電氣機車諧波特性及多機車運行諧波電流評估方法

(康泰斯(上海)工程有限公司，上海 201203)

0 引 言

電氣化鐵路牽引供電系統為大功率單相整流負荷或者逆變負荷，經牽引供電系統注入電網很多諧波電流，由于電氣化鐵道分布日益廣泛，對大電網的影響也越來越嚴重，電氣化鐵路已成為電網的主要諧波源之一。目前，國內電氣化鐵路運行的機車主要由交直型和交直交型組成，兩種類型的機車又根據整流橋類別的不同以及輔助電路的變化延伸了多種機型。基于PSCAD/EMTDC軟件對目前常用的交直型及交直交型各類機車進行了特征諧波電流分析。

電氣化鐵路牽引系統的一條牽引線路上存在多個機車同時運行，此時每輛機車所產生的諧波電流并不是簡單的線性疊加關系，而是和各個諧波電流相角有關。針對諧波源疊加問題國內外研究人員主要采用實測法、解析法、數學模型法和仿真法對電鐵諧波進行分析研究[1,2]，針對電氣化鐵路多諧波源電流疊加的特點，提出應用最小二乘法及曲線擬合的方法分析多個諧波源電流之間的疊加規律，以期準確預測電氣化鐵路諧波工況。

1 交直型電力機車特征諧波電流

交直型電力機車即韶山系列電力機車，傳動系統一般采用晶閘管整流電路給直流電動機供電，通過控制晶閘管的導通角來實現機車出力的調節。

SS3型電力機車主電路采用相控開關與調壓開關相結合的控制方式，實現八段橋控制，使用晶閘管整流后牽引6個電動機[3]。

SS6B型電力機車裝有1臺牽引變壓器，兩臺整流器，每臺整流器給3臺并聯的直流牽引電機供電，每臺牽引電機在故障情況均可單獨隔離，保證其他電機正常工作。機車整流部分為三段不等分晶閘管整流橋，動力制動采用加饋電阻制動，并采用相控調壓、有級磁場削弱方式，以實現恒流、準恒速特性控制。

SS9型電力機車整流部分為三段不等分半控整流橋和晶閘管磁場分路電路，整流后為3個牽引電動機供電。采用以調壓調速為主，磁場削弱調速為輔的調速方式，通過順序開放一段大橋和兩段小橋，實現整流和調壓輸出，在電機端電壓達到最大限值時，通過削弱磁場來減小勵磁電流，從而提高機車運行速度。制動方式為加饋電阻制動[4]。

表1是3種常用交直型電力機車基于PSCAD建立仿真模型后得到的特征諧波電流。由表所示，各型號交直型機車諧波次數基本一致，奇次諧波含量較高，以3、5、7次諧波為主，且諧波幅值隨著諧波次數的增大呈遞減趨勢，總諧波畸變率較高。

表1 交直型機車諧波電流含量 /%

2 交直交型電力機車特征諧波電流

交直交型電力機車的主電路一般由PWM整流器、中間直流環節、牽引逆變器和三相交流異步電機組成。交直交型電力機車分為和諧號電力機車和動車組，交直型電力機車的諧波主要由整流裝置產生，HXD系列機車采用傳統的單相兩電平四象限PWM整流器，CRH1、CRH3、CRH5型機車均采用經并聯二重化的兩電平PWM整流器，CRH2采用三電平四象限整流器。

HXD1型機車主變壓器8個獨立的次邊牽引繞組分別向8個四象限脈沖整流器供電，每2個四象限脈沖整流器并聯輸出，共用一個中間直流電路。這個中間直流電路同時向2個逆變器(1個牽引逆變器和1個輔助逆變器，仿真時不考慮輔助逆變器)供電，牽引逆變器向2臺三相鼠籠式異步電機供電。再生制動過程相反。主變流器包括四象限整流器和VVVF逆變器[5]。

HXD3型電力機車采用兩組主變流器，每一組主變流器含有3個牽引變流器，它們分別由主變壓器的牽引繞組供電，6組牽引變流器經過整流逆變后，分別給牽引電機供電。當任何一組或幾組牽引變流器支路出現故障時，均可通過故障隔離開關進行隔離。牽引變流器主要由四象限整流器、中間直流電路和牽引逆變器組成[6]。

HXD3B型電力機車主變壓器次邊6組獨立的牽引繞組分別向6個變流器供電，每2個變流器并聯后共用一個中間直流電路，每個中間直流電路同時向2個電機逆變器和1個輔助逆變器供電，再生制動過程與牽引狀態相同，只不過電能的流向相反[7]。

CRH2型動車組采用8輛編組，由兩個動力單元組成，每個動力單元由2個動車和2個拖車組成。牽引傳動系統主要由牽引變壓器、整流器、中間環節、牽引逆變器、牽引電動機等組成。牽引變壓器設兩組牽引繞組，由25 kV變壓到1 500 V。整流器將單相交流電變換成2 600～3 000 V的直流電供給牽引逆變器，牽引逆變器輸出電壓和頻率(電壓0～2 300 V；頻率0～220 Hz)可控的三相交流電供給異步電機。CRH2型電力機車與眾不同的地方在于采用了三電平變流器，提高了開關管耐壓能力[8]。

