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牵引网宽频域谐波的产生机理及其抑制方法摘要随着电力机车技术的不断发展，传统直流传动电力机车被交流传动电力机车所取代。现代电力电子器件的开关频率越来越高，电力机车所采用的交流传动系统所产生的高次谐波，给牵引供电系统、电力设备及通信线路带来了严重的危害，诸如车网谐振、破坏电力设备、影响通信线路等。因此，研究交流传动电力机车的高次谐波抑制措施具有重要的工程应用价值。为实现这一目标，本文主要开展如下工作：对交流牵引传动系统各部分的工作原理进行了详细的介绍，并分析了四象限整流器的瞬态直接电流控制策略和牵引逆变器的空间矢量电压控制方法。从数学的角度分析了交流牵引传动系统谐波产生的机理，并在MATLAB中建立交流牵引传动系统的仿真模型，仿真分析了其谐波特性，并探讨谐波输出特性与机车所处工况、输出功率以及网压之间的关系。研究了现有抑制高次谐波的措施，并对比分析各自的优缺点关键词：交流牵引传动系统；高次谐波电流；传递函数；等效干扰电流AbstractAsthedevelopmentofelectronicslocomotivetechnology,thetraditionalDCdrivelocomotivesaregraduallyreplacedbyACdriveelectriclocomotives.Theswitchingfrequencyofpowerswitchingdevicesbecomehigher,thehighharmonicproblemswhichisgeneratedbytheACtractiondrivesysteminAClocomotivescauseresonanceoflocomotives-grid,destroyelectricalequipment,affectcommunicationlines,etc.Therefore,thestudyofACdriveelectriclocomotivehighharmonicsuppressionmeasureshasimportantengineeringpracticalsignificance.Toachievethegoalofsuppression,thepaperhasfinishedthefollowingwork:ThepapergivethedescriptionofeachpartoftheACtractiondrivesystemindetailed,andanalyzefour-quadrantrectifier'stransientdirectcurrentcontrolmethodandtractioninverter'sspacevectorpulse-widthmodulationcontrolmethod.TheanalysisofACtractiondrivesystemharmonicgenerationmechanismistakeninthemathematicalpoint.ThesimulationmodelsestablishedinMatlabanalysistheharmoniccharacteristics,andresearchtherelationshipamongtheharmoniccharacteristics,locomotivecondition,outputpowerandnetworkvoltage.Studycurrentmeasurestosuppressthehighharmoniccurrentandcomparetheiradvantageswithdisadvantages.KeyWords:ACtractiondrivesystem；Highharmoniccurrent；Transferfunction；Equivalentdisturbingcurrent目录第一盲.绪论11.1 中国电，机高*/二二二二二二二二二二二二二二二二二11.2 电气化铁道谐波研究现状与抑制发展21.3 本文的研究内容3第二章：交流传动动车组谐波模型42.1电力机车牵引传动系统概述42.1.1电力机车牵引传动系统的组成42.1.2四象限整流器的工作原理和控制方法52.1.3牵引逆变器的工作原理和控制方法82.2交流电力机车谐波产生的机理112.2.1变流器低次谐波产生机理122.2.2变流器高次谐波产生机理132.2.3交流传动动车组网侧谐波电流数学分析132.3交流电传系统仿真建立与谐波分析142.3.1交流机车谐波分布情况及其与工况关系的验证162.3.2机车处于不同负载功率下谐波的输出特性分析172.3.3牵引网电压变化时机车谐波的输出特性192. 4高次谐波的危害20第三章牵引网谐波抑制的措施222.1 模块化多电平变换器223. 2多重化PwM整流器的载波移相234. 3在牵引变电所加装高通滤波器26结论28致谢：29第一章：绪论1.l中国电力机车的发展历史世界电力牵引的发展已有百年的历史，自1879年德国诞生第一辆电力机车（功率IOkW）起，世界电力机车牵引传动系统由原直流牵引传动不断发展到交流牵引传动。而我国的电力机车的发展自1958年研制出第一台干线电力机车起，通过近半个世纪的发展，现代电力机车的交流牵引系统也逐步代替了传统的直流牵引传动系统IO六十年代初，水银整流器为硅整流器所取代，调压开关硅整流器机车在世界得到广泛认可，1979年德国诞生了世界上第一台E120型交流传动电力机车，我国也开始生产SSl型电力机车。韶山1型是我国第一代电力机车U2（如图1.1所示），是仿造苏联H60型电力机车，调压开关低压侧调压，采用硅整流器整流。