng)需 要反饋3個信號量，實時檢測電網(wǎng)電壓和電流值，按式（1）組成運算電路，輸出電壓信號即為調(diào)制信號，將其與三角載波進行比較，生成脈沖信號驅(qū)動開關(guān)器件。

由式（1）可知，瞬態(tài)直接電流控制為電壓電流雙閉環(huán)控制，某一參數(shù)變化時，控制系統(tǒng)具有自動校正調(diào)節(jié)功能，并最終達到穩(wěn)態(tài)平衡。采用瞬態(tài)直接電流控制策略能夠使系統(tǒng)具有直流側(cè)電壓穩(wěn)定快、動態(tài)響應好、對系統(tǒng)參數(shù)變化能快速做出調(diào)整等優(yōu)點。

3 牽引供電系統(tǒng)

3.1 供電方式

包神鐵路采用帶回流線的直接供電方式。直接供電方式是最簡單的供電方式，其優(yōu)點是牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單，投資小，但是鋼軌電位較高，同時通信干擾明顯。改進方式為采用帶回流線的直接供電方式，在鋼軌上方并聯(lián)架設(shè)架空回流線，回流線與接觸網(wǎng)同桿架設(shè)，電力機車運行過程中，在一個區(qū)間內(nèi)與牽引變電所、牽引網(wǎng)、電力機車形成回路，在牽引網(wǎng)中產(chǎn)生較大的牽引電流，同時在回流線中形成較大反向電流，大大降低電磁場對電氣設(shè)備通信部分的干擾。

3.2 牽引變壓器

包神鐵路采用V/v接線牽引變壓器，其原理如圖3所示。將2臺單相牽引變壓器以V型接線方式聯(lián)接于110 kV三相電力系統(tǒng)AB和BC兩相，每個牽引變電所都可以實現(xiàn)由三相電力系統(tǒng)的兩相線電壓供電，兩變壓器低壓側(cè)繞組各取一端分別與牽引變電所兩27.5 kV母線相連，母線之間用分相絕緣器隔開，而另一端則以公共端的方式與接地網(wǎng)以及鋼軌連接，形成回流通道。

圖3 V/v接線牽引變壓器原理

4 神華八軸電力機車諧波特性仿真分析

基于包神鐵路采用的神華八軸電力機車實際運行條件，建立牽引供電系統(tǒng)和機車仿真模型，對神華八軸電力機車諧波特性進行仿真分析。

4.1 電源仿真模型

包神鐵路接入的是110 kV等級電網(wǎng)。在Matlab/Simulink仿真模型中，采用SimPowerSystems的“3-Phase Source”模塊作為供電電源仿真模型，如圖4所示。

圖4 外部電源模型

4.2 牽引變壓器仿真模型

采用SimPowerSystems中的“LinearTransformer”模塊搭建變壓器模型。牽引變壓器采用V/v接線方式，只需將2臺單相變壓器模型原邊和副邊相應的抽頭并聯(lián)，即可得到V/v接線牽引變壓器的仿真模型，如圖5所示。

圖5 V/v接線牽引變壓器模型

4.3 牽引網(wǎng)仿真模型

牽引網(wǎng)線路模型可以采用包含串聯(lián)阻抗矩陣和并聯(lián)導納矩陣的集中參數(shù)模型搭建，其中串聯(lián)阻抗矩陣包含各導線的自阻抗和導線間的互阻抗，并聯(lián)導納矩陣包含導線之間或?qū)Ь€對地的電容和漏電阻。對于27.5 kV單相牽引供電系統(tǒng)，導納的影響可以忽略，故不采用有導納的線路模型。

4.4 神華號機車仿真模型

根據(jù)神華號機車原理，基于Matlab/Simulink仿真工具搭建機車仿真模型。由于本文研究重點在于網(wǎng)側(cè)電流電壓，對于逆變器及其控制則做簡化處理，將其作為變流器的負荷。該模型包括牽引主變壓器、三電平橋路、調(diào)制波產(chǎn)生模塊、控制信號模塊、中間直流電壓環(huán)節(jié)、二次濾波、逆變器負荷，另外在模擬再生制動時，可以再與負荷串聯(lián)一個直流電壓源。主電路模型及瞬態(tài)控制模塊如圖6、圖7所示。

圖6 神華號機車主電路模型

圖7 神華號機車整流器瞬態(tài)控制模塊

4.5 牽引供電系統(tǒng)仿真模型

將電源、牽引變壓器、牽引網(wǎng)和電力機車仿真模型綜合起來即可得到牽引供電系統(tǒng)模型。以瓷窯灣牽引變電所為例，其車網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型如圖8所示。

4.6 仿真結(jié)果分析

對神華八軸電力機車在空載和滿載情況下進行仿真。假設(shè)1臺神華號機車運行在右側(cè)供電臂上行末端。滿載時，機車功率為9 600 kW，仿真波形如圖9所示；半載時，機車功率為4 800 kW，仿真波形如圖10所示。

