SS4G电力机车谐波仿真和实测分析

姚 磊，孙伟卿，王金浩，杜慧杰，雷 达，穆广祺，王 龙

(1．上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093；2．国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001)

SS4G电力机车谐波仿真和实测分析

姚 磊1，孙伟卿1，王金浩2，杜慧杰2，雷 达2，穆广祺2，王 龙2

(1．上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093；2．国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001)

针对电气化铁路对山西电网的影响，为谐波治理提供依据，文中采用仿真和测试分析方法对典型直流机车SS4G的谐波含量进行分析。根据SS4G的工作原理，利用Matlab/Simulink仿真和娄烦牵引站的数据测试，表明当输出功率较小时，电力机车的谐波较大；当输出功率较大时，谐波含量基本保持在一个相对稳定的数值；仅在所有桥路的开关角度为40°时的谐波含量最少。因此，可通过改变电力机车在二、三段桥时的开通角度可降低电力机车对电网的谐波影响。

SS4G电力机车；谐波；电能质量；电气化铁路

随着第三次工业革命浪潮的推进，全国电力发展步入崭新的阶段。铁路交通作为能源物流的关键环节具有不可替代的作用，铁路的研究涉及到动力、轨道、监控、通信及调度等相关技术[1-6]，动力系统是其非常重要的一个方面。铁路动力系统分为内燃机和电气化铁路两种。以电能为基础的电气化铁路的发展，在能源物质流通的环节起到中流砥柱的作用[7-8]。对于电气化铁路的研究，主要为电力供应和铁路对电网的影响，其中包括谐波、电压偏移、频率和不对称度等方面[9-10]。电力机车为电气化铁路的动力来源，按照主电路的不同，电力机车分为交直型和交直交型两大类，交直型电力机车主要有SS1，SS3，SS4，SS6，SS7，SS8，SS9和6K、8K、8G等电力机车，以及其改进型[11]。交直交型电力机车分为HxD和CRH两大系列，分别用于快速运输和高速客运。由于交直交型电力机车采用先进的变流技术，对电网的谐波污染较小，在铁路运输中得到越来越多的采用[12]。但山西仍存在一些交直型机车运输，作为我国重要的煤产大省，山西省铁路重载线路较多，对电网带来大量的谐波污染[13-15]。因此需要对其谐波特性进行分析。

交直型电力机车从主电路不同分为调压开关控制、调压开关和晶闸管相控相结合的多段桥控制、经济四段桥控制、不等分三段桥控制、一段半控桥和一段全控桥控制5大类，现阶段山西省主要以不等分三段桥控制为主。文献[16～17]分析了调压开关控制的SS1型电力机车谐波电流计算，文献[18～19]分析了经济四段桥控制的SS4谐波电流分析。

本文将从机车主电路入手详细计算各次谐波的相对含量，通过仿真和娄烦牵引站的实测谐波对比分析。由于娄烦为单线电气化铁路，为新建的太兴铁路供电，当有电力机车通行时仅一台电力机车，便于检测单台电力机车对系统的谐波。通过本文的分析，可知开关角度与谐波电流含油率的关系，为电力机车的控制顺序提供一定的借鉴，对山西省电气化铁路谐波问题提出治理措施。

1 SS4G机车主电路工作原理

牵引机车SS4G型由株洲电力机车厂生产，采用不等分三段桥相控调压主电路控制方式，使用串励式脉流牵引电动机，机车主电路采用电力二极管与大功率晶闸管组合的可控硅三段半控桥式整流调压电路。

机车变压器一次侧电压为牵引网标称电压27.5 kV，二次侧三个绕组的空载额定电压分别为700 V、350 V、350 V，机车主电路原理结构如图1所示。

图1 SS4G电力机车主电路

如图1所示，D1～D4为普通电力二极管，T1～T6为晶闸管整流器，Ld为阻感负载，变压器为理想条件下变压器，假设电机额定电压为Ud。机车运作按3种工段对输出电压进行调节，采用不等分三绕组变压器供电方式运行，组成2∶1∶1的三段不等分比例。

三段桥工作方式如下：

第一段：晶闸管T1和T2所在两个桥臂交替触发工作，T3～T6处于关断状态，此时晶闸管T1、T2与电力二极管D1、D2组成了半控整流电路，输出整流电压范围为(0～1/2)Udmax。

第二段：晶闸管T1和T2处于全通状态，晶闸管T5、T6处于关断状态，触发晶闸管T3和T4。此时，晶闸管T1、T2与电力二极管D1、D2组成了不控整流电路，晶闸管T3、T4与电力二极管D3、D4组成半控整流电路，二者串联为牵引电动机供电，输出整流电压范围为(1/2～3/4)Udmax。

