交流传动电力机车谐振原因分析与对策

交流传动电力机车谐振原因分析与对策AProbeonCausesandSolutionsoftheHXD1ACLocomotive’sResonance北京交通大学郑琼林Email:[e-mail]摘要﹕多台HXD1交流传动电力机车在太原铁路局湖东机务段同时运行时，发生了牵引网和机车变流器谐振现象，致使机车跳闸保护不能正常工作，严重影响了列车调度运行。铁道部专门组织了现场测试。本文对测试结果进行了理论分析分析，找出了谐振的原因，提出了可能的解决办法，并给出了昀经济的解决办法。解决的办法被采纳后HXD1机车与牵引网的谐振问题不再发生。Abstract:TheHXD1AClocomotiveswereautomaticallyshutdownbyprotectiveequipmentbecauseofexcessiveresonanthighvoltageoccurredinDClinkoftheirconverters,whichoriginatedcurrentresonancebetweenpowersupplynetworkandthelocomotiveswhilecoupleofthemwererunningsimultaneously.Thisincidentsseverelyimpairedlocomotivesdispatchedforfreighttransportation.Thispaperpresentstheanalysisandconsequentsolutionsfortheresonancebasedontheon-sitedataacquisitionsponsoredandorganizedbytheministryofrailwayofChina.关键词﹕交流电力机车，和谐D1号，电气化铁路，谐振Keywords:AClocomotive,HXD1,Electricrailway,Resonance1引言大同到秦皇岛铁路是1992年投入运营的重载运煤专线。铁道部要求到2007年的年运量达到2亿吨。为保障运量，铁道部自2007年始开始为大秦线提供机车保障的太原铁路局湖东机务段配属国内昀先进德国西门子技术HXD1(和谐D1型)国产交流传动电力机车，替代部分交直流SS4改电力机车。到2007年底有52台HXD1电力机车在大秦线使用。12月26日开始，太原铁路局湖东机务段和湖东一场、二场出现接触网网压振荡，HXD1型机车牵引封锁无法运行情况，特别是2008年1月2日全天发生牵引封锁13次，机车无法正常出入库，严重干扰运输秩序。铁道部要求有关科研院所于2007年12月30日至2008年1月2日到现场测试，分析原因，找出对策。由于情况复杂，2008年1月日4日，铁道部亲自组织了包括北京交通大学在内的有关单位一起到湖东机务段进行现场测试，以便尽快找到解决问题的办法。现代交流传动机车采用PWM三相变频逆变器驱动交流牵引电机。当供电电源为交流时，前级也采用PWM控制的四项限变换器，以获得功率因数接近为1的供电质量。牵引网与机车之间的振荡的原因很复杂。PWM四象限变流器在交流侧产生丰富的谐波电流，没有被同一供电网中的其他负载及时吸收，能造成振荡，这在1995年4月的瑞士苏黎世发生过[1]；逆变器与牵引电机系统变频工作过程，速度信号误差的引入，能造成逆变器直流侧与负载侧的振荡[2]；电力机车走行部的机械系统与电气传动系统通过电机耦合也能造成振荡[3]。意大利Ansaldo的CRIS车辆实验室曾对谐波引起的振荡进行研究[4,5]，但没有对振荡的原因给出解释。文献[6]分析了直流供电的交流传动车辆系统的稳定性，给出了振荡的三种可能形式。这次发生在山西大同的车网振荡现象，通过振荡时现场测试数据分析，发现振荡的原因与已有文献报道过的完全不同。这次发生在山西大同振荡现象的各种环境条件与文献[1]描述的瑞士苏黎世类似，但苏黎世当时振荡的频率为165Hz，车型为Re450/Re460[7]。其振荡频率是牵引供电网供电频率162/3Hz的9.3倍，属于高频振荡。