摘要：近来，随着我国科技技术的发展，交直交型电力机车也逐渐得到了铁路运输的使用，这种电力机车具有着网侧谐波的含量低以及功率因数比较高的优点，但是这种电力机车子在使用中也存在一定的缺陷，导致其出现了诸多谐振事故，下面，本文就针对交直交型电力机车网侧变流器谐波电流仿真进行分析，来了解机车功率与接触网的电压变化中谐波电流的变化规律，希望对其这种电力机车的发展提供帮助。
关键词：交直交型；电力机车；网侧变流器；谐波电流；仿真分析
前言：交直交型电力机车是铁路运输中使用比较广泛的机车类型，其网侧的变流器一般有三电平与两电平的结构类型，且网侧所输入谐波的电流内低次的谐波电流具有比较低的含量，但是因为其开关的频率比较高，也导致其出现高频的谐波电流相关分量，进而导致谐波谐振事件的发生，为了避免谐振事件的发生，就需要对交直交型电力机车网侧变流器谐波电流进行仿真分析，掌握了对网侧输入的谐波电流影响的因素，这也是本文主要研究的内容。
1.交直交型电力机车网侧变流器控制策略
在现阶段发展中，交直交型电力机车网侧变流器的交流传动相关系统，主要使用控制的策略是瞬态直接的电流控制方式，这种瞬态直接的电流控制方式的原理是通过电压外环以及电流内环的双闭环进行控制的，其电压的外环控制主要是通过PI控制器进行实现的，把直流侧的输出电压 和所给定出直流侧的电压 进行相减，来当做PI控制器输入的信号，从而对输出的电压是实现有效的跟踪控制和管理。电流的内环控制主要是通过网侧输入的电流 来对其给定的电流 实现有效的跟踪控制和管理，保证网侧的变流器其输入端的电压和电流具有相同的相位，也就是功率的因数是1。这总控制的策略结构十分简单，直流侧的电压波动也比较小，并且电压和电流还具有良好的跟踪性能，动态的响应也比较快，因此得到了广泛的应用[1]。
2.交直交型电力机车网侧变流器谐波电流产生的机理
2.1网侧变流器低次谐波分析
网侧的变流器其直流侧的输出电压公式表示：
电流进行给定电流的跟踪，则网侧的变流器的网侧实际电流内一定含有3次的谐波分量，在3次的谐波分量通过电流的内环后，其变流器的实际网侧电流内则一定含5次的谐波分量，根据这种规律，网侧的电流最终3、5、7、9、11 等一些奇次的谐波具有较大的含量[2]。
2.2网侧变流器高次谐波分析
借助傅里叶的变换方法能够获得网侧的变流器其交流端的电压，还能够获得两电平的四象限中脉冲的整流器具有交流端的电压，由于考虑网侧的变流器其输入端的功率因数是近于1的，则其输入的电流具有基波的分量和输入的电压是相同的相位，进而计算获得三电平其网侧的变流器具有的输入电流，同样的方法可以获得两电平的网侧其变流器的输入电流，将其进行对比分析，发现谐波分布于载波频率偶数倍的附近，其次数和载波以及基波的频率有着很大的关系，则交直交型电力机车的网侧变流器所输入的电流内，低次的谐波3、5、7、9、11 等一些奇次谐波具有较大的含量，而高次谐波主要集中于开关频率的偶数倍周围附近，其谐波的电流大小主要受到机车的功率以及接触网的电压因素影响。
3.仿真分析
本文主要根据电力机车网侧的变流器原理和控制的策略，在PSCAD平台基础上进行CRH2与HXD2型的电力机车相关变流器仿真模型的建立，进而对电力机车于额定状态、功率的变化以及接触网的电压变化中具有谐波电流的特性实施分析。
3.1机车额定功率时的谐波电流仿真
在仿真的参数中，其变压器的二次侧具有电压的有效值为 =1500 V，其CRH2电力机车变压器的二次侧具有的漏电阻是R=0.2Ω，其漏感是L=4 mH，其直流侧的支撑电容是 = =22 mF，其载波的频率是 =1250Hz。HXD2电力机车其变压器的二次侧漏具有的电阻是R=0.2Ω，其漏感是L=2mH，其直流侧的支撑电容是 =12 mF，其载波的频率是 =800 Hz，而直流侧的等效电阻能够按照相应仿真的功率进行计算而得到。CRH2型的电力机车具有额定牵引的电压是 =25 kV，其额定的牵引功率是P=4 800 kW，而HXD2型的电力机车额定牵引的电压是 =25 kV，其额定的牵引功率是P=9 600 kW[3]。变流器三电平与两电平的网侧交流的输入电压和电流都具有相同的相位，其功率的因数也是1，经过仿真得到，电力机车于额定的功率进行运行中，低次的谐波一般集中于3、5、7、9、11等一些奇次的谐波中；电力机车输入的电流具有的高次谐波一般集中于偶数倍的开关频率周围附近，其中CRH2是45、47、49、51、53等一些奇次的谐波，而HXD2是27、29、31、33、35等一些奇次的谐波；电力机车运行总谐波的含量中，CRH2是3.25%，而HXD2是2.6%。
3.2 机车功率变化时的谐波电流仿真
电力机车的功率变化还受到输入谐波的电流影响，本文电力机车的额定电压是25 kV，其功率分别是额定功率、3/4的额定功率、1/2的额定功率、1/4的额定功率4种情况实施仿真，进而对机车这4种功率中输入电流的谐波含量进行比较，电力机车的功率大小还可以通过进行不同等效的负载设定来变化。随着电力机车的牵引功率逐渐增大，其机车的输入电流具有总谐波的畸变率是降低的，其中CRH2 机车在51次与101次周围奇数次的谐波以及HXD2机车33次与63次周围奇数次的谐波等高次的谐波含有概率是降低的。
3.3 接触网电压变化时的谐波仿真
接触网的电压变化也会对电力机车的输入电流具有谐波的含有率产生影响，在本文中主要是选择机车额定功率下接触网的电压是21kV、23kV、25kV以及27kV等4种情况下的谐波情况实施仿真对比。跟随接触网的电压逐渐增加，电力机车的输入电流具有总谐波的畸变率是升高的，其中CRH2机车在51次与101次周围奇数次的谐波以及HXD2机车在33次与63次周围奇数次的谐波具有等高次的谐波含有概率是升高的[4]。
结语：综上所述，面对交直交型电力机车网侧变流器事件的发生，对交直交型电力机车网侧变流器谐波电流进行仿真分析，希望对其机车谐振事件的控制以及机车功能的完善提供帮助。
参考文献：
[1]郭佳, 刘沛津, 郭俊逸,等. 交直流机车混合运行牵引供电网谐波特性分析[J]. 机车电传动, 2017(6):57-63.
[2]王金浩, 齐月文, 李胜文,等. 交直交型电力机车网侧变流器谐波电流分析与仿真[J]. 大功率变流技术, 2016(3):12-16.
[3]王春蕾, 王瑞, 田长安,等. 电力机车辅助变流器PWM整流器的控制研究[J]. 电力电子技术, 2017(6):9-10.
[4]朱鹏, 周福林, 李丹丹,等. 考虑牵引网谐波耦合的动车组辅助变流器启动特性分析[J]. 电力系统保护与控制, 2017, 45(11):133-140.
论文作者:范小娟,李玺
论文发表刊物:《电力设备》2018年第29期
论文发表时间:2019/4/1
标签：谐波论文; 电力机车论文; 变流器论文; 电流论文; 电压论文; 功率论文; 机车论文; 《电力设备》2018年第29期论文;