基于電力機(jī)車(chē)不同工況的負(fù)荷諧波分析與仿真研究

摘 要 隨著近幾年來(lái)鐵路交通的不斷發(fā)展和進(jìn)步，電力機(jī)車(chē)扮演了一個(gè)極為重要的角色。電力機(jī)車(chē)主要是從電網(wǎng)中摘取能源獲得動(dòng)力的機(jī)車(chē)，其主要牽引力就來(lái)自于供電系統(tǒng)的接觸網(wǎng)或第三軌。正是由于這一電力輸送對(duì)電網(wǎng)中產(chǎn)生了一定的高次諧波，使得供電網(wǎng)的供電頻率受到影響，嚴(yán)重影響了供電網(wǎng)的供電質(zhì)量。文章從電力機(jī)車(chē)在電網(wǎng)中產(chǎn)生的負(fù)荷諧波進(jìn)行理論分析，并使用MATLAB來(lái)對(duì)電力機(jī)車(chē)在不同的工作情況下的負(fù)荷所產(chǎn)生的諧波進(jìn)行仿真研究，對(duì)不同工礦下的仿真研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

關(guān)鍵詞 電力機(jī)車(chē)；牽引負(fù)荷；諧波分析；仿真分析

中圖分類號(hào)：U264 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）09-0050-02

1 電力機(jī)車(chē)諧波產(chǎn)生的機(jī)理分析

經(jīng)多年的相關(guān)研究分析證明，供電網(wǎng)絡(luò)和電力機(jī)車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)之間的電力輸送傳遞的過(guò)程中所產(chǎn)生的諧波主要是來(lái)自于電力機(jī)車(chē)的負(fù)荷，這些負(fù)荷主要是指機(jī)車(chē)中像整流器、變壓器、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、繼電保護(hù)裝置等非線性元件[1]。這些非線性元件在進(jìn)行工作的過(guò)程中由于其自身的阻抗而產(chǎn)生了諧波電流源，各個(gè)非線性元件所產(chǎn)生的諧波電流源相互疊加形成諧波潮流，并以諧波電信號(hào)的形式反饋給供電網(wǎng)絡(luò)，而并非原本的供電網(wǎng)絡(luò)中所存在的[3]。故而，在對(duì)電力機(jī)車(chē)的諧波分析時(shí)都直接忽略掉牽引變電所的變壓器的二次側(cè)電壓所產(chǎn)生的諧波，認(rèn)為為機(jī)車(chē)提供動(dòng)力的電壓是正弦電壓信號(hào)。根據(jù)能量守恒定律進(jìn)行分析，能量不能夠憑空產(chǎn)生也不能夠憑空消失[2]。當(dāng)電力機(jī)車(chē)從電網(wǎng)中獲取能量的過(guò)程中，存在著能量損耗，而這部分的能量就由于非線性負(fù)荷的原因而被轉(zhuǎn)化為了諧波功率反饋到原本的供電網(wǎng)絡(luò)中，影響了原本的供電網(wǎng)絡(luò)的頻率和功率情況，造成了供電網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)影響原本供電網(wǎng)絡(luò)的平穩(wěn)性。

2 在交—直電力機(jī)車(chē)不同工況下的負(fù)荷諧波仿真

筆者在對(duì)交—直電力機(jī)車(chē)的不同工況的負(fù)荷諧波進(jìn)行仿真分析時(shí)主要選擇了電力機(jī)車(chē)的惰性狀態(tài)、機(jī)車(chē)啟動(dòng)、機(jī)車(chē)加速以及機(jī)車(chē)減速和制動(dòng)這幾個(gè)相對(duì)具有代表性的工況。對(duì)于交—直電力機(jī)車(chē)的電路仿真模型如圖1中所示。