4臺機車滿載接入，2個供電臂末端分別有1臺機車情況下，左側(cè)前供電臂末端電壓和電流諧波畸變率如圖11所示?？梢钥闯觯跔恳W(wǎng)上同時有4輛機車時，對牽引網(wǎng)電壓的影響較大，因此需要通過濾波抑制諧波，以減小對牽引網(wǎng)的影響。

圖9 滿載時機車電壓波形與電流諧波畸變率

圖10 半載時D點電壓波形與電流諧波畸變率

圖11 4臺機車滿載情況左側(cè)供電臂末端電壓和電流諧波畸變率

5 諧波抑制措施建議

任何三相不平衡諧波電流均由諧波正序電流和負序電流組成，由于電力機車為非線性載體，同時是產(chǎn)生諧波的主要來源之一，需要采取相應措施抑制諧波。抑制牽引供電系統(tǒng)高次諧波可以從以下2個方面入手：

（1）電力機車上設(shè)置寬頻動態(tài)補償裝置。

（2）包神鐵路現(xiàn)有牽引變電所針對3、5、7次諧波能夠有效濾除，對于高于17次諧波的濾波則無能為力。經(jīng)以上仿真研究可以得出，神華號電力機車高次諧波主要在20～40次范圍內(nèi)，因此建議采用APF有源濾波器。由于有源濾波裝置價格較高，可采用有源和無源濾波相結(jié)合的方式濾波。

無源濾波技術(shù)被廣泛應用于各行各業(yè)，主要是通過LC組合的方式來抵消系統(tǒng)中線路參數(shù)變化而引起高電阻通道，形成低阻通道，破壞LC線路參數(shù)的振蕩。但無源濾波技術(shù)只能消除特定的幾次諧波，同時對諧波產(chǎn)生放大作用，可能會產(chǎn)生過補償，從而進一步激化諧波，發(fā)生系統(tǒng)諧振，甚至鐵磁諧振。因此，對于較為復雜的系統(tǒng)，無源濾波技術(shù)很難起到較好的濾除諧波效果。

有源濾波技術(shù)是通過檢測系統(tǒng)的諧波分量，采用逆變裝置對諧波電流進行補償和平衡，即生成一種與檢測到的諧波大小近似相等、極性相反的諧波進行疊加，以消除諧波分量，剩下基波分量，可大大降低系統(tǒng)參數(shù)過補償?shù)目赡?，提高精確化控制濾除諧波的能力和效果，并且能夠濾除比較復雜的諧波，有效提高了牽引供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量。

包神鐵路線路經(jīng)過改造，整體線路參數(shù)可能出現(xiàn)不匹配現(xiàn)象，也是產(chǎn)生車網(wǎng)系統(tǒng)諧振過電流或高次諧波的主要原因之一。隨著神經(jīng)網(wǎng)絡、小波算法、模糊算法的不斷完善，抑制高次諧波的手段將會多樣化，有利于解決供電質(zhì)量下降的問題。

6 結(jié)語

分析了神華八軸電力機車結(jié)構(gòu)特點，根據(jù)其主電路控制策略建立仿真模型，基于某牽引變電所實際參數(shù)，組合建立了車網(wǎng)系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型。通過仿真神華八軸電力機車滿載和半載等工況下的諧波特性，在多車重載情況下，對牽引供電系統(tǒng)諧波影響進行了研究。仿真結(jié)果說明諧波含有率較高，需要采取一定濾波措施。應當說明，本文仿真的4臺機車同時滿載工況屬于理論上負載最大情況，實際中需要根據(jù)實際行車組織確定最大負載工況。

參考文獻：

[1]李群湛，賀建閩.牽引供電系統(tǒng)分析[M].成都：西南交通大學出版社，2007.

[2]李群湛.牽引變電所供電分析及綜合補償技術(shù)[M].北京：中國鐵道出版社，2006.

[3]李群湛.諧波影響分析與算法研究[J].鐵道學報，1991（10）：59-69.

[4]Hanmin Lee,Changrau Lee,Gilsoo Jang．Harmonic analysis of the Korean high-speed railway using the eight-port representation model[J].IEEE Transactionson Power Delivery,2006,26(2)：979-986.

[5]葛興來，馮曉云，劉柏思.PWM整流器諧波特性分析[J].電力電子技術(shù)，2009，43（4）：67-69.

[6]吳命利.電氣化鐵道牽引網(wǎng)的統(tǒng)一鏈式電路模型[J].中國電機工程學報，2010，30（28）：52-58.

[7]楊其林.牽引供電系統(tǒng)與高速列車牽引傳動系統(tǒng)耦合振蕩研究[D].北京交通大學碩士論文，2012.

[8]馮金博.高速鐵路車網(wǎng)匹配研究[D].西南交通大學碩士學位論文，2011.

[9]郭蕾，李群湛，劉煒，等.額定功率下高速機車諧波特性的仿真分析[J].西南交通大學學報，2009，44（6）：835-840.

[10]張子林，徐文娟，楊光.單相PWM整流器瞬態(tài)直接電流控制的仿真研究[J].變頻器世界，2011（12）：67-71.

[11]劉衛(wèi)沾，盛彩飛，林杰.高速動車組網(wǎng)側(cè)電流諧波特性的研究[J].電氣傳動，2010，40（1）：33-37.