何國軍

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

電氣化鐵路諧波仿真及抑制措施分析

何國軍

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

介紹了交-直型電力機車牽引主電路整流器原理和交-直-交型電力機車三電平PWM整流原理。運用Matlab/Simulink仿真軟件建立了交-直型和交-直-交型電力機車諧波仿真模型，分別對其諧波進行了仿真分析，總結分析了其諧波特性，并給出了電氣化鐵路諧波抑制的措施。仿真分析結果對電氣化鐵路諧波分析與抑制具有實際工程應用參考價值。

諧波仿真；抑制措施；濾波器；電氣化鐵路

1 引言

近些年來隨著我國電氣化鐵路的快速發(fā)展，電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)中產(chǎn)生的諧波隨之也受到了廣泛的關注。這些諧波如果不能及時得到治理，注入到電力系統(tǒng)中后，將會對電網(wǎng)造成危害，危及電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行[1-2]。

針對目前電氣化鐵路線主要運行的交-直型電力機車與交-直-交型電力機車，分別建立了其諧波仿真模型，對其網(wǎng)側諧波進行仿真分析、總結分析了其諧波特性，并給出了電氣化鐵路諧波抑制的措施。仿真分析結果對電氣化鐵路諧波分析與抑制具有實際工程應用參考意義。

2 交-直型電力機車諧波仿真

2.1 交-直型機車牽引主電路原理

選取了SS9交-直型電力機車，其牽引主電路如圖1所示[3]。其牽引繞組a1-x1、a2-x2電壓有效值均為686.8V，其中a1-b1、b1-x1均為343.4V，與其相應的整流器構成了三段橋不等分整流橋電路。

SS9型電力機車三段不等分整流橋的工作順序如下[3]：首先投入四臂橋a2-x2段，整流電壓由0逐漸增大至1/2Ud。再投入六臂橋a1-b1段，整流電壓在1/2Ud～3/4Ud之間調(diào)節(jié)。最后投入六臂橋b1-x1段，整流電壓在3/4Ud～1Ud之間調(diào)節(jié)。

2.2 交-直型電力機車諧波仿真

仿真過程中，主要考慮電機的反電動勢和整流橋觸發(fā)角α的大小。根據(jù)整流電壓Ud的大小可以判斷出電力機車運行工況下整流器的段數(shù)，然后根據(jù)各段橋的工作原理便可確定晶閘管的觸發(fā)角。

圖1 SS9型電力機車牽引主電路

利用Matlab/simulink仿真軟件構造SS9交-直型電力機車第三段橋整流電路模型，反電動勢以及觸發(fā)角α的計算參見參考文件[3]。仿真結構圖如圖2所示。

圖2 SS9型電力機車第三段橋仿真結構圖

其網(wǎng)側的電流波形及其諧波FFT分析如圖3所示。此時其網(wǎng)側電流的主要各次諧波電流含量如表1所示。由仿真結果可以看出，在SS9交-直型電力機車網(wǎng)側電流中，主要含有以3、5、7、9次等低次的奇次諧波為主，其余高次諧波含量相對較少。

圖3 SS9型機車第三段橋網(wǎng)側電流及其諧波FFT分析

次數(shù)35791113含量(%)48.099.316.863.442.271.85次數(shù)151719212325含量(%)1.201.000.830.610.560.47

3 交-直-交型電力機車諧波仿真

3.1 交-直-交型機車牽引主電路原理

現(xiàn)有的CRH系列動車組、HXD電力機車均采用了交-直-交傳動系統(tǒng)[2]，單相PWM整流器是交流傳動系統(tǒng)的重要組成部分[4]。選取CRH2動車組，其采用的單相三電平PWM整流器主電路如圖4所示[4]。

圖4 CRH2動車組整流器原理圖

PWM整流器一般采用電壓電流雙閉環(huán)控制原理[5-8]，其雙閉環(huán)控制原理如圖5所示。

圖5 PWM整流器雙閉環(huán)控制原理

交流傳動動車組中電流控制一般采用的是瞬態(tài)電流控制[5-8]，其表達式如下所示：

Kn、Ti—PI控制器參數(shù)；G2—比例放大系數(shù)；Id—直流環(huán)節(jié)電流；ω—網(wǎng)側電壓角頻率；uab(t)—調(diào)制信號。

3.2 交-直-交型電力機車諧波仿真

圖6 CRH2動車組整流器仿真模型

CRH2動車組網(wǎng)側電流波形及其諧波FFT分析如圖7所示。此時CRH2整流器網(wǎng)側電流主要的各次諧波電流含量如表2所示。

圖7 CRH2網(wǎng)側電流波形及其諧波FFT分析

次數(shù)35791113含量(%)0.350.430.310.100.050.15次數(shù)151719212325含量(%)0.080.050.080.170.020.13次數(shù)454749515355含量(%)0.230.420.280.230.390.20

CRH2動車組電流諧波主要低次諧以3、5、7、9次諧波為主，高次諧波以45、47、49、51、53、55次諧波為主，高次諧波主要分布在兩倍載波頻率即2500Hz附近。

從以上仿真結果可以看出，交-直-交型電力機車諧波含量比交-直型電力機車諧波含量有了明顯的減少，但交-直-交型電力機車除了含有低次諧波以外，在兩倍載波頻率附近高次諧波含量相對交-直型電力機車明顯突出。

4 電氣化鐵路諧波抑制措施

4.1 電力系統(tǒng)諧波抑制措施[9]