圖1 交—直電力機(jī)車(chē)電路仿真模型

1）惰性狀態(tài)。機(jī)車(chē)的惰性狀態(tài)主要是指當(dāng)電力機(jī)車(chē)從開(kāi)始運(yùn)行到駛?cè)胂缕萝壍篮瓦M(jìn)入機(jī)車(chē)站的時(shí)候，此時(shí)機(jī)車(chē)的級(jí)為手柄指示在“0”的狀態(tài)且此時(shí)的各個(gè)輔助的機(jī)械均處于停電斷電的狀態(tài)，機(jī)車(chē)從電網(wǎng)中或獲取電流非常小。在此時(shí)對(duì)機(jī)車(chē)進(jìn)行仿真分析，機(jī)車(chē)的獲取的電流主要用于變壓器以及控制電路和其他非線性元件[5]。在使用MATLAB進(jìn)行仿真的時(shí)候，饋線電暈未進(jìn)行考慮，故而在進(jìn)行仿真的時(shí)候幾乎沒(méi)有諧波，整個(gè)惰性的工況的電流、電壓仿真結(jié)果呈現(xiàn)為正弦波形，電流滯后電壓90°，整個(gè)變電所的負(fù)荷表現(xiàn)為純感性負(fù)荷。

2）機(jī)車(chē)啟動(dòng)。當(dāng)機(jī)車(chē)開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)，操作臺(tái)上的操作手柄置于一級(jí)位處。當(dāng)機(jī)車(chē)在啟動(dòng)的時(shí)候，就緩慢提升手柄，將牽引力逐漸增大，但是此時(shí)的牽引力相對(duì)于機(jī)車(chē)運(yùn)行時(shí)的牽引力仍然顯得噸位較小，整流橋裝置中只有一部分處于開(kāi)放狀態(tài)，產(chǎn)生的饋線電流諧波較少。操作臺(tái)手柄須首先置牽引一級(jí)位，然而隨著速度的不斷提升，牽引噸位也增大到一定的范圍時(shí)，整流橋的其他部分才會(huì)開(kāi)放以此來(lái)保證能夠獲得較大的起動(dòng)加速的電流[3]。隨著牽引噸位的增加，使得晶閘管觸發(fā)，此時(shí)便會(huì)產(chǎn)生電流諧波，且諧波時(shí)突然增加的，在本次仿真時(shí)，機(jī)車(chē)的諧波在晶閘管觸發(fā)時(shí)刻開(kāi)始，突然從零增至83%，但是諧波的增加和電流之間無(wú)線型關(guān)系。

3）機(jī)車(chē)加減速和制動(dòng)工況。電力機(jī)車(chē)的加速過(guò)程其實(shí)就是機(jī)車(chē)的晶閘管的導(dǎo)通角度不斷增大的過(guò)程，隨著導(dǎo)通角的不斷增加。在對(duì)其進(jìn)行建模仿真的結(jié)果顯示隨著導(dǎo)通角的增加，產(chǎn)生的諧波就越來(lái)越多，直到導(dǎo)通角全開(kāi)的時(shí)候，各次諧波就逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。而在機(jī)車(chē)進(jìn)行減速的時(shí)候，就是機(jī)車(chē)加速的逆過(guò)程，此時(shí)導(dǎo)通角越來(lái)越小，機(jī)車(chē)電路中通入的電流也在不斷的減小，此時(shí)諧波的發(fā)生率就在逐漸的減少，直至最后，諧波的發(fā)生率就會(huì)將至為零。

3 在交—直—交電力機(jī)車(chē)的不同工況下負(fù)荷諧波仿真

在對(duì)交—直—交電力機(jī)車(chē)的不同工況情況下的負(fù)荷諧波的計(jì)算機(jī)仿真中，主要是使用對(duì)整流器、逆變器以及阻力的大小控制來(lái)對(duì)機(jī)車(chē)的工況進(jìn)行模擬和仿真。其中交—直—交電力機(jī)車(chē)在最初進(jìn)行電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)為了更為有效的改善功率因數(shù)，盡可能的減少負(fù)荷諧波的產(chǎn)生，選擇采用四象限脈沖整流器。該整流器能夠確保在電流處于任何象限角度的時(shí)候，都能夠有效傳遞牽引工況，有效的控制負(fù)荷諧波在電流中的反饋情況，減少負(fù)荷諧波的產(chǎn)生。此時(shí)電路的矢量方程如下：