CRH5型動車組有兩個相對獨立的主牽引系統，一個是三輛動車和一輛拖車組成的動力單元，另一個是兩輛動車和兩輛拖車組成的動力單元。正常情況下，兩個牽引系統均工作，當一個牽引系統發生故障時，可以自動切斷故障源，繼續運行。CRH5型動車組牽引主電路結構為一個主變壓器帶6組副邊，分別為6組四象限變流器供電，每輛動車上由兩組變流器并聯之后接2組牽引逆變器，各帶一個電機。能量儲放由變壓器漏感完成。

表2是5種常用交直交型電力機車基于PSCAD建立仿真模型后得到的特征諧波電流。由表所示，各型號交直交型機車諧波次數基本一致，奇次諧波含量較小，隨著次數的增大而依次降低。

表2 交直交型機車諧波電流含量 /%

3 多機車運行諧波電流分析

諧波電流相角對所有諧波電流疊加之和的作用定義為“多樣化影響”[9-12]，則“多樣化影響因子”(diversity factor，DFh,n)為

(1)

利用實際測量或軟件仿真得到的諧波電流波形，可進一步采用傅里葉分析得到各次諧波電流的幅值和相位，并計算得出不同諧波源數目時的多樣化影響因子數據。為了在這些離散的多樣化影響因子數據點中找到內在的規律性，需要新的多項式或新的函數來逼近這些已知點。

曲線擬合是根據給定m個點得到曲線y=Φ(x)，這條曲線是經過所有m個點的曲線y=f(x)的近似曲線。假設給定數據點為

pi(xi,yi),i=1,2,…,m

(2)

基于Matlab對給定數據點進行曲線擬合，得到多項式系數為

y=a0+a1x+…+akxk

(3)

此多項式曲線即與按照實測分解計算得到的“多樣化影響因子”擬合曲線基本一致。從而說明，在同一牽引線上不同個數的牽引機車，采用仿真模型計算出的諧波電流經過計算和曲線擬合得到的“多樣化影響因子”能夠用來指導電氣化鐵路諧波電流評估。以下通過一個實例對比來說明本方法的可行性。

選取某地區某牽引變電所為實測地點。取該牽引變電所110 kV進線處為測量點，測量時該牽引變電所左右供電臂的機車安排情況為：左臂帶有一個SS9型電力機車負荷，右臂接有兩個CRH5型電力機車負荷。可以得到該牽引變電所實際電流波形如圖1所示。綜合考慮電流波形以及各次諧波含量、諧波總畸變率、不平衡度等參數以及列車運行安排，對該牽引供電系統使用SS9與CRH5型號電力機車建立仿真系統并進行仿真模擬，最終得到的電流波形如圖2所示。仿真模型如圖3所示。

圖1 實測電流波形圖

圖2 仿真電流波形圖

對比實測與仿真得到的電流波形、各次諧波含量、諧波總畸變率、不平衡度等參數，見表3所示，可認為此仿真結果與實測結果基本趨勢一致，可在此仿真電路基礎上進行多樣化影響因子的分析驗證。

由該牽引變電所左右供電臂的機車安排情況可知，右臂帶有兩個電力機車負荷，存在多諧波源疊加現象。根據實測數據計算右臂的多樣化影響因子DFh,2′，并將其與模型的多諧波源影響因子DFh,2進行比較，做出圖4所示擬合曲線。

圖3 電力機車系統仿真模型

表3 實測與仿真數值對比

表4 實測DFh,2′與仿真DFh,2誤差

由圖3不難發現，實測DFh,2′和仿真DFh,2擬合曲線的走勢是一致的。為了衡量兩條曲線的相似度，定義兩條曲線之間的誤差為

e=|DFh,2′-DFh,2|

(4)

圖4 實測DFh,2′與仿真DFh,2擬合曲線對比

計算不同諧波次數時兩條擬合曲線多樣化影響因子之間的誤差并整理列表如下。

由表4可知，兩條擬合曲線在相同諧波次數處的數值相差不大，誤差最小約為0.005，最大約為0.127，且絕大多數誤差值小于等于0.05，可以認為仿真得到的擬合曲線與實測得到的擬合曲線基本一致。這說明，不管其工作在何種條件下，n個諧波源疊加的多樣化影響因子擬合曲線趨勢一致，即只要通過建立電力機車模型并總結其一般規律，便可以使用仿真得到的多樣化影響因子曲線來預測實際中多諧波源疊加的諧波電流幅值，對預測電氣化鐵路諧波電流、評價電氣化鐵路電能質量起到積極有利的作用。

4 結 論

通過建立各種機車的仿真模型總結了各種常用電力機車的特征諧波電流含量，提供了一種評估多電力機車或諧波源在同一電氣連接點下的諧波電流評

估方法，并經過實際測試計算數據與仿真模型計算數據對比，驗證了電力機車模型的正確性以及多諧波源負荷諧波電流評估方法的正確性，為今后做電氣化鐵路諧波電流評估提供了可以借鑒的數據和參考方法。

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