电气化铁路谐波仿真及抑制措施分析

何国军

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

电气化铁路谐波仿真及抑制措施分析

何国军

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

介绍了交-直型电力机车牵引主电路整流器原理和交-直-交型电力机车三电平PWM整流原理。运用Matlab/Simulink仿真软件建立了交-直型和交-直-交型电力机车谐波仿真模型，分别对其谐波进行了仿真分析，总结分析了其谐波特性，并给出了电气化铁路谐波抑制的措施。仿真分析结果对电气化铁路谐波分析与抑制具有实际工程应用参考价值。

谐波仿真；抑制措施；滤波器；电气化铁路

1 引言

近些年来随着我国电气化铁路的快速发展，电气化铁路牵引供电系统中产生的谐波随之也受到了广泛的关注。这些谐波如果不能及时得到治理，注入到电力系统中后，将会对电网造成危害，危及电力系统的安全稳定运行[1-2]。

针对目前电气化铁路线主要运行的交-直型电力机车与交-直-交型电力机车，分别建立了其谐波仿真模型，对其网侧谐波进行仿真分析、总结分析了其谐波特性，并给出了电气化铁路谐波抑制的措施。仿真分析结果对电气化铁路谐波分析与抑制具有实际工程应用参考意义。

2 交-直型电力机车谐波仿真

2.1 交-直型机车牵引主电路原理

选取了SS9交-直型电力机车，其牵引主电路如图1所示[3]。其牵引绕组a1-x1、a2-x2电压有效值均为686.8V，其中a1-b1、b1-x1均为343.4V，与其相应的整流器构成了三段桥不等分整流桥电路。

SS9型电力机车三段不等分整流桥的工作顺序如下[3]：首先投入四臂桥a2-x2段，整流电压由0逐渐增大至1/2Ud。再投入六臂桥a1-b1段，整流电压在1/2Ud～3/4Ud之间调节。最后投入六臂桥b1-x1段，整流电压在3/4Ud～1Ud之间调节。

2.2 交-直型电力机车谐波仿真

仿真过程中，主要考虑电机的反电动势和整流桥触发角α的大小。根据整流电压Ud的大小可以判断出电力机车运行工况下整流器的段数，然后根据各段桥的工作原理便可确定晶闸管的触发角。

图1 SS9型电力机车牵引主电路

利用Matlab/simulink仿真软件构造SS9交-直型电力机车第三段桥整流电路模型，反电动势以及触发角α的计算参见参考文件[3]。仿真结构图如图2所示。

图2 SS9型电力机车第三段桥仿真结构图

其网侧的电流波形及其谐波FFT分析如图3所示。此时其网侧电流的主要各次谐波电流含量如表1所示。由仿真结果可以看出，在SS9交-直型电力机车网侧电流中，主要含有以3、5、7、9次等低次的奇次谐波为主，其余高次谐波含量相对较少。

图3 SS9型机车第三段桥网侧电流及其谐波FFT分析

次数35791113含量(%)48.099.316.863.442.271.85次数151719212325含量(%)1.201.000.830.610.560.47

3 交-直-交型电力机车谐波仿真

3.1 交-直-交型机车牵引主电路原理

现有的CRH系列动车组、HXD电力机车均采用了交-直-交传动系统[2]，单相PWM整流器是交流传动系统的重要组成部分[4]。选取CRH2动车组，其采用的单相三电平PWM整流器主电路如图4所示[4]。

图4 CRH2动车组整流器原理图

PWM整流器一般采用电压电流双闭环控制原理[5-8]，其双闭环控制原理如图5所示。

图5 PWM整流器双闭环控制原理

交流传动动车组中电流控制一般采用的是瞬态电流控制[5-8]，其表达式如下所示：

Kn、Ti—PI控制器参数；G2—比例放大系数；Id—直流环节电流；ω—网侧电压角频率；uab(t)—调制信号。

3.2 交-直-交型电力机车谐波仿真

图6 CRH2动车组整流器仿真模型

CRH2动车组网侧电流波形及其谐波FFT分析如图7所示。此时CRH2整流器网侧电流主要的各次谐波电流含量如表2所示。

图7 CRH2网侧电流波形及其谐波FFT分析

次数35791113含量(%)0.350.430.310.100.050.15次数151719212325含量(%)0.080.050.080.170.020.13次数454749515355含量(%)0.230.420.280.230.390.20

CRH2动车组电流谐波主要低次谐以3、5、7、9次谐波为主，高次谐波以45、47、49、51、53、55次谐波为主，高次谐波主要分布在两倍载波频率即2500Hz附近。

