交流電力機車諧波特性及治理初探

摘要：目前國內的電力機車主要有直流電力機車和交流電力機車，交流電力機車的網側諧波特性與直流電力機車有著明顯不同。2014年，蘭州鐵路局銀川供電段管轄范圍內交流電力機車HXD系列機車陸續(xù)上線運行，由于諧波特性的不同，既有牽引供電系統(tǒng)高頻諧振、直流屏充電模塊燒損等問題凸顯。文章對交流電力機車諧波特性及治理進行了探討。

關鍵詞：諧波特性；諧波治理；交流電力機車；直流電力機車；HXD系列機車 文獻標識碼：A

中圖分類號：U264 文章編號：1009-2374（2016）09-0072-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.09.034

1 諧波的概念

諧波是電氣量頻率為基波整數(shù)倍的正弦波分量。對于我國使用的50Hz電源來說基波為50Hz，三次諧波為150Hz，5次諧波為250Hz，以此類推。產生諧波的主要原因是正弦電壓加壓于非線性負載，基波電流發(fā)生畸變。主要非線性負載有整流裝置、逆變裝置、斬波裝置、變頻裝置、開關電源等。直流電力機車中的整流裝置，交流電力機車中的整流、逆變裝置，牽引變電所直流屏充電模塊均可產生諧波。

2 HXD型電力機車簡介

HXD系列電力機車是南車集團和北車集團與國外企業(yè)合作，引進消化技術并國產化的新一代交流電力機車，設計最高時速均為120km/h。HXD系列電力機車主電路由受電弓、主斷路器、變壓器、整流器、逆變器及輔助變流器等組成。受電弓完成從交流牽引網到機車的高速受流；主斷路器接通斷開25kV主回路，并具備機車過載、短路、接地等保護功能；變壓器完成高低電壓轉換、電氣隔離，同時還集成了變流器電感和二次諧波濾波電感；牽引整流器將變壓器次變電壓轉換為直流電壓提供給逆變器，同時保證次邊電流與電壓相位相同或相反；牽引逆變器完成對交流電機的驅動控制；輔助變流器提供通風機、壓縮機、各種泵、空調、加熱器、蓄電池充電機、冰箱、計算機等輔助設備電源。

HXD系列電力機車牽引整流器和牽引逆變器均采用四象限變流及PWM技術，所以牽引整流器和牽引逆變器也被稱為四象限變流器或PWM變流器。四象限變流器采用單相全橋電路，可實現(xiàn)能量的雙向流動并保證網側功率因數(shù)近似為1。設四象限變流器的開關頻率為f，采用單極性調制策略，則從變流器交流側輸入電流（牽引網電流）諧波特性分析來看可視等效開關頻率為2倍的f。機車容量較大，無法采用單個四象限變流器實現(xiàn)該容量的能量變換，通常采用基于機車變壓器的多重化策略，一方面實現(xiàn)容量拓展；另一方面實現(xiàn)諧波優(yōu)化。若機車采用n重四象限變流器，則等效開關頻率為2nf。

3 HXD型電力機車諧波特征

第一，等效開關頻率為2nf的機車變壓器原邊電流（牽引網電流）主要諧波邊帶集中在2nf±1、2nf±3等區(qū)段，低次諧波基本被抵消，從而實現(xiàn)諧波優(yōu)化。HXD型電力機車上線運行后，牽引網電流中的3、5、7次等低次諧波含量顯著減少，但諧波頻譜變寬，通常在1～10kHz范圍都存在可測諧波電流。

第二，HXD機車牽引電流諧波畸變率隨著負載增大而減少。當機車處于滿載時，電流諧波畸變率值較小，通常小于5%，但當機車處于輕載或空載時，電流諧波畸變率值達到最大，這時甚至超過100%，也就是說基波電流小于諧波電流。諧波畸變率是表征電壓或電流諧波含量的參數(shù)，其定義為各次諧波含量的方均根值與其基波分量的方均根值之比（用百分數(shù)表示）。

第三，HXD機車網側變流器的開關頻率越高，主要諧波次數(shù)越高，且諧波總量也越少，但變流器開關頻率還受器件損耗和散熱條件限制。HXD機車網側變流器重數(shù)越多，則等效開關頻率越高，低次諧波通過變壓器磁路相互抵消，主要諧波次數(shù)往高次上移，而諧波總量縮小。網側變流器交流側輸入電感越大，牽引電流主要諧波次數(shù)不變，但諧波總量變少，但輸入電感還受變流器容量和制造工藝和體積限制。

4 牽引網諧波傳遞特性

任何含有電感、電容元件的系統(tǒng)網絡都存在諧振點，從機車往牽引變電所看，牽引網可以視為一個包含電感和電容元件的復雜無源網絡，任何牽引網均存在多個串聯(lián)諧振點和多個并聯(lián)諧振點，但存在諧振點并不一定發(fā)生諧振，是否引發(fā)諧振取決于諧波源向該網絡中注入的諧波頻率是否恰好滿足該網絡發(fā)生諧振所需的條件。當諧波源注入系統(tǒng)的諧波頻率等于網絡諧振頻率或兩者接近時，便會激勵該網絡產生諧波諧振。直流機車產生的諧波多為3、5、7次諧波，而牽引網諧振頻率通常高于500Hz，因此直流機車運用多年并未發(fā)生高頻諧振現(xiàn)象。