此時(shí)對(duì)整個(gè)電路系統(tǒng)的牽引負(fù)荷工況進(jìn)行仿真，只需要產(chǎn)生PWM脈沖和運(yùn)行阻力即可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電路系統(tǒng)的不同工況進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。圖2為模擬電路。

1）在交—直—交電力機(jī)車(chē)在牽引工況下的仿真。機(jī)車(chē)在進(jìn)入了牽引工況下之后，供給整個(gè)機(jī)車(chē)運(yùn)動(dòng)的電能必須要經(jīng)過(guò)整流器轉(zhuǎn)化為直流的電能隨后該電能又必須要經(jīng)過(guò)逆化器將其轉(zhuǎn)

圖2 交—直—交電力機(jī)車(chē)的模擬電路圖

化為三相交流電能。整個(gè)供電過(guò)程中電能經(jīng)過(guò)了兩次能量轉(zhuǎn)化。在轉(zhuǎn)化中經(jīng)過(guò)整流器輸出的是直流，故而此時(shí)整流器能夠?qū)⒛孀兤魉a(chǎn)生的高次諧波進(jìn)行削弱，從而對(duì)模擬電路進(jìn)行仿真分析時(shí)。在這一工況下，反饋電流較大，此時(shí)的功率因數(shù)角大概是50度，使得變電所的負(fù)荷過(guò)重。在使用MATLAB進(jìn)行仿真的結(jié)果顯示高次諧波在檢測(cè)波中含量高達(dá)10%，而低次諧波含量明顯減少，并且由于高次諧波的原因使得電路中電流的頻率過(guò)大，線路導(dǎo)致的感抗過(guò)大，從而導(dǎo)致?tīng)恳冸娝淖冸娖鞯乃p性過(guò)大。

2）交—直—交電力機(jī)車(chē)的再生工況以及停車(chē)啟動(dòng)。在對(duì)交一直一交電力機(jī)車(chē)的再生工況和停車(chē)啟動(dòng)進(jìn)行模擬仿真的時(shí)候，由于這一工況的時(shí)候變流器部分不工作，故而這一工況的高次諧波的含量和交—直機(jī)車(chē)的含量幾乎相同，在制動(dòng)的時(shí)候通常都會(huì)選擇再生制動(dòng)。但是在使用再生制動(dòng)的時(shí)候，由于電流小，低次諧波的含量相對(duì)較高，仿真結(jié)果是53%，而高次諧波也是非常的豐富，遠(yuǎn)高于在牽引工況下的百分之十幾。以下是交—直—交型電力機(jī)車(chē)的在再生工況時(shí)的電網(wǎng)特性試驗(yàn)表。endprint

序號(hào) 機(jī)車(chē)速度km/h 反饋電流（A） 基波電流（A） 電流THD 功率因素λ

1 35.26 20.56 12.34 0.564 0.893

2 47.89 18.72 15.98 0.496 0.935

3 30.21 14.35 13.27 0.793 0.802

4 23.02 10.48 10.23 0.531 0.754

4 兩種電力機(jī)車(chē)的不同工況下的諧波仿真情況的對(duì)比分析

在電力機(jī)車(chē)的運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的高次諧波，分析其諧波的產(chǎn)生原因主要是由于在電力系統(tǒng)中存在著非正弦電壓或者非線性負(fù)載而導(dǎo)致的。但是兩種機(jī)車(chē)的電路系統(tǒng)的整流裝置存在著巨大的差異，而整流裝置的反饋電流是非常大的，故而兩種機(jī)車(chē)在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的諧波含量也會(huì)存在著一定的差異。

