摘要：直流电力机车、交流电力机车、交-直-交型电力机车是我国常见的电力机车类型。相较于直流机车、交流电力机车而言而言，交-直-交型电力机车网侧谐波特性具有特殊性。因此，本文通过对交-直-交型电力机车网侧谐波电流仿真分析，阐述了交-直-交型电力机车网络谐波特性，分析了交-直-交型电力机车网侧谐波对牵引变电所的影响，并提出了几点交-直-交型电力机车网侧谐波改进措施。
关键词：交-直-交型电力机车；网侧谐波；牵引变电所
前言：交-直-交型电力机车主要是通过交流电网供应电力能源，利用整流器等设备，将交流点转化为直流电，随后逆变为交流电，最终为交-直-交型电力机车运行提供驱动力。而交-直-交型电力机车牵引电机控制，主要是利用大功率IGBT，从接触网取出单相25.0kV交流电，将其转化为直流电后再将其转化为交流电。因此，为了保证交-直-交型电力机车牵引变电所稳定运行，对其网侧谐波特性进行适当分析非常必要。
一、交-直-交型电力机车网侧谐波电流仿真分析
1、交-直-交型电力机车网侧谐波电流理论分析
交-直-交型电力机车网侧谐波电流主要包括低次谐波、高次谐波两种类型。其中低次谐波直流侧输出电压具有较大波动性。一般直流侧输出电压波动值为网侧供电频率的两倍；交-直-交型电力机车网侧高次谐波主要依据双边傅里叶变换计算方式，对三电平网侧变流器交流端电压、两电平四象限脉冲整流器交流端电压进行逐一计算[1]。
2、交-直-交型电力机车网侧谐波电流仿真分析
依据交-直-交型电力机车网侧变流器原理，可在PSCAD平台中，进行HXD2型电力机车变流器仿真模型、CRH2型电力机车变流器仿真模型设置。
通过电力机车变流器仿真分析可得，机车运动阶段，低次谐波大多集中在奇次谐波中；而电流输入高次谐波主要集中在偶数倍开关频率周边。且随着机车牵引功率的增加，机车输入奇数次谐波、高次偶数次谐波含有率均会逐步下降。
二、交-直-交型电力机车网侧谐波对牵引变电所的影响
1、交-直-交型电力机车网侧谐波对牵引变电所电压影响
以HXD系列机车为例，HXD系列机车在我国铁路中首次运用了交-直-交分布模式，整体谐波特性呈现了低次、高次谐波混合分布特点。在HXD系列交-直-交型电力机车运行过程中，由于FC网侧滤波的存在，致使交-直-交型电力机车牵引变电所支路频繁出现压差保护性跳闸情况。且二次保护输出值远高于最大值12.00V[2]。最终致使牵引变电所电能质量指标失常，如功率等。
2、交-直-交型电力机车网侧谐波对牵引变电所信号影响
交-直-交型电力机车网侧电磁干扰现象主要是以电磁波的形式，经自然空间或天线等介质，对交-直-交型电力机车牵引变电所内部电子设备元件或机械结构造成通信传输造成影响。如监控花屏、误跳闸、黑屏、电调控制失误等。
3、交-直-交型电力机车网侧谐波对牵引变电所交直流屏影响
在交-直-交型电力机车运行过程中，牵引变电所交直流屏指示灯预警、蓄电池损耗现象频繁发生，对交-直-交型电力机车正常运行造成了不利影响。交直流屏损坏现象主要是由于传统交直流屏交流点电源进线位置，大多针对低次谐波设置了滤波装置。并没有对机车高次谐波进行合理控制，导致高次谐波对母线电解电容造成较大压力。而高次谐波电压的逐层累加，导致交直流屏整流模块长时间处于过电压状态，最终致使整体交直流屏整流模块运行时常。
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三、交-直-交型电力机车网侧谐波控制措施
1、基于牵引变电所FC滤波的交-直-交型电力机车网侧谐波优化方案
针对交-直-交型电力机车网侧FC滤波对牵引变电所影响，依据放电线圈国家级标准的相关规定。结合交-直-交型电力机车网侧滤波实际变化情况，可对放电线圈二次电压阻抗特性进行进一步分析。在确定交-直-交型电力机车网侧滤波支路变化特性之后，可在放电线圈二次回路侧增设高通滤波装置，缓解交-直-交型电力机车网侧高次谐波流入FC滤波支路环节LC阻抗特性波动额度。协调放电线圈低压侧感应电压，降低低压保护性跳闸现象发生。
