韓智玲

(中國鐵道科學研究院,北京 100081)

1 引言

電力機車作為牽引網(wǎng)的非線性不對稱負載,它的工作電壓和電流的質量直接影響到牽引網(wǎng)的電能質量。目前國內(nèi)普遍使用的交-直電力機車,存在功率因數(shù)低,諧波電流大的問題。而由國外引進的交-直-交電力機車雖然功率因數(shù)較高,但是在運行過程中會出現(xiàn)車網(wǎng)電壓諧振和低頻震蕩現(xiàn)象,嚴重影響了整個系統(tǒng)的正常運行。

2 電力機車產(chǎn)生的諧波對牽引網(wǎng)的影響

交-直相控電力機車在額定工況時的功率因數(shù)≥0.9,穩(wěn)態(tài)運行時只產(chǎn)生奇次諧波,只在涌流中含有偶次諧波。其中3次諧波電流含有率最大,隨著諧波次數(shù)的增大,其諧波含有率快速遞減,15次諧波幾乎降到1%。國內(nèi)實測機車諧波電流:3次為20%～25%,5次為10%～13%,7次為6%～8%。交-直相控電力機車電流的波形隨相控角的變化而改變,諧波電流隨基波劇烈波動。諧波含量還取決于機車的運行工況,機車在輕載時產(chǎn)生的諧波電流則更大。

由于諧波電流能夠引起牽引網(wǎng)電壓畸變,使牽引變電所并聯(lián)補償裝置的部分電容器因電介質擊穿而造成容值增大,引發(fā)電容系統(tǒng)的差壓保護動作;干擾遠動遙測、遙信系統(tǒng),造成誤傳信息等等,所以需要采取有效的措施治理諧波。如在電力機車上加裝濾波裝置,在變電所集中補償,加大牽引網(wǎng)容量,增加供牽引網(wǎng)絡間的聯(lián)絡支路,以提高牽引網(wǎng)的抗諧波能力。

采用PWM技術的交流變頻調速機車運行功率因數(shù)一般大于0.96,產(chǎn)生的諧波較小(總諧波電流畸變率小于 5%)。具有 3點式變流器(GTO)或交錯整流橋電壓轉換器的交-直-交電力機車的諧波電流頻譜大都集中在31次以上的音頻范圍內(nèi),對牽引網(wǎng)影響較大的3,5,7次等低頻諧波含有率基本為零。此外,總的諧波電流含有率也比一般交-直電力機車低很多。

3 電力機車與牽引網(wǎng)產(chǎn)生的諧振現(xiàn)象

在電力機車運行過程中,由于存在牽引網(wǎng)對地分布電容和回路電感的影響,當電力機車和牽引網(wǎng)的阻抗構成某次諧波的諧振回路時,就會造成牽引負荷諧波電流的諧振放大,危及系統(tǒng)安全。諧振一旦形成,直到遇到新的干擾改變了系統(tǒng)參數(shù),破壞諧振條件后諧振才可能消除。

當發(fā)生并聯(lián)諧振時,負載中的電流是輸入總電流的Q倍,稱“電流諧振”;發(fā)生串聯(lián)諧振時,負載中的電壓是輸入電壓的Q倍,稱“電壓諧振”。

由于電力機車運行過程中,牽引網(wǎng)的分布參數(shù)是不斷變化的,如何在線辨識牽引網(wǎng)的分布參數(shù),找到時變的諧振條件,判斷引起諧振的諧波源是解決問題的關鍵。文獻[1]分析了電力機車在運行過程中出現(xiàn)的并聯(lián)和串聯(lián)諧振現(xiàn)象,并畫出了長度為60 km的供電線關于網(wǎng)側輸入阻抗、機車位置、諧波頻率的三維圖。從圖1可以看出在頻率為1520 Hz,3000 Hz,5200Hz附近,車網(wǎng)在供電線的任何位置都處于諧振狀態(tài),而對于頻率1520 Hz是在大概30 km處諧振情況最嚴重。

圖1 不同位置和頻率的網(wǎng)側輸入阻抗Fig.1 The line input impedance at different position and frequency

針對電力機車和牽引網(wǎng)產(chǎn)生并聯(lián)和串聯(lián)諧振的現(xiàn)象,文獻[2]提出了一種解決方法。文中推導出了在線識別諧振條件的傳遞函數(shù),通過控制網(wǎng)側變流器PWM的開關角使得車網(wǎng)的總諧波能量最小化來避開諧振點。