1）相同點(diǎn)。在機(jī)車(chē)處于惰性或者停車(chē)工況的時(shí)候，整流器就處于不工作的狀態(tài)，此時(shí)兩種機(jī)車(chē)的主要負(fù)荷基本相同，故而此時(shí)對(duì)兩種機(jī)車(chē)的工況進(jìn)行仿真的時(shí)候，反饋電流就會(huì)由于各種非線性元件的放電畸變非常嚴(yán)重，從而使得各次諧波的含量都大概保持在20%左右。

2）不同點(diǎn)。兩種機(jī)車(chē)在電路結(jié)構(gòu)中存在的最大的不同點(diǎn)是整流器不同，其中交—直機(jī)車(chē)主要是通過(guò)晶閘管進(jìn)行電相管理，而交—直—交機(jī)車(chē)則使用的是四象限脈沖整流裝置。交—直機(jī)車(chē)在啟動(dòng)的時(shí)候，晶閘管的控制角在緩慢增大，高次諧波的含量也在逐漸增加；當(dāng)機(jī)車(chē)處于加速的時(shí)候，由于此時(shí)的晶閘管沒(méi)有變化，故而高次諧波的含量無(wú)變化，而制定的時(shí)候則基本沒(méi)有諧波。而交—直—交機(jī)車(chē)，在牽引運(yùn)行的時(shí)候，低次諧波含量較低，而高次諧波的含量非常的豐富，其中反饋電流的THD值高達(dá)30%，但是在低速的時(shí)候，反饋電流卻很小，就會(huì)發(fā)生非常嚴(yán)重的諧波畸變，功率因素也會(huì)變得相對(duì)較低。

5 總結(jié)

目前，我國(guó)對(duì)于電力機(jī)車(chē)運(yùn)行中產(chǎn)生的諧波的分析和仿真都有著一定的研究。其中，西南交通大學(xué)多年來(lái)對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波進(jìn)行了多次的分析，在機(jī)車(chē)中的影響等都進(jìn)行了一定的分析研究，北京交通大學(xué)的劉玉潔等人便針對(duì)CRH2型動(dòng)車(chē)的諧波電流進(jìn)行了分析與仿真。而其中相對(duì)而言，大連理工大學(xué)、西南交通大學(xué)等重點(diǎn)院校中關(guān)于機(jī)車(chē)的諧波分析研究最為深入、全面。但是仍然還是有著一定的可以進(jìn)行分析研究的前景，尤其是在現(xiàn)階段大力發(fā)展交—直—交機(jī)車(chē)的時(shí)候，更是需要將該類型的機(jī)車(chē)的諧波分析加以深入的研究。

參考文獻(xiàn)

[1]武中，王志剛，宋述勇，等.電氣化鐵道牽引變電所對(duì)電力系統(tǒng)影響及治理的仿真研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011（S1）.

[2]何正友，胡海濤，方雷，等.高速鐵路牽引供電系統(tǒng)諧波及其傳輸特性研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011（16）.

[3]殷雄，羅隆福.電氣化鐵道電能質(zhì)量?jī)?yōu)化控制仿真分析[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2011（04）.

[4]解紹鋒.電氣化鐵道諧波過(guò)程分析與推薦限值制定思路研究[D] 西南交通大學(xué)，2004.

[5]張麗艷.新建電氣化鐵路對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量影響的預(yù)測(cè)與對(duì)策分析研究[D].西南交通大學(xué)，2012.