而发生在大同的振荡频率为3∼4Hz，是牵引供电网频率50Hz的1/14倍左右，属于低频振荡。本文通过建模分析，初步认为牵引网的系统参数与HXD1电力机车PWM四象限变流器的控制参数不匹配，以及网侧电流检测误差较大的引入，使得四象限系统控制进入不稳定域，造成了这次牵引网与机车振荡。基于此，解决的办法有四种：一种临时措施，三种根本解决办法。临时措施是，通过运输调度，控制牵引网一个供电臂的机车数量和种类，以改变HXD1电力机车的系统输入阻抗。三种根本解决办法是：一是在牵引变电所安装补偿装置，以改变四象限变流器的输入阻抗，使得系统进入稳定域；二是在机车内的牵引变压器辅助绕组上加装补偿装置，同样达到改变四象限变流器的输入阻抗；三是在四象限变流器的控制系统中加入补偿环节，并改善滤波器的设计，使得系统在输入侧参数在较大的变化范围内都能进入稳定区域。前两种办法中国自己的技术人员就能解决，但硬件成本较高。第三种办法昀为经济，不需要增加硬件成本，但西门子技术人员从德国来到现场通过调试程序解决。在采取临时措施保证了正常运输后，2008年1月中旬，西门子技术人员从德国到了山西大同，通过改变PWM四象限变流器控制软件，改进补偿环节和滤波器设计，发生在山西大同的供电网与电力机车振荡的问题得到彻底解决。2电力机车PWM四象限变流器动态模型的建立每台HXD1电力机车由两节机车构成，每节机车有一套完整的电传动系统。该系统由一台拥有1个原边绕组、4个牵引绕组和两个2次谐振电抗器的主变压器通过2个PWM四象限变流器（4QC）向两个独立的中间电压直流环节供电。每台转向架上的2个三相感应电动机作为一组负载，由连接在两个中间直流环节中的一个脉宽调制逆变器供电，其电路原理图如图1所示。电力机车中牵引传动系统的等效电路如图2所示。图2牵引传动系统等效电路图图2中，SV是牵引变电所大系统折算到机车变压器副边的电压值，是理想电压源，SZ是牵引变电所大系统到机车接入端口折算到变压器副边的阻抗，与系统短路容量等有关；inV是变压器原边折算到副边的电压值，inZ是变压器(含PWM交流电抗器)折算到变压副边的阻抗；acV是PWM四象限变流器输入端的电压，dci是牵引电机逆变器直流侧的等效电流值。显然有SinSinZmIVV−=(1)其中m表示在同一个牵引供电网运行的HXD1机车台数，这里假设多台机车同时合闸。如果忽略四象限变流器的损耗，有dcdininViiv⋅=⋅(2)acinLinVnIZV++=)1((3)其中n表示电流传感器检测PWM四象限变流输入电流的相对误差值。令tVtvininωsin2)(=，tIiininωsin2=，则有)sin(2ϕω−=tVvacac(4)由此得到dcinacdVtItViωϕωsin2)sin(2⋅−=(5)令rM为PWM四象限变流器的调制深度，有2dcracVMV=，代入式(5)得到，)]2cos([cos2ϕωϕ−−=tIMiinrd(6)所以二次滤波电流为)2cos(22ϕω−=tIMiinrd(7)2.1逆变器的等效阻抗对于逆变器的负载三相电机来说，三相基波电压公式可以写成⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡−−/=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡)34cos()32cos(cos2πωπωωtttVMVVVsssdcicba(8)其中，aV、bV和cV分别为电机相电压，iM为图1HXD1电力机车主电路原理图逆变器的调制深度，sω为逆变器输出电压的基波角频率。把它变换到两相静止坐标α－β轴上，则有⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡/=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡−−−=⎥⎦⎤⎢⎣⎡)sin(23cos232232302121132ttVMVVVVVssdcicbaωωβα(9)再进一步变换到同步旋转坐标D－Q轴上，如果设0＝θ，则当t＝0时，D－Q轴与两相静止坐标轴重叠则有⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡0cos832tVMVVsdciQDω(10)根据图2，忽略逆变器的开关损耗，逆变器输入输出功率相等，即DDdcdcIVIV⋅=⋅，则有DidcIMI83=(11)因此得到MiDDidcdcdcZMIVMIVZ3838===(12)MZ为逆变器负载电动机的等效阻抗[8]。