电力机车牵引变流器谐波功率方向确定

刘琦　张一铭　田尚川

摘  要： 电力机车牵引变流器在电网中属于非线性负载，其运行在牵引模式下时，从电网吸收有功功率，运行在制动模式下时，向电网回馈有功功 率，然而对于其谐波功率的方向目前还缺乏足够的了解，本文将从实际出发通过测量和计算来确定其谐波功率的方向。

关键词： 牵引变流器;功率方向;谐波功率;基波功率;频域

引言

随着电力电子技术的发展，大功率电力电子器件得到了广泛的应 用，牵引变流器在轨道车辆中的应用也在不断地进步与发展。其作为非 线性负载，一般认为是发出谐波功率的，这种说法虽符合实际情况，但 不能真正解释同一电流产生不同方向的谐波有功功率的原因①。本文将 以某型电力机车牵引变流器为例，分别使用功率分析仪和波形记录仪对 其输入侧电压电流进行测量，将采集到的数据进行分析，确定牵引变流 器谐波功率的方向。

1 主回路高压原理

牵引系统在工作时由牵引变压器将单相电进行降压后输送至牵引变流 器，再经牵引变流器整流成直流电，最后逆变成三相交流电输送至牵引电 机，其主回路原理图见图1。

本文将对图1中的A 、B点电压UAB ，B点电流IB都经传感器后接入仪表 进行测试，由此确定牵引变流器在工作时输入侧的谐波功率方向。

2 功率分析仪测试结果

当牵引变流器运行在牵引额定工況时，使用功率分析仪进行测试，发 现基波有功功率Pk（1 ）>全波有功功率Pk（total） ，其中Pk（1 ）=1557400W ，Pk（total）=1534200W，各次谐波功率（列举到20次）测试数据见表1。

由表1可看出，除基波功率和3次谐波功率外，其余各次谐波功率均 为负值，正是因为其谐波功率出现了负值，才导致了全波功率小于基波功 率，其依据的公式为

根据功率流向法②，如果Pk（n）>0，则认为供电侧造成了主要的波形 畸变;如果Pk（n）<0，则认为用户侧造成了主要的波形畸变。因此可判断， 该牵引变流器额定运行时，总体来说是向电网发出谐波功率的，其谐波功 率的主要频次有7次、 9次、 11次、 13次、 15次、 17次、 19次，但也有从电网吸收的部分，如3次谐波功率。

3 波形记录仪测试结果分析

在功率分析仪采集数据的同时，使用波形记录仪对电压、电流数据进 行采集记录，得到时域下的波形数据。由于波形记录仪不具备谐波功率计 算功能，需要对采集到的电压、电流数据进行傅里叶变换得到其各次谐波 的幅值和相位，此过程可以使用MATLAB软件来实现，计算出电压、电流 各次谐波频域分量。

因为只有同频率的电压谐波与电流谐波才能构成平均功率③，所以依 据公式计算各次电压、电流谐波所对应的谐波功率，其中φ k为第k次谐波电 压与谐波电流的相角差， Uk和Ik分别为第k次谐波电压和谐波电流幅值，计 算得出的谐波功率见表2。

表2中的偶次谐波较小，考虑到波形记录仪的测量精度，可以忽略不 计。除基波外， 3次谐波功率也是由电网发出的，其余由牵引变流器发出的 谐波功率主要频次有7次、 9次、 11次、 13次、 15次、 17次、 19次、 21次。

4 结束语

在忽略测量精度带来的数值上的误差情况下，波形记录仪和功率分析 仪所测试的结果基本吻合，即在牵引额定工况下，基波有功功率是从电网 流入牵引变流器，谐波功率在总体上看是从牵引变流器流入电网，电网自 身的个别谐波功率会流向牵引变流器。考虑到谐波对电网的危害，在分析 牵引变流器的谐波功率方向时，不能简单的判断为流入或流出，要做出准 确的判断必须通过仪器测量，功率分析仪和波形记录仪都是不错的选择。

参考文献：

[1]赵贺，林海雪. 电网中非线性负荷谐波功率方向的确定[J].电网技术，2007，31（17）：47-50.

[2]林永，焦连伟，陈寿孙.功率流向法的适用范围[A].全国电压电流等级和频率 标准化技术委员会.第三届电能质量（国际）研讨会论文集[C].北京：中国标准 出版社，2006.279-285.

[3]邱关源，著. 电路[N].北京：高等教育出版社，2006.

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