在实际运行过程中，通过合理的高通滤波装置类型选择，可引导交-直-交型电力机车网侧低次谐波进入微机保护装置。这种情况下，对于常规基波类型，通过高次滤波滤除，整体基波阻抗就会在最大谐波频率以下，降低既有保护压差保护现象的发生概率。
2、基于牵引变电所电磁干扰的交-直-交型电力机车网侧谐波优化方案
为了最大限度控制交-直-交型电力机车高次谐波对牵引变电所造成的电磁干扰现象，交-直-交型电力机车运行维护人员可从衰减辐射干扰、减低电磁干扰两个方面进行分析。在交-直-交型电力机车网侧进线端口增设滤波装置、信号隔离装置的基础上，进一步改进牵引变电所既有高压电缆。同时优化牵引变电所既有二次电缆屏蔽模式。如在回流电缆采用独立的电缆沟，在二次电缆、高压电缆间设置分隔装置；增设综合性监控保护装置、自动化控制装置等。
此外，为保证交-直-交型电力机车网侧谐波控制效力，交-直-交型电力机车维护人员也可采用静止型发生装置SVG+HPF补偿方案。
3、基于牵引变电所交直流屏的交-直-交型电力机车网侧谐波优化方案
针对交-直-交型电力机车运行过程中由于网侧高次谐波引起的交直流屏损坏情况，首先，交-直-交型电力机车运行维护人员可在交-直-交型电力机车交直流屏电源进线位置增设接触式电源净化装置，调整交-直-交电力系统输入电压为平滑直流状态。随后利用全桥功率逆变，将平滑直流电压转换为正弦脉宽调制波。结合升压变压器应用，可控制脉宽调制波幅度在标准限度内[3]。经过LC低通滤波的重复作用，可获得标准交流电压。通过电压进线端接触式电源净化装置的设置，可从根本上解决尖峰电压、电压高次谐波含量高导致的交直流屏烧损问题。
其次，为了缓解交-直-交型电力机车网侧高次滤波对交直流屏整流模块的影响，可在牵引变电所适当位置增设APF装置。APF装置主要包括指令电流运算电路、补偿电流发生电路两个模块。其中指令电流运算电路可通过对电路运行电路的实时分析，采用数字信号代替模拟电流信号。并将数字信号传入DSP装置内，最终实现谐波、基波的独立运行；而补偿电流发生电路可以通过PWM信号的形式输送驱动脉冲，控制驱动功率模块与电网谐波电路运动功幅度一致，主动补偿、或者消除网侧谐波。
最后，在交-直-交型电力机车网侧交流器设计阶段，应控制等效开关频率在5000.0Hz以下。若牵引电流高于谐波频段在100.0次，则应将交-直-交型电力机车机车控制软件进行适当修改。如在车载变压器原边进行串接电抗器的设置，或者并联RC电路等。保证交-直-交型电力机车谐波量分散运行。
总结：
综上所述，交-直-交型电力机车牵引电机控制方式具有高次谐波少、电网污染低、功率因数高的优良特点。因此，为了最大程度降低交-直-交型电力机车网侧谐波对牵引变电所的影响，交-直-交型电力机车维护管理人员应加强对牵引供电系统的关注，加大数据监控分析强度。主动与机务等系统进行沟通联系，借鉴其他交-直-交型电力机车组运行经验，保证牵引变电所稳定运行。
参考文献：
[1]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.
[2]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.
[3]孙中波. 交流电力机车谐波特性及治理初探[J]. 中国高新技术企业, 2016(9):72-73.
论文作者:李玺,范小娟
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：电力机车论文; 谐波论文; 变电所论文; 电流论文; 电压论文; 机车论文; 装置论文; 《电力设备》2018年第29期论文;