2.2PWM四象限变流器的输出阻抗和输入阻抗从图2知，PWM四象限变流的输出阻抗由逆变器的等效阻抗与直流电容器和二次滤波器并联而成。dcdLddcoutZsCsCsLRiVZ//)1//()1(222++==(13)于是得到)](2cos1[42ϕω−−++=tZMZivZZoutrLinacLin＝(14)2.3PWM四象限变流器的控制模型电力机车的PWM四象限变流器模型严格地讲是复杂的多变量非线性模型。由于振荡频率约牵引网供电频率的1/14左右，因此近似用方均根值来代替基波周期值来分析问题可以得到一些有价值的结果，同时大大降低了问题的复杂性。利用小信号模型分析法，并进行线性化处理，可以得到如下关系式：0=Δ+ΔininSvmiZ(15)acinLLininvnIZZivΔ++Δ=Δ(16))(21rdcrdcacMVMVvΔ+Δ=Δ(17)ϕcos2inrinrdIMiMiΔ+Δ=Δ(18)dcddcdininininViViVIViΔ+Δ=Δ+Δ(19)dcddcdiidtVdCΔ−Δ=Δ(20)其中，符号前加Δ的指动态值。根据以上式子，可以得到PWM四象限变流器的控制框图如图3所示。图3四象限变流器的控制框图在图3中，框图中各环节中的传递函数为：)(21LSZmZG+−=(21)rdcMVG−=2(22)GC(s)MV1H(s)G1(s)G2(s)G3(s)+++--iniΔrMΔdciΔ+G4(s)nIin传感器补偿器PWM输入电流误差dcrefVΔdcVΔGF(s)dcZG=3(23)LZG=4(24)并且，)(sGF是为消除检测误差（n）的PWM四象限变流器电流检测滤波器的传递函数，)(sGC是为了抵消系统结构参数变化(m)而引入的补偿器传递函数。3数据测试与结果分析给大秦铁路专线大同地区供电的湖东牵引变电所数据测试点布置如图4所示。图4湖东牵引变电所测试点布置图在HXD1机车上的数据测试是在0023号车A节进行的，其测试点的布置如图5所示。图5HXD1机车上的数据测试点布置图3.1振荡测试试验图6是20台HXD1电力机车辅机同时投入运行时的测试波形。(a)机务段251馈线电流波形及有效值(b)T座母线电压波形及有效值(c)机车振荡、封锁及重启失败过程图620台机车同时投入时的工作波形图6中，(a)自上而下是251馈线(机务段M3~~网压互感器受电弓电流传感器==3~=3~馈线)的电流波形及有效值，(b)自上而下是T座母线电压波形及有效值，(c)是HXD1机车内发生振荡、封锁保护及自动重启失败的过程，自上至下分别为网压、网流、直流侧电压和辅助逆变器输出电压。其中(a)和(b)的波形在变电所测得，时间轴200ms/格；(c)的波形在机车内测得，时间轴5s/格。当同时投入15台机车、10台机车和8台机车进行试验时，机车仍然重复振荡、封锁保护和重启失败过程，状况没有改善。电压电流波形图也基本一样。经试验，6台HXD1电力机车同时运行是个临界点。6台投入运行时出现振荡，持续一段时间后收敛，如图7所示(a)；6台机车同时运行振荡收敛后再投入一台机车，振荡出现并逐步加大昀终导致封锁保护，如图(b)所示。(a)6台运行振荡一段时间后收敛(b)6台增加到7台后振荡导致保护图76台HXD1电力机车运行是临界点3.2其他试验在机车合主断路器试验基础上，牵引变电所将补偿电容器切除后，进行了测试。结果表明，振荡情况没有明显变化。恢复补偿电容器后，将供电变压器电压下调两档(1.2kV)进行试验。结果表明，振荡情况没有明显变化。调集11台从251馈线(湖东机务段)换到265馈线(新二场)进行试验。试验结