各臺機車牽引電流諧波的相位差與交流機車彼此之間的距離、牽引網分布參數(shù)、交流機車牽引電流的大小相關是一個不斷變化的時變系統(tǒng)。同一供電臂下各臺機車的牽引電流高次諧波，隨著機車之間相位差變化，可能產生相互線性疊加、矢量疊加以及抵消等關系。當多臺交流機車彼此之間距離很短且均工作于小電流工況時，可以認為各臺機車牽引網電壓相同，牽引電流諧波的相位差為零，各臺機車牽引網電流的諧波將只會相互線性疊加，而不會出現(xiàn)抵消，所以在交流機車集中使用區(qū)段特別是小電流使用區(qū)段，高次諧波影響凸顯。尤其是較大的戰(zhàn)場，如平涼南因諧振經常造成變電所饋線跳閘。諧波影響還與系統(tǒng)容量有著密切關系，比如同樣是較大戰(zhàn)場的迎水橋，卻受交流機車諧波影響較少，原因在于迎水橋牽引變電所所在系統(tǒng)容量大，抗諧波干擾能力強。

5 牽引網諧波危害

第一，牽引網自身存在一定的諧振點，當交流機車產生的諧波頻率與牽引網諧振頻率相等或接近且幅值足夠大或者說阻尼電阻足夠小，該頻率的電壓被放大，超過設備所容許的電壓范圍，擊穿設備絕緣或放電間隙引起跳閘。2014年銀川供電段管內變電所因機車設備絕緣擊穿或放電間隙燒傷原因造成的跳閘共計107件，多數(shù)跳閘發(fā)生在供電臂末端和較大戰(zhàn)場所在處。

第二，當同一供電臂下存在多臺輕載交流機車同時工作時，牽引網電壓當中可能出現(xiàn)低頻振蕩現(xiàn)象，導致交流機車牽引力急劇下降，牽引負荷急劇增加，造成饋線過負荷跳閘。據(jù)不完全統(tǒng)計，2014年銀川供電段管內變電所因饋線過負荷造成的跳閘共計23件。

第三，高頻諧振燒毀牽引變電所直流屏充電模塊，燒毀接觸網避雷器。僅2014年銀川供電段管內變電所牽引變電所直流屏充電模塊共計燒損15塊，對安全供電產生了極大威脅。

6 牽引網諧波治理初探

第一，交流機車網側變流器設計時，等效開關頻率不宜超過5000Hz（100次），如果牽引電流主要諧波頻段在100次以上，可能導致輻射干擾現(xiàn)象，加大諧波處理難度，另外，開關頻率提高還使得整車損耗增大，效率降低。

第二，通過修改交流機車控制軟件，在車載變壓器原邊串接電抗器或并接RC支路，合理調度交流機車適當分散使用等措施減少交流機車注入牽引網的諧波量。

第三，分線路應對優(yōu)化牽引網對諧波的抑制。對于純直流機車運營線路采用靜止型無功補償裝置SVC加濾波電容FC補償方案達到提升功率因數(shù)需求；對交直流機車混用線路采用靜止型無功發(fā)生裝置SVG（或有源電力濾波器APF）加高通濾波器HPF補償方案既對無功進行補償又可以有效治理高次諧波。對于純交流機車運營線路采用有源電力濾波器APF）加高通濾波器HPF治理方案可滿足小容量無功補償和諧波治理的需求。

7 結語

優(yōu)點眾多的交流電力機車的投運是對鐵路運輸能力的一次提升，但同樣也是對牽引供電設備的一次考驗，需要供電系統(tǒng)密切關注，注意加強數(shù)據(jù)監(jiān)控和分析，并積極主動尋求與機務等系統(tǒng)溝通和聯(lián)系，借鑒其他兄弟單位的經驗。只有這樣才能與時俱進，提高設備質量，才能確保安全、優(yōu)質供電。

參考文獻

[1] 王兆安，黃俊.電力電子技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[2] 趙四洪.基于電力機車不同工況的負荷諧波分析及仿真[M].成都：西南交通大學，2003.

[3] 李偉，張黎.交-直-交傳動系統(tǒng)網側變流器預測電流控制方法的計算機仿真及實現(xiàn)[J].中國鐵道科學，2002，（6）.

[4] 張志學.單相電壓源PWM變流器的諧波分析[J].變流技術與電力牽引，2006，（5）.

作者簡介：孫中波（1983-），男，甘肅蘭州人，蘭州鐵路局銀川供電段助理工程師，研究方向：鐵道供電。

（責任編輯：王 波）