作者簡(jiǎn)介

李大鵬（1988-），男，漢族，河北唐山人，碩士生，華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，交通信息工程及控制專業(yè)。endprint

序號(hào) 機(jī)車(chē)速度km/h 反饋電流（A） 基波電流（A） 電流THD 功率因素λ

1 35.26 20.56 12.34 0.564 0.893

2 47.89 18.72 15.98 0.496 0.935

3 30.21 14.35 13.27 0.793 0.802

4 23.02 10.48 10.23 0.531 0.754

4 兩種電力機(jī)車(chē)的不同工況下的諧波仿真情況的對(duì)比分析

在電力機(jī)車(chē)的運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的高次諧波，分析其諧波的產(chǎn)生原因主要是由于在電力系統(tǒng)中存在著非正弦電壓或者非線性負(fù)載而導(dǎo)致的。但是兩種機(jī)車(chē)的電路系統(tǒng)的整流裝置存在著巨大的差異，而整流裝置的反饋電流是非常大的，故而兩種機(jī)車(chē)在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的諧波含量也會(huì)存在著一定的差異。

1）相同點(diǎn)。在機(jī)車(chē)處于惰性或者停車(chē)工況的時(shí)候，整流器就處于不工作的狀態(tài)，此時(shí)兩種機(jī)車(chē)的主要負(fù)荷基本相同，故而此時(shí)對(duì)兩種機(jī)車(chē)的工況進(jìn)行仿真的時(shí)候，反饋電流就會(huì)由于各種非線性元件的放電畸變非常嚴(yán)重，從而使得各次諧波的含量都大概保持在20%左右。

2）不同點(diǎn)。兩種機(jī)車(chē)在電路結(jié)構(gòu)中存在的最大的不同點(diǎn)是整流器不同，其中交—直機(jī)車(chē)主要是通過(guò)晶閘管進(jìn)行電相管理，而交—直—交機(jī)車(chē)則使用的是四象限脈沖整流裝置。交—直機(jī)車(chē)在啟動(dòng)的時(shí)候，晶閘管的控制角在緩慢增大，高次諧波的含量也在逐漸增加；當(dāng)機(jī)車(chē)處于加速的時(shí)候，由于此時(shí)的晶閘管沒(méi)有變化，故而高次諧波的含量無(wú)變化，而制定的時(shí)候則基本沒(méi)有諧波。而交—直—交機(jī)車(chē)，在牽引運(yùn)行的時(shí)候，低次諧波含量較低，而高次諧波的含量非常的豐富，其中反饋電流的THD值高達(dá)30%，但是在低速的時(shí)候，反饋電流卻很小，就會(huì)發(fā)生非常嚴(yán)重的諧波畸變，功率因素也會(huì)變得相對(duì)較低。

5 總結(jié)

目前，我國(guó)對(duì)于電力機(jī)車(chē)運(yùn)行中產(chǎn)生的諧波的分析和仿真都有著一定的研究。其中，西南交通大學(xué)多年來(lái)對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波進(jìn)行了多次的分析，在機(jī)車(chē)中的影響等都進(jìn)行了一定的分析研究，北京交通大學(xué)的劉玉潔等人便針對(duì)CRH2型動(dòng)車(chē)的諧波電流進(jìn)行了分析與仿真。而其中相對(duì)而言，大連理工大學(xué)、西南交通大學(xué)等重點(diǎn)院校中關(guān)于機(jī)車(chē)的諧波分析研究最為深入、全面。但是仍然還是有著一定的可以進(jìn)行分析研究的前景，尤其是在現(xiàn)階段大力發(fā)展交—直—交機(jī)車(chē)的時(shí)候，更是需要將該類型的機(jī)車(chē)的諧波分析加以深入的研究。

參考文獻(xiàn)

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[2]何正友，胡海濤，方雷，等.高速鐵路牽引供電系統(tǒng)諧波及其傳輸特性研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011（16）.

[3]殷雄，羅隆福.電氣化鐵道電能質(zhì)量?jī)?yōu)化控制仿真分析[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2011（04）.

[4]解紹鋒.電氣化鐵道諧波過(guò)程分析與推薦限值制定思路研究[D] 西南交通大學(xué)，2004.

[5]張麗艷.新建電氣化鐵路對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量影響的預(yù)測(cè)與對(duì)策分析研究[D].西南交通大學(xué)，2012.