SS2、SS3型电力机车延续了SSl的优点，同时为我国第一台晶闸管相控机车的研制提供了许多宝贵的经验。SS4型电力机车作为我国第一台相控电力机车在1985年诞生，为两节式八轴机车，采用四段半控桥晶闸管相控平滑调压。在消化吸收法国引进的8K型机车和日本引进的6K型电力机车后，我国相继推出SS5相控4轴客运电力机车、SS6相控6轴客货两用电力机车、SS7相控6轴电力机车、SS8相控4准高速客运电力机车，形成了以相控技术为基础的“交一直”传动的韶山系列，使我国的电力机车的生产技术日趋成熟。图U韶山1型电力机车随着电力电子技术的不断发展，大功率的晶闸管不断出现，交流电机调速技术日益成熟，从而出现了“交一直一交”牵引传动电力机车。交流传动电力机车使用三相异步电动机和四象限脉冲整流器将机车功率因数提高至接近L且交流传动机车功率大，能很好的满足高速和重载的牵引发展需求。由于交流机车以上优点，在许多发达国家已经完全代替交直型电力机车。随着中国的不断发展，人们对铁路的要求也发生了变化，客运高速、货运重载，交流制电力机车才能满足要求，中国也在加紧研制交流制电力机车，自1996年中国第一辆交流机车AC4000型问世,如图1.1所示，为中国电力机车技术超越世界先进水平打下了坚实的基础。为了满足国内货运重载的要求，2004年以来铁道部按照“引进先进技术，联合设计生产，打造中国品牌的方针”和“先进、成熟、经济、适用、可靠”的原则，推进铁路机车车辆装备现代化，先后从德国西门子、日本东芝、法国阿尔斯通引进一系列大功率电力机车，消化吸收自主研发HXD1、HXD2、HXD3等大功率交流传动电力机车叫和谐系列电力机车具有功率大、运行速度高、牵引力大、采用再生制动等特点，最高运行速度可达到120kmh,能满足货运重载化和局域化的要求。而面对客运高速的要求，从1997年到2007年，中国铁路实施了6次大提速。通过6次大面积提速和调度,速度160km/h及以上的提速线路里程为14000km,其中，20Okmzh线路延展里程达6003km,250kmh线路延展里程达846km37。同时我国还积极投入到高速列车的研制当中，先后研制了中原之星、先锋号、中华之星和和谐号CRH系列动车组等车型，其中CRH系列动车组在既有线路中运行速度已经达到200kh,部分区段最高运行速度甚至达到350knhl8大功率交流电力机车和动车组，在不久的将来，将逐渐成为我国高速铁路和重载线路的主力车型。1.2电气化铁道谐波研究现状与抑制发展由国内外电力机车发展史可知，交流电力机车因其具有的诸多突出技术优势，使得交流制电力机车代替直流制电力机车成为现今主流的发展趋势。直流制电力机车与交流制电力机车的主电路和控制方法均不同，因此它们的谐波特性也有较大的差异。在很长一段时间里，我国以直流制电力机车为主要车型。由于受电力电子技术器件开关频率的限制，牵引整流装置的开关频率较低，功率因数较差,低频段谐波含量丰富，严重影响电网的电能质量。针对直流制电力机车的谐波问题，国内外学者已经开展了大量的研究工作。直流制电力机车采用半控桥整流装置把交流电变成直流驱动直流电机，机车的功率调节通过控制晶闸管的开通与关断来实现。文献9-10结合SSl型电力机车的实际参数，建立动态仿真模型，并分析得出影响谐波含量的因素。文献11在MATLAB中构造SS3B型电力机车的动态仿真模型，计算通过机车牵引控制特性函数与整流回路的关系，验证模型的高效性。文献12根据实际参数建立了SS4电力机车的数学模型,采用牛顿一拉夫逊法进行迭代求解用于分析计算注入谐波电流。文献1引利用MATLAB建立仿真模型后，通过FFT分析机车在不同电压、级位、速度下的谐波值，并与实测数据相比较，验证了仿真分析的有效性。而随着铁路大提速及交流制电力机车关键技术的突破，我国自主研发的交流制电力机车被广泛的运用，直流制电力机车被交流制电力机车所代替。交流电力机车能够解决直流机车功率因数较低的问题，其功率因数接近1。同时与直流机车相比，交流机车的谐波特性有较大的变化，在低频段的谐波含量明显减少，但位于高频段的高次谐波如20次以上的谐波含量有所提高，且在制动状态下高次谐波的含量更加升高以,0,o对于交流电力机车，国内外进行了较为深入的研究，而我国着重于研究具体车型的分析与控制策略。文献11,12对四象限脉冲整流器提出了一种基于有功一无功解耦模型的直接电流控制，实现网侧有功与无功功率的独立控制，并能够输出任意功率因数，抑制环流。文献13,14对四象限三电平整流器瞬态电流控制和三电平逆变器的空间矢量控制进行介绍。文献15,16对交直交型电力机车产生谐波的特性进行了数学推导和仿真分析，得出了其谐波次数主要分布在倍数次载波频率附近的。我国交流制电力机车的谐波问题有以下几个特征：1）高次谐波频谱范围宽；2）高次谐波与低次谐波同时存在；3）多样化的牵引供电系统参数。交流电力机车的普及虽然带来了可观的经济效益，但伴随而来的高次谐波为牵引供电系统带来了新的问题，高次谐波破坏电气设备的绝缘装置，严重干扰通讯系统，引起车网谐振，且对处在同一电网中的其他机车造成很大的危害等。高次谐波引起的故障举例如表1.1所示。表L1高次谐波引起的故障时间方式危害2007.4高次谐波车网谐某动车组发生多次车网振荡，造成牵引变电所并联在牵振引母线上的电容器组多次跳闸2010对电气设备的影响某供电段避雷器由高次谐波过电压引起内部发热造成4次爆炸2009.8对通信的影响接触网杆塔放电，信号电缆盒至信号机的电缆被高压击穿，导致信号机绿黄信号不能开放在电气化铁道中，为了解决高次谐波对电力系统和用户带来的危害，目前采取了以下一些方案：改进变流器的拓扑结构和改进整流器的控制策略；增设有源滤波器和无源滤波器等。但由于电力机车自身空间有限，所以有源滤波和无源滤波一般都是装设在牵引变电所中，但有源滤