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(shè)計(jì)院集團(tuán)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(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

介紹了交-直型電力機(jī)車牽引主電路整流器原理和交-直-交型電力機(jī)車三電平PWM整流原理。運(yùn)用Matlab/Simulink仿真軟件建立了交-直型和交-直-交型電力機(jī)車諧波仿真模型，分別對其諧波進(jìn)行了仿真分析，總結(jié)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(jié)果對電氣化鐵路諧波分析與抑制具有實(shí)際工程應(yīng)用參考價(jià)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(guān)注。這些諧波如果不能及時(shí)得到治理，注入到電力系統(tǒng)中后，將會(huì)對電網(wǎng)造成危害，危及電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-2]。

針對目前電氣化鐵路線主要運(yùn)行的交-直型電力機(jī)車與交-直-交型電力機(jī)車，分別建立了其諧波仿真模型，對其網(wǎng)側(cè)諧波進(jìn)行仿真分析、總結(jié)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(jié)果對電氣化鐵路諧波分析與抑制具有實(shí)際工程應(yīng)用參考意義。

2 交-直型電力機(jī)車諧波仿真

2.1 交-直型機(jī)車牽引主電路原理

選取了SS9交-直型電力機(jī)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(yīng)的整流器構(gòu)成了三段橋不等分整流橋電路。

SS9型電力機(jī)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(jī)車諧波仿真

仿真過程中，主要考慮電機(jī)的反電動(dòng)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(jī)車運(yùn)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(jī)車牽引主電路

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

圖2 SS9型電力機(jī)車第三段橋仿真結(jié)構(gòu)圖

其網(wǎng)側(cè)的電流波形及其諧波FFT分析如圖3所示。此時(shí)其網(wǎng)側(cè)電流的主要各次諧波電流含量如表1所示。由仿真結(jié)果可以看出，在SS9交-直型電力機(jī)車網(wǎng)側(cè)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(jī)車第三段橋網(wǎng)側(cè)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(jī)車諧波仿真

3.1 交-直-交型機(jī)車牽引主電路原理

現(xiàn)有的CRH系列動(dòng)車組、HXD電力機(jī)車均采用了交-直-交傳動(dòng)系統(tǒng)[2]，單相PWM整流器是交流傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分[4]。選取CRH2動(dòng)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(dòng)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(dòng)動(dòng)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(dá)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(cè)電壓角頻率；uab(t)—調(diào)制信號。

3.2 交-直-交型電力機(jī)車諧波仿真

圖6 CRH2動(dòng)車組整流器仿真模型

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

圖7 CRH2網(wǎng)側(cè)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(dòng)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(jié)果可以看出，交-直-交型電力機(jī)車諧波含量比交-直型電力機(jī)車諧波含量有了明顯的減少，但交-直-交型電力機(jī)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(jī)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(shè)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(hù)性能等。受端治理是通過各種方法改善用電設(shè)備性能，從而減小諧波的產(chǎn)生，這種方式具有投機(jī)性。方法二為主動(dòng)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(shù)等。雖然主動(dòng)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(fù)雜，單獨(dú)依靠主動(dòng)治理不可能完全消除諧波。方法三為被動(dòng)治理：被動(dòng)治理是通過外加設(shè)備從而達(dá)到諧波抑制的目的，可以選擇加設(shè)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(bǔ)償裝置聯(lián)合運(yùn)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(jī)車，更換既有的交-直型電力機(jī)車。從仿真結(jié)果可以看出，由于交-直-交型電力機(jī)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(jī)車諧波含量有了明顯的減少。

(2)增設(shè)濾波裝置，對于電力機(jī)車通常設(shè)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(shè)計(jì)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(bǔ)償裝置，接于主變壓器的牽引繞組上。補(bǔ)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(bǔ)償感性負(fù)載消耗的滯后無功功率，使功率因數(shù)得到了提高。

(4)嚴(yán)格執(zhí)行諧波國家標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)對諧波源的監(jiān)測分析?？稍谧冸娝鶅?nèi)設(shè)置電能質(zhì)量監(jiān)測分析裝置，及時(shí)關(guān)注牽引變電所內(nèi)電能質(zhì)量的各項(xiàng)指標(biāo)。

5 結(jié)論

通過選取SS9交-直型電力機(jī)車和CRH2動(dòng)車組交-直-交型電力機(jī)車，運(yùn)用Matlab/Simulink仿真軟件分別建立其仿真模型，并對網(wǎng)側(cè)諧波進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，在交-直型電力機(jī)車網(wǎng)側(cè)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(jī)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(jī)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(jī)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(rèn)識與抑制具有實(shí)際工程應(yīng)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(xué)出版社，2007.

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

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

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

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

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

[7] 劉玉潔，林飛，游小杰，等.CRH2型動(dòng)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(dòng)電力機(jī)車網(wǎng)側(cè)電流諧波特性及其抑制方法[J].電氣技術(shù)，2012，5：45-48.

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

[10] 李建峰.電力機(jī)車無功補(bǔ)償與諧波抑制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].電子科技大學(xué)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(shù)，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(shè)計(jì)工作。