作者簡(jiǎn)介

李大鵬（1988-），男，漢族，河北唐山人，碩士生，華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，交通信息工程及控制專業(yè)。endprint

序號(hào) 機(jī)車(chē)速度km/h 反饋電流（A） 基波電流（A） 電流THD 功率因素λ

1 35.26 20.56 12.34 0.564 0.893

2 47.89 18.72 15.98 0.496 0.935

3 30.21 14.35 13.27 0.793 0.802

4 23.02 10.48 10.23 0.531 0.754

4 兩種電力機(jī)車(chē)的不同工況下的諧波仿真情況的對(duì)比分析

在電力機(jī)車(chē)的運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的高次諧波，分析其諧波的產(chǎn)生原因主要是由于在電力系統(tǒng)中存在著非正弦電壓或者非線性負(fù)載而導(dǎo)致的。但是兩種機(jī)車(chē)的電路系統(tǒng)的整流裝置存在著巨大的差異，而整流裝置的反饋電流是非常大的，故而兩種機(jī)車(chē)在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的諧波含量也會(huì)存在著一定的差異。

1）相同點(diǎn)。在機(jī)車(chē)處于惰性或者停車(chē)工況的時(shí)候，整流器就處于不工作的狀態(tài)，此時(shí)兩種機(jī)車(chē)的主要負(fù)荷基本相同，故而此時(shí)對(duì)兩種機(jī)車(chē)的工況進(jìn)行仿真的時(shí)候，反饋電流就會(huì)由于各種非線性元件的放電畸變非常嚴(yán)重，從而使得各次諧波的含量都大概保持在20%左右。

2）不同點(diǎn)。兩種機(jī)車(chē)在電路結(jié)構(gòu)中存在的最大的不同點(diǎn)是整流器不同，其中交—直機(jī)車(chē)主要是通過(guò)晶閘管進(jìn)行電相管理，而交—直—交機(jī)車(chē)則使用的是四象限脈沖整流裝置。交—直機(jī)車(chē)在啟動(dòng)的時(shí)候，晶閘管的控制角在緩慢增大，高次諧波的含量也在逐漸增加；當(dāng)機(jī)車(chē)處于加速的時(shí)候，由于此時(shí)的晶閘管沒(méi)有變化，故而高次諧波的含量無(wú)變化，而制定的時(shí)候則基本沒(méi)有諧波。而交—直—交機(jī)車(chē)，在牽引運(yùn)行的時(shí)候，低次諧波含量較低，而高次諧波的含量非常的豐富，其中反饋電流的THD值高達(dá)30%，但是在低速的時(shí)候，反饋電流卻很小，就會(huì)發(fā)生非常嚴(yán)重的諧波畸變，功率因素也會(huì)變得相對(duì)較低。

5 總結(jié)

目前，我國(guó)對(duì)于電力機(jī)車(chē)運(yùn)行中產(chǎn)生的諧波的分析和仿真都有著一定的研究。其中，西南交通大學(xué)多年來(lái)對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波進(jìn)行了多次的分析，在機(jī)車(chē)中的影響等都進(jìn)行了一定的分析研究，北京交通大學(xué)的劉玉潔等人便針對(duì)CRH2型動(dòng)車(chē)的諧波電流進(jìn)行了分析與仿真。而其中相對(duì)而言，大連理工大學(xué)、西南交通大學(xué)等重點(diǎn)院校中關(guān)于機(jī)車(chē)的諧波分析研究最為深入、全面。但是仍然還是有著一定的可以進(jìn)行分析研究的前景，尤其是在現(xiàn)階段大力發(fā)展交—直—交機(jī)車(chē)的時(shí)候，更是需要將該類型的機(jī)車(chē)的諧波分析加以深入的研究。

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作者簡(jiǎn)介

李大鵬（1988-），男，漢族，河北唐山人，碩士生，華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，交通信息工程及控制專業(yè)。endprint