包神铁路神华号电力机车谐波特性研究

DOI：10.19587/ki.l007-936x.2018.04.005
包神铁路神华号电力机车谐波特性研究
刘朝晖
摘要：神华号电力机车为神华集团主力运输车型之一，采用交直交型传动系统，功率大、功率因数高，但谐 波频谱更宽，其谐波特性与传统货运交直型电力机车有明显区别。

通过建立牵弓丨供电系统和神华号电力机车仿 真模型，对不同工况下神华号电力机车谐波特性进行分析，并得出结论，为谐波治理提供参考。

关键词：电力机车；谐波仿真；PWM;牵引供电系统
Abstract：Shenhua electric locomotives are one of the types of main transportation vehicles for Shenhua Group, the locomotives, equipped with AC DC AC driving system, are of high power, high power factor and wider harmonic spectrum, and the harmonic characteristics are quiet different to those of traditional AC DC electric locomotives for freight transportation. The simulation models of traction power supply system and Shenhua electric locomotive are established for analyzing of harmonic characteristics with Shenhua locomotives being under various working conditions, the conclusions are obtained and will be providing references for control of harmonics.
Key words：Electric locomotive; harmonic simulation; PWM; traction power supply system
中图分类号 :U223.5+2 文献标识码:B 文章编号：1007-936X(2018)04-0019-06
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
作者简介：刘朝晖.神华包神铁路集团有限责任公司，工程 师。

故较为常见，严重影响铁路的安全运输，因此研宄
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
19
魏器
牵引逆变器
异步交流舰
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髙、 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4=4+4,
W a b (〇 = M n (〇 - (^N^N sin cos wt )-
(1)
式中，^和&为调节器的参数，C /de为中间直流侧 电压给定值，/do为中间直流环节电流，1C 为比例放 大系数，历为网侧电压的角频率。

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。

25kV
时，会使电容器的温度升髙，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千扰，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
现虛幻接地即假接地,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 k V 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
⑴
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C /d c -U ;
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PLL
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M a b (/)(3)
"p w m "
波发
生器
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,
20
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 k V三相电力系统A B和B C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 k V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 k V等级电网。

在 Matlab/Simulink仿真模型中，采用 SimPowerSystems 的“3-PhaseSource”模块作为供电电源仿真模型，如图4所示。

二
C H
Three-Phase Sourcel
图4外部电源模型
4.2牵引变压器仿真模型
采用 SimPowerSystems中的 “Linear Transform er”模块搭建变压器_。

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。

<D
si
<D
T2
<D
R2
<D
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 k V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。

由于本文研宄重点在 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。

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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 湾牵引变电所为例，其车网系统仿真模型如图8所
将电源、牵引变压器、牵引网和电力机车仿真 示。

模型综合起来即可得到牵引供电系统模型。

以瓷窑
图8瓷窑湾牵引变电所与神华号机车系统仿真模型
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 22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。

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图9满载时机车电压波形与电流谐波崎变率
图10半载时D 点电压波形与电流谐波崎变率
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 力机车髙次谐波主要在20〜40次范围内，因此建 议采用A P F 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L C 组合的方式来抵消系统中线路参数变化而 引起髙电阻通道，形成低阻通道，破坏L C 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，有效提髙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髙 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，抑制髙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髙，
需要采取一定滤波措施。

应当说明，本文仿真的4
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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。

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收稿日期：2017-11-03
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其中，Pk为短路损耗，C/B为变压器二次侧额定线 电压。

综上所述，整个牵引供电系统低频网压波动现 象涉及车网阻抗匹配的调节过程，需从电力机车/动车组和牵引供电系统2个方面进行综合治理。

6结语
通过对牵引供电系统网压低频波动现象进行 现场测试和数据的深入研究，以及对系统阻抗等值 模型及系统稳定性判据（Middlebrook判据）进行 研宄，提出了整个牵引供电系统不发生网压低频波 动的必要条件，即通过减小整个牵引供电系统空载 时输出阻抗及增大电力机车/动车组输入阻抗可使 得系统稳定性更好；提出了从电力机车/动车组和 牵引供电系统2个方面综合抑制牵引供电系统低 频网压波动的解决方法，以避免低频网压异常波动 可能造成的系列问题，为铁路安全运营及牵引供电系统工程设计提供理论依据及数据参考。

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