包神铁路神华号电力机车谐波特性研究

0 引言

重载铁路运输是铁路运输的重要组成部分，直接关系国民生活和生产。包（头）神（木）铁路是神华集团的重要重载铁路之一，是为开发内蒙古东胜煤田和陕西神府煤田而修建的一条运煤专线。线路北起包兰铁路的万水泉车站，终点为神木县的大柳塔，正线全长171 km。为满足不断增长的运量需求，株洲电力机车有限公司在既有大功率交流传动电力机车技术平台基础上，为神华集团研发了神华大功率交流传动电力机车，以动力单元为基础，形成八轴机车、十二轴机车2种不同功率等级的大功率交流传动机车编组形式。该机车符合神华集团铁路运输特点，满足了神华铁路运输对机车动力性能的要求，具有优越的技术性与经济性。

神华号电力机车属于交直交型电力机车，采用PWM（Pulse Width Modulation）技术，增强了对电气参数的控制，提高了电力机车的有效功率，减少谐波。目前，包神铁路运行着SS4B、SS4、神华号等不同类型的电力机车。由于各类电力机车的特性不同，对牵引供电系统产生的影响也不同，由此产生的高次谐波广泛分布于供电系统中，当系统参数满足一定条件时可能发生系统谐振，进一步加剧高次谐波的形成。近年来，因高次谐波引发的事故较为常见，严重影响铁路的安全运输，因此研究重载铁路高次谐波特性十分必要。

1 高次谐波的不利影响

高次谐波的出现给重载铁路提出了新的严峻课题。总结既有包神铁路和其他铁路运营经验，高次谐波对牵引供电系统和电力机车产生的不利影响，可概括为以下几个方面：

（1）在谐波和负序电流的共同作用下，牵引电动机中可能形成反向旋转磁场，对电动机转子的转动产生制动作用，大大降低了牵引电动机的出力，不利于电力机车重载运行。

（2）谐波经过牵引变压器会造成更多的铁损和铜损，同时负序电流会影响变压器的出力，使得变压器的总利用率下降。

（3）高次谐波电压直接叠加于交流屏，使其整流模块的电容长期处于过电压状态。

（4）高次谐波会降低电容的容抗，提高电感的感抗。对牵引网的影响主要是提高整体线路的阻抗，同时降低电缆线路的容抗，导致线路参数发生较大变化，使车网耦合参数出现不匹配现象，从而引发高次谐波振荡。如果在机车运行期间发生接地故障可能导致故障范围的进一步扩大。

（5）谐波可使通过电容器的电流幅值增大且电容值变小数倍甚至几十倍，因此谐波通过电容器时，会使电容器的温度升高，长期使用将可能导致电容器热击穿。

（6）负序电流是三相不平衡的表现，可使总合成电流变小，进而大大降低电力线路输送电能的能力；谐波电流与频率密切相关，两者不能等同。谐波和负序电流相应的保护设置和原理大不相同。

（7）正常运行中的电力机车在分相区段会频繁启动主断路器，形成负序电流，谐波对经负序电流启动的继电保护形成较大的干扰，可能引起负序电流保护误动。

（8）当系统中三相不平衡较为严重时，会出现虚幻接地即假接地，而假接地故障现象与中性点不接地的配电系统产生的单相接地故障现象十分相似，从而增加了值班员判断故障的难度。

（9）对铁路远动系统的“三遥”功能产生较大影响，给判断和处理故障增加了难度。

（10）电磁式电压互感器的铁芯易受谐波的干扰，使铁磁饱和呈非线性变化，增大了变比的误差，且影响测量的精确度。

（11）造成铁路配电系统的微机保护误动作，保护定值丢失或更改。

（12）谐波对电能质量产生较大影响，谐波电流放大作用使电网的网损增大，进一步加大了无效用电的电量，增加了费用。

2 神华八轴电力机车简介

2.1 主电路结构

神华号电力机车采用交直交型主电路结构，主要由受电弓、主断路器、牵引变压器、整流器、中间直流环节、牵引逆变器、三相异步交流电机等组成。其主电路结构原理如图1所示。

接触网系统单相工频25 kV交流电经受电弓和主断路器输送给牵引变压器，降压后通过四象限变流器将单相交流电整流成直流电，再经中间直流环节输出给牵引逆变器，逆变器输出电压、电流、频率可控的三相交流电供牵引电机使用。

