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的重要組成部分，直接關系國民生活和生產。包（頭）神（木）鐵路是神華集團的重要重載鐵路之一，是為開發內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平臺基礎上，為神華集團研發了神華大功率交流傳動電力機車，以動力單元為基礎，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，具有優越的技術性與經濟性。

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，增強了對電氣參數的控制，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，對牽引供電系統產生的影響也不同，由此產生的高次諧波廣泛分布于供電系統中，當系統參數滿足一定條件時可能發生系統諧振，進一步加劇高次諧波的形成。近年來，因高次諧波引發的事故較為常見，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

高次諧波的出現給重載鐵路提出了新的嚴峻課題。總結既有包神鐵路和其他鐵路運營經驗，高次諧波對牽引供電系統和電力機車產生的不利影響，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磁場，對電動機轉子的轉動產生制動作用，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。

（4）高次諧波會降低電容的容抗，提高電感的感抗。對牽引網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，導致線路參數發生較大變化，使車網耦合參數出現不匹配現象，從而引發高次諧波振蕩。如果在機車運行期間發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，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，兩者不能等同。諧波和負序電流相應的保護設置和原理大不相同。

（7）正常運行中的電力機車在分相區段會頻繁啟動主斷路器，形成負序電流，諧波對經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）當系統中三相不平衡較為嚴重時，會出現虛幻接地即假接地，而假接地故障現象與中性點不接地的配電系統產生的單相接地故障現象十分相似，從而增加了值班員判斷故障的難度。

（9）對鐵路遠動系統的“三遙”功能產生較大影響，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）造成鐵路配電系統的微機保護誤動作，保護定值丟失或更改。

（12）諧波對電能質量產生較大影響，諧波電流放大作用使電網的網損增大，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 主電路結構

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

接觸網系統單相工頻25 kV交流電經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，再經中間直流環節輸出給牽引逆變器，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構原理

2.2 四象限變流器控制

電力機車注入供電系統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高、諧波含量低、可實現能量的雙向流動等優點。

四象限變流器通常采用瞬態電流控制技術，其本質是基于電壓電流雙閉環反饋控制與前饋控制相結合的控制方法。瞬態電流控制技術具有諸多優點，如操作簡便、能有效抑制諧波的產生等。采用瞬態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為調節器的參數，Udc為中間直流側電壓給定值，Idc為中間直流環節電流，K為比例放大系數，w為網側電壓的角頻率。

圖2 瞬態電流控制策略示意圖

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

由式（1）可知，瞬態直接電流控制為電壓電流雙閉環控制，某一參數變化時，控制系統具有自動校正調節功能，并最終達到穩態平衡。采用瞬態直接電流控制策略能夠使系統具有直流側電壓穩定快、動態響應好、對系統參數變化能快速做出調整等優點。

3 牽引供電系統

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，其優點是牽引網結構簡單，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，在鋼軌上方并聯架設架空回流線，回流線與接觸網同桿架設，電力機車運行過程中，在一個區間內與牽引變電所、牽引網、電力機車形成回路，在牽引網中產生較大的牽引電流，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型接線方式聯接于110 kV三相電力系統AB和BC兩相，每個牽引變電所都可以實現由三相電力系統的兩相線電壓供電，兩變壓器低壓側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。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，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 牽引網仿真模型

牽引網線路模型可以采用包含串聯阻抗矩陣和并聯導納矩陣的集中參數模型搭建，其中串聯阻抗矩陣包含各導線的自阻抗和導線間的互阻抗，并聯導納矩陣包含導線之間或導線對地的電容和漏電阻。對于27.5 kV單相牽引供電系統，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側電流電壓，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、調制波產生模塊、控制信號模塊、中間直流電壓環節、二次濾波、逆變器負荷，另外在模擬再生制動時，可以再與負荷串聯一個直流電壓源。主電路模型及瞬態控制模塊如圖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控制模塊

4.5 牽引供電系統仿真模型

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

4.6 仿真結果分析

對神華八軸電力機車在空載和滿載情況下進行仿真。假設1臺神華號機車運行在右側供電臂上行末端。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，左側前供電臂末端電壓和電流諧波畸變率如圖11所示。可以看出，在牽引網上同時有4輛機車時，對牽引網電壓的影響較大，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。抑制牽引供電系統高次諧波可以從以下2個方面入手：

（1）電力機車上設置寬頻動態補償裝置。

（2）包神鐵路現有牽引變電所針對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，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合的方式濾波。

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

有源濾波技術是通過檢測系統的諧波分量，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，可大大降低系統參數過補償的可能，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的供電質量。

包神鐵路線路經過改造，整體線路參數可能出現不匹配現象，也是產生車網系統諧振過電流或高次諧波的主要原因之一。隨著神經網絡、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，有利于解決供電質量下降的問題。

6 結語

分析了神華八軸電力機車結構特點，根據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，組合建立了車網系統聯合仿真模型。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，對牽引供電系統諧波影響進行了研究。仿真結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，實際中需要根據實際行車組織確定最大負載工況。

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