4 電力機車與牽引網(wǎng)發(fā)生的低頻振蕩現(xiàn)象

2007年12月,太原鐵路局湖東機務段和湖東一場、二場的HXD1型電力機車與接觸網(wǎng)發(fā)生電壓振蕩,致使機車牽引封鎖而無法運行。通過實驗測試后發(fā)現(xiàn),在同一供電臂下有6臺空載HXD1型電力機車同時運行是車網(wǎng)震蕩的臨界點。6臺機車同時運行會出現(xiàn)振蕩一段時間后收斂現(xiàn)象,而當6臺機車同時運行振蕩收斂后再投入一臺機車,振蕩加劇并最終導致封鎖保護,見圖2。震蕩出現(xiàn)時機車牽引變流器中間直流回路電壓和網(wǎng)流、網(wǎng)壓的振蕩頻率均為3～4 Hz,而牽引網(wǎng)的頻率是50 Hz,所以這種震蕩屬于低頻振蕩。

圖2 機車發(fā)生振蕩、牽引封鎖及自動重啟Fig.2 The process of the oscillation between locomotive and power supply netwo rk,the traction blockade of converter and automatic restart

通過進行牽引變電所補償電容器投切試驗,變電所供電變壓器網(wǎng)壓調節(jié)試驗,接觸網(wǎng)分布參數(shù)影響試驗,改變機車負載試驗,再生制動對振蕩工況影響試驗,外部負載對振蕩影響的試驗發(fā)現(xiàn)只有外部負載對改善振蕩有積極的作用。

最后經(jīng)過分析得出低頻震蕩是由于HXD1型電力機車網(wǎng)側4象限變流器的控制參數(shù)和牽引網(wǎng)的系統(tǒng)參數(shù)不匹配,引起了機車與牽引網(wǎng)的震蕩。西門子技術人員通過改變網(wǎng)側4象限變流器的控制特性,改進補償環(huán)節(jié)和濾波器設計,解決了車網(wǎng)低頻震蕩問題。

文獻[3]介紹了在瑞士蘇黎世由于大量車型為Re450的機車同時投入運行引起了頻率為5 Hz的車網(wǎng)低頻振蕩,文中通過仿真觀察到當5臺機車同時運行時,5 Hz的振蕩很好的衰減了。而12臺機車同時運行時,振幅逐漸增大。之后文中對12臺機車同時運行的情況做了改進,調整了中間直流電壓控制器的參數(shù)后發(fā)現(xiàn)振蕩被衰減了。從而可以得出同時運行的機車數(shù)量和控制系統(tǒng)的參數(shù)都會對車網(wǎng)低頻振蕩有很大的影響。

5 結論

我國目前普遍使用交-直電力機車,它產(chǎn)生的諧波問題已經(jīng)受到高度重視,可以采取許多有效的措施來減弱諧波對牽引網(wǎng)的影響。對于我國新引進的交-直-交電力機車,由于經(jīng)驗不足,對于車網(wǎng)諧振和車網(wǎng)低頻震蕩等問題仍然需要深入分析原因并找到有效的解決辦法。

[1]Pierluigi Caramia,Michele M orrone,Pietro Vanlone,et al.Interaction Between Supply System and EM U Loco in 15 kV-162/3Hz[C]∥Proceedings of the IEEE Power Engi-neering Society Transmission and Distribution Conference,2001,1:198-203.

[2]Joachim Holtz,Jens Onno K rah.Suppression of Time-varying Resonances in the Power Supply Line of AC Locomotives by Inverter Control[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,1992,39(3):223-229.

[3]Stefan Menth,M arkus M eyer,Wettingen.Low Frequency Power Oscillations in Electric Railway Sy stems[J].eb-Elektrische Bahnen,2006,104(5):216-221.

[4]鄭瓊林.交流傳動電力機車諧振原因分析與對策[C]∥2008臺達電力電子新技術研討會論文集.北京,2008.

[5]曹廣河.朔黃鐵路牽引供電系統(tǒng)諧波分析[J].鐵道電氣技術,2006(S1):84-86.

[6]呂永宏,劉紅燕.客運專線牽引供電負荷諧波和功率因數(shù)評估[J].甘肅科技,2008,24(4):53-55.