从以上仿真结果可以看出，交-直-交型电力机车谐波含量比交-直型电力机车谐波含量有了明显的减少，但交-直-交型电力机车除了含有低次谐波以外，在两倍载波频率附近高次谐波含量相对交-直型电力机车明显突出。

4 电气化铁路谐波抑制措施

4.1 电力系统谐波抑制措施[9]

电力系统谐波抑制可分为三种，方法一为受端治理：即选择更加合理的供电方式、提高设备的抗谐波干扰能力、避免或减少电容对谐波放大、提高谐波保护性能等。受端治理是通过各种方法改善用电设备性能，从而减小谐波的产生，这种方式具有投机性。方法二为主动治理：增加变流装置的相数或脉冲数、采用高功率因数变流器、改变谐波源的工作方式、采用PWM技术等。虽然主动治理能抑制谐波的产生，但是由于非线性元件种类繁多复杂，单独依靠主动治理不可能完全消除谐波。方法三为被动治理：被动治理是通过外加设备从而达到谐波抑制的目的，可以选择加设无源滤波器、有源滤波器、混合滤波器或在谐波源并联无功补偿装置联合运行。

4.2 电气化铁路谐波抑制措施

随着我国电气化铁路的全面发展，对电气化铁路电能质量也提出了更高的要求，目前电气化铁路谐波抑制可采用以下几种方法[10-11]：

(1)采用新型的交-直-交型电力机车，更换既有的交-直型电力机车。从仿真结果可以看出，由于交-直-交型电力机车采用四象限脉冲变流器，逆变器采用PWM控制，因此谐波含量比交-直型电力机车谐波含量有了明显的减少。

(2)增设滤波装置，对于电力机车通常设置3、5、7各次谐波的单频率谐振电路来吸收各次谐波。在电容器支路里串联电感L组成L-C串联谐振电路，对某一频率谐波产生谐振，合理设计电容器组与串联电感的大小，使其从感性区域接近串联谐振，减小注入电力系统的谐波电流。

(3)加装无功补偿装置，接于主变压器的牵引绕组上。补偿装置电路由串联的电容器和电抗器组成，其中电容器提供的容性超前无功功率补偿感性负载消耗的滞后无功功率，使功率因数得到了提高。

(4)严格执行谐波国家标准，加强对谐波源的监测分析。可在变电所内设置电能质量监测分析装置，及时关注牵引变电所内电能质量的各项指标。

5 结论

通过选取SS9交-直型电力机车和CRH2动车组交-直-交型电力机车，运用Matlab/Simulink仿真软件分别建立其仿真模型，并对网侧谐波进行仿真分析。仿真结果表明，在交-直型电力机车网侧电流中，主要含有以3、5、7、9次等低次的奇次谐波为主，其余高次谐波含量相对较少。交-直-交型电力机车低次谐波分布以3、5、7、9次谐波为主，高次谐波以45、47、49、51、53、55次谐波为主。与交-直型电力机车相比谐波含量有了明显减少，但高次谐波含量与交-直型电力机车相比明显突出。最后介绍了传统电力系统谐波抑制措施，阐述分析了电气化铁路谐波抑制措施，从而对电气化铁路谐波特性认识与抑制具有实际工程应用参考意义。

[1] 李群湛，贺建闽.牵引供电系统分析[M].成都：西南交通大学出版社，2007.

[2] 何国军.时频原子分解方法在牵引供电系统谐波检测中的应用[D].西南交通大学，2011.

[3] 余卫斌.韶山9型电力机车[M].北京：中国铁道出版社，2005.

[4] 冯晓云.电力牵引交流传动及其控制系统[M].成都：西南交通大学出版社，2009.

[5] 何国军，王旭峰.CRH2动车组三电平PWM整流器仿真及谐波分析.电力学报，2010，25(6)：455-457.

[6] 盛彩飞.电力机车和动车组谐波电流的仿真研究[D].北京交通大学，2009.

[7] 刘玉洁，林飞，游小杰，等.CRH2型动车组谐波电流分析及仿真[J].电力电子，2009，4：38-41.

[8] 何兴隆.交流传动电力机车网侧电流谐波特性及其抑制方法[J].电气技术，2012，5：45-48.

[9] 赵玉曼.电力系统谐波抑制及无功补偿方法的研究[D].辽宁工业大学，2014.

[10] 李建峰.电力机车无功补偿与谐波抑制系统的研究与设计[D].电子科技大学工程，2011.

[11] 张涛.电气化铁路牵引供电系统谐波分析与治理[J].高速铁路技术，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

何国军(1986-)男，硕士研究生，工程师，从事电气化铁路牵引供电系统设计工作。