電力系統(tǒng)諧波抑制可分為三種，方法一為受端治理：即選擇更加合理的供電方式、提高設備的抗諧波干擾能力、避免或減少電容對諧波放大、提高諧波保護性能等。受端治理是通過各種方法改善用電設備性能，從而減小諧波的產(chǎn)生，這種方式具有投機性。方法二為主動治理：增加變流裝置的相數(shù)或脈沖數(shù)、采用高功率因數(shù)變流器、改變諧波源的工作方式、采用PWM技術等。雖然主動治理能抑制諧波的產(chǎn)生，但是由于非線性元件種類繁多復雜，單獨依靠主動治理不可能完全消除諧波。方法三為被動治理：被動治理是通過外加設備從而達到諧波抑制的目的，可以選擇加設無源濾波器、有源濾波器、混合濾波器或在諧波源并聯(lián)無功補償裝置聯(lián)合運行。

4.2 電氣化鐵路諧波抑制措施

隨著我國電氣化鐵路的全面發(fā)展，對電氣化鐵路電能質(zhì)量也提出了更高的要求，目前電氣化鐵路諧波抑制可采用以下幾種方法[10-11]：

(1)采用新型的交-直-交型電力機車，更換既有的交-直型電力機車。從仿真結果可以看出，由于交-直-交型電力機車采用四象限脈沖變流器，逆變器采用PWM控制，因此諧波含量比交-直型電力機車諧波含量有了明顯的減少。

(2)增設濾波裝置，對于電力機車通常設置3、5、7各次諧波的單頻率諧振電路來吸收各次諧波。在電容器支路里串聯(lián)電感L組成L-C串聯(lián)諧振電路，對某一頻率諧波產(chǎn)生諧振，合理設計電容器組與串聯(lián)電感的大小，使其從感性區(qū)域接近串聯(lián)諧振，減小注入電力系統(tǒng)的諧波電流。

(3)加裝無功補償裝置，接于主變壓器的牽引繞組上。補償裝置電路由串聯(lián)的電容器和電抗器組成，其中電容器提供的容性超前無功功率補償感性負載消耗的滯后無功功率，使功率因數(shù)得到了提高。

(4)嚴格執(zhí)行諧波國家標準，加強對諧波源的監(jiān)測分析。可在變電所內(nèi)設置電能質(zhì)量監(jiān)測分析裝置，及時關注牽引變電所內(nèi)電能質(zhì)量的各項指標。

5 結論

通過選取SS9交-直型電力機車和CRH2動車組交-直-交型電力機車，運用Matlab/Simulink仿真軟件分別建立其仿真模型，并對網(wǎng)側諧波進行仿真分析。仿真結果表明，在交-直型電力機車網(wǎng)側電流中，主要含有以3、5、7、9次等低次的奇次諧波為主，其余高次諧波含量相對較少。交-直-交型電力機車低次諧波分布以3、5、7、9次諧波為主，高次諧波以45、47、49、51、53、55次諧波為主。與交-直型電力機車相比諧波含量有了明顯減少，但高次諧波含量與交-直型電力機車相比明顯突出。最后介紹了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)諧波抑制措施，闡述分析了電氣化鐵路諧波抑制措施，從而對電氣化鐵路諧波特性認識與抑制具有實際工程應用參考意義。

[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] 何國軍.時頻原子分解方法在牽引供電系統(tǒng)諧波檢測中的應用[D].西南交通大學，2011.

[3] 余衛(wèi)斌.韶山9型電力機車[M].北京：中國鐵道出版社，2005.

[4] 馮曉云.電力牽引交流傳動及其控制系統(tǒng)[M].成都：西南交通大學出版社，2009.

[5] 何國軍，王旭峰.CRH2動車組三電平PWM整流器仿真及諧波分析.電力學報，2010，25(6)：455-457.

[6] 盛彩飛.電力機車和動車組諧波電流的仿真研究[D].北京交通大學，2009.

[7] 劉玉潔，林飛，游小杰，等.CRH2型動車組諧波電流分析及仿真[J].電力電子，2009，4：38-41.

[8] 何興隆.交流傳動電力機車網(wǎng)側電流諧波特性及其抑制方法[J].電氣技術，2012，5：45-48.

[9] 趙玉曼.電力系統(tǒng)諧波抑制及無功補償方法的研究[D].遼寧工業(yè)大學，2014.

[10] 李建峰.電力機車無功補償與諧波抑制系統(tǒng)的研究與設計[D].電子科技大學工程，2011.

[11] 張濤.電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)諧波分析與治理[J].高速鐵路技術，2015，2：1-5.

Harmonic Simulation and Harmonic Suppression Measure Analysis for Electrified Railway

HE Guo-jun

(China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Beijing 102600,China)

Introduce the principle of rectifier of AC-DC electric locomotive and the three-level PWM rectifier circuit of AC-DC-AC electric locomotive.Using Matlab/Simulink software to establish the simulation model and simulate the network side harmonic of AC-DC electric locomotive and AC-DC-AC electric locomotive.Analyze and summarize the characteristics of harmonics.Introduce the harmonic suppression measures of electrified railway.The simulation results have actual reference value for engineering applications in electrified railway harmonic analysis and harmonic suppression measure.

harmonic simulation;suppression measure;wave filter;electrified railway

1004-289X(2017)01-0060-04

TN713

B

2015-12-27

何國軍(1986-)男，碩士研究生，工程師，從事電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)設計工作。