第三段：晶闸管T1、T2、T3和T4处于全通状态，触发晶闸管T5和T6。此时晶闸管T1、T2与电力二极管D1、D2组成了不控整流电路，当未触发T5和T6时，晶闸管T3、T4与电力二极管D3、D4组成不控整流电路，当触发T5和T6时，晶闸管T3、T4由于反向电源作用而截至，晶闸管T5、T6和二极管D3、D4组成不控整流电路，输出整流电压范围为(3/4～1)Udmax。

由上三段桥晶闸管VT1～ VT6导通情况，各晶闸管导通情况与输出电压关系如表1所示。

表1 韶山4G型机车晶闸管导通与输出电压关系

2 SS4G机车谐波特性分析

根据SS4G型机车主电路分析电力机车一、二、三段时的各次谐波电流，设变压器绕组a1x1段变比为N,绕组a1m、mx2段变比为2N。

机车工作在第一段桥时，由傅里叶展开可得

(1)

由式(1)可知，第一段桥的谐波电流，即

(2)

化简得

(3)

其中，n为谐波次数；α1第一段桥触发控制角；I1n为第一段桥的谐波电流；Id为直流侧电流。

直流侧电压和交流侧电流关系波形如图2所示。

图2 第一段桥输出电压电流关系波形图

(4)

输出电压和二次侧绕组电流关系波形如图3所示。

图3 第二段桥输出电压电流关系波形图

(5)

输出电压及二次侧绕组电流关系波形如图4所示。

图4 第三段桥输出电压电流关系波形图

3 SS4G机车谐波特性仿真与实测对比

采用Matlab/Simulink对SS4G电力机车机车整流主电路进行仿真，并对娄烦牵引站进行电能质量测试，测试仪器采用fluke1760，整个记录时间段为27.01.2016 16:42:30至01.02.2016 12:16:30，本文从中选取机车在一段桥、二段桥和三段桥的三个典型工作点分析其谐波特性。

SS4G电力机车触发角约为60°时分别工作在三段桥时的谐波电流含有率的仿真和实测对比图如图5所示。

图5 SS4G电力机车谐波电流含有率对比图

由图5可知，SS4G工作在第一段桥时，三次谐波含量并非最高，当触发角为60°时的五次谐波和七次谐波相对三次谐波较大，但数值都小于0.15。而当电力机车工作在第二段和第三段桥时，谐波含有率分布较为一致，三次谐波较大，其他奇次谐波含有率随着谐波次数的增大而降低。通过对其他触发角进行仿真和计算可知，当电力机车工作在第一段时，谐波含有率随开关角度的变化较大，当触发角约为40°时谐波电流含有率最小，当电力机车工作在第二、三段桥时，谐波电流含有率随触发角的改变变化较小，与第一段桥触发角为0°时基本相等，这主要是由于当电力机车工作在第二、三段桥时，部分桥路处于全通状态，这部分电流含量占主要部分，因此与不控整流谐波含量相近，即当电力机车工作在第二、三段桥时，机车注入电网的谐波并非最少，谐波最小时刻为全部桥路触发角均为40°时。

4 结束语

SS4G电力机车在山西省起到了重要作用，代表着交直型电力机车工作特性。本文通过仿真和实测数据对比，详细分析了SS4G的谐波特性与触发角和工作阶段的关系。通过分析可知，电力机车工作在第二段桥和第三段桥时的谐波含量仍然较高，并非最优运行。因此可通过改变机车运行策略，当工作在第二、三段桥时，改变各桥路晶闸管的触发策略，可实现输出谐波一定程度的降低。

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Harmonic Simulation and Realistic Analysis of SS4G Electric Locomotive

YAO Lei1,SUN Weiqing1,WANG Jinhao2,DU Huijie2,LEI Da2,MU Guangqi2,WANG Long2

(1. School Optical-Electrical and Computer Enginneering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China; 2. Electric Power Research Institute,State Grid Shanxi Electric Power Company,Taiyuan 030001,China)

According to the influence of electrified railway on Shanxi power grid, the basis of harmonic control is analyzed, and the harmonic content of typical DC locomotive SS4G is analyzed by simulation and test analysis. According to the working principle of SS4G, using MatLab / Simulink simulation and Loufan traction station data tested, indicating that when the output power is small, the electric locomotive harmonic; when the output power is large, the harmonic content is basically maintained in a Relatively stable values; only at all bridge when the switching angle of 40 ° when the harmonic content of the least. Therefore, by changing the electric locomotive in the second and third sections of the bridge when the opening angle can reduce the electric locomotive on the power grid harmonics.

electric locomotive; harmonic analysis; power quality; traction station

2017- 03- 31

国家电网项目(复杂电网电能质量多维精细化评估及优化控制关键技术与应用)

姚磊(1983-)，男，博士，讲师。研究方向：电能质量改善、短路电流限制、超导电力应用等。

TN359.2

A

1007-7820(2018)02-074-04