图1 神华号机车主电路结构原理

2.2 四象限变流器控制

电力机车注入供电系统的谐波特性主要取决于四象限变流器。四象限变流器具有功率因数高、谐波含量低、可实现能量的双向流动等优点。

四象限变流器通常采用瞬态电流控制技术，其本质是基于电压电流双闭环反馈控制与前馈控制相结合的控制方法。瞬态电流控制技术具有诸多优点，如操作简便、能有效抑制谐波的产生等。采用瞬态电流控制策略对单相电压型整流器进行控制，其具体计算式为

式中，Kp和Ki为调节器的参数，Udc为中间直流侧电压给定值，Idc为中间直流环节电流，K为比例放大系数，w为网侧电压的角频率。

图2 瞬态电流控制策略示意图

图2为瞬态电流控制策略示意图，控制系统需 要反馈3个信号量，实时检测电网电压和电流值，按式（1）组成运算电路，输出电压信号即为调制信号，将其与三角载波进行比较，生成脉冲信号驱动开关器件。

由式（1）可知，瞬态直接电流控制为电压电流双闭环控制，某一参数变化时，控制系统具有自动校正调节功能，并最终达到稳态平衡。采用瞬态直接电流控制策略能够使系统具有直流侧电压稳定快、动态响应好、对系统参数变化能快速做出调整等优点。

3 牵引供电系统

3.1 供电方式

包神铁路采用带回流线的直接供电方式。直接供电方式是最简单的供电方式，其优点是牵引网结构简单，投资小，但是钢轨电位较高，同时通信干扰明显。改进方式为采用带回流线的直接供电方式，在钢轨上方并联架设架空回流线，回流线与接触网同杆架设，电力机车运行过程中，在一个区间内与牵引变电所、牵引网、电力机车形成回路，在牵引网中产生较大的牵引电流，同时在回流线中形成较大反向电流，大大降低电磁场对电气设备通信部分的干扰。

3.2 牵引变压器

包神铁路采用V/v接线牵引变压器，其原理如图3所示。将2台单相牵引变压器以V型接线方式联接于110 kV三相电力系统AB和BC两相，每个牵引变电所都可以实现由三相电力系统的两相线电压供电，两变压器低压侧绕组各取一端分别与牵引变电所两27.5 kV母线相连，母线之间用分相绝缘器隔开，而另一端则以公共端的方式与接地网以及钢轨连接，形成回流通道。

图3 V/v接线牵引变压器原理

4 神华八轴电力机车谐波特性仿真分析

基于包神铁路采用的神华八轴电力机车实际运行条件，建立牵引供电系统和机车仿真模型，对神华八轴电力机车谐波特性进行仿真分析。

4.1 电源仿真模型

包神铁路接入的是110 kV等级电网。在Matlab/Simulink仿真模型中，采用SimPowerSystems的“3-Phase Source”模块作为供电电源仿真模型，如图4所示。

图4 外部电源模型

4.2 牵引变压器仿真模型

采用SimPowerSystems中的“LinearTransformer”模块搭建变压器模型。牵引变压器采用V/v接线方式，只需将2台单相变压器模型原边和副边相应的抽头并联，即可得到V/v接线牵引变压器的仿真模型，如图5所示。

图5 V/v接线牵引变压器模型

4.3 牵引网仿真模型

牵引网线路模型可以采用包含串联阻抗矩阵和并联导纳矩阵的集中参数模型搭建，其中串联阻抗矩阵包含各导线的自阻抗和导线间的互阻抗，并联导纳矩阵包含导线之间或导线对地的电容和漏电阻。对于27.5 kV单相牵引供电系统，导纳的影响可以忽略，故不采用有导纳的线路模型。

4.4 神华号机车仿真模型

根据神华号机车原理，基于Matlab/Simulink仿真工具搭建机车仿真模型。由于本文研究重点在于网侧电流电压，对于逆变器及其控制则做简化处理，将其作为变流器的负荷。该模型包括牵引主变压器、三电平桥路、调制波产生模块、控制信号模块、中间直流电压环节、二次滤波、逆变器负荷，另外在模拟再生制动时，可以再与负荷串联一个直流电压源。主电路模型及瞬态控制模块如图6、图7所示。

图6 神华号机车主电路模型

图7 神华号机车整流器瞬态控制模块

4.5 牵引供电系统仿真模型

将电源、牵引变压器、牵引网和电力机车仿真模型综合起来即可得到牵引供电系统模型。以瓷窑湾牵引变电所为例，其车网系统仿真模型如图8所示。

4.6 仿真结果分析

对神华八轴电力机车在空载和满载情况下进行仿真。假设1台神华号机车运行在右侧供电臂上行末端。满载时，机车功率为9 600 kW，仿真波形如图9所示；半载时，机车功率为4 800 kW，仿真波形如图10所示。

4台机车满载接入，2个供电臂末端分别有1台机车情况下，左侧前供电臂末端电压和电流谐波畸变率如图11所示。可以看出，在牵引网上同时有4辆机车时，对牵引网电压的影响较大，因此需要通过滤波抑制谐波，以减小对牵引网的影响。

图9 满载时机车电压波形与电流谐波畸变率

图10 半载时D点电压波形与电流谐波畸变率

图11 4台机车满载情况左侧供电臂末端电压和电流谐波畸变率

5 谐波抑制措施建议

任何三相不平衡谐波电流均由谐波正序电流和负序电流组成，由于电力机车为非线性载体，同时是产生谐波的主要来源之一，需要采取相应措施抑制谐波。抑制牵引供电系统高次谐波可以从以下2个方面入手：

（1）电力机车上设置宽频动态补偿装置。

（2）包神铁路现有牵引变电所针对3、5、7次谐波能够有效滤除，对于高于17次谐波的滤波则无能为力。经以上仿真研究可以得出，神华号电力机车高次谐波主要在20～40次范围内，因此建议采用APF有源滤波器。由于有源滤波装置价格较高，可采用有源和无源滤波相结合的方式滤波。

无源滤波技术被广泛应用于各行各业，主要是通过LC组合的方式来抵消系统中线路参数变化而引起高电阻通道，形成低阻通道，破坏LC线路参数的振荡。但无源滤波技术只能消除特定的几次谐波，同时对谐波产生放大作用，可能会产生过补偿，从而进一步激化谐波，发生系统谐振，甚至铁磁谐振。因此，对于较为复杂的系统，无源滤波技术很难起到较好的滤除谐波效果。

有源滤波技术是通过检测系统的谐波分量，采用逆变装置对谐波电流进行补偿和平衡，即生成一种与检测到的谐波大小近似相等、极性相反的谐波进行叠加，以消除谐波分量，剩下基波分量，可大大降低系统参数过补偿的可能，提高精确化控制滤除谐波的能力和效果，并且能够滤除比较复杂的谐波，有效提高了牵引供电系统的供电质量。

包神铁路线路经过改造，整体线路参数可能出现不匹配现象，也是产生车网系统谐振过电流或高次谐波的主要原因之一。随着神经网络、小波算法、模糊算法的不断完善，抑制高次谐波的手段将会多样化，有利于解决供电质量下降的问题。

6 结语

分析了神华八轴电力机车结构特点，根据其主电路控制策略建立仿真模型，基于某牵引变电所实际参数，组合建立了车网系统联合仿真模型。通过仿真神华八轴电力机车满载和半载等工况下的谐波特性，在多车重载情况下，对牵引供电系统谐波影响进行了研究。仿真结果说明谐波含有率较高，需要采取一定滤波措施。应当说明，本文仿真的4台机车同时满载工况属于理论上负载最大情况，实际中需要根据实际行车组织确定最大负载工况。

参考文献：

[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]李群湛.牵引变电所供电分析及综合补偿技术[M].北京：中国铁道出版社，2006.

[3]李群湛.谐波影响分析与算法研究[J].铁道学报，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]葛兴来，冯晓云，刘柏思.PWM整流器谐波特性分析[J].电力电子技术，2009，43（4）：67-69.

[6]吴命利.电气化铁道牵引网的统一链式电路模型[J].中国电机工程学报，2010，30（28）：52-58.

[7]杨其林.牵引供电系统与高速列车牵引传动系统耦合振荡研究[D].北京交通大学硕士论文，2012.

[8]冯金博.高速铁路车网匹配研究[D].西南交通大学硕士学位论文，2011.

[9]郭蕾，李群湛，刘炜，等.额定功率下高速机车谐波特性的仿真分析[J].西南交通大学学报，2009，44（6）：835-840.

[10]张子林，徐文娟，杨光.单相PWM整流器瞬态直接电流控制的仿真研究[J].变频器世界，2011（12）：67-71.

[11]刘卫沾，盛彩飞，林杰.高速动车组网侧电流谐波特性的研究[J].电气传动，2010，40（1）：33-37.