高速磁浮牽引供電系統(tǒng)濾波技術(shù)分析

胡建平 湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學院

高速磁浮牽引供電系統(tǒng)濾波技術(shù)分析

胡建平 湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學院

磁懸浮系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得列車運行的速度大大提高，不過磁浮列車在運行過程中，其本身的牽引供電系統(tǒng)會向電網(wǎng)發(fā)射諧波，影響電網(wǎng)穩(wěn)定性以及供電質(zhì)量。對此，相關部門必須合理選擇濾波技術(shù)，做好諧波處理。本文結(jié)合磁浮系統(tǒng)諧波的特性，對LC濾波、有緣濾波等濾波技術(shù)進行了分析。

高速磁浮 牽引供電系統(tǒng) 濾波技術(shù)

磁浮或者說磁懸浮技術(shù)，是利用磁力來抵消重力，使得物體能夠懸浮起來，減少摩擦力，可以將列車的運行速度提高到500km/h以上，而且在行駛過程中不會產(chǎn)生噪音和廢氣，也不會對軌道造成磨損。不過，對于電網(wǎng)而言，磁浮列車屬于大容量間歇性感性沖擊負載，運行時會向產(chǎn)生大量諧波，嚴重影響電網(wǎng)供電質(zhì)量。針對這個問題，鐵路部門應該采取有效的濾波措施來消除負面影響。

1 磁浮系統(tǒng)的諧波特性

以上海磁浮列車牽引供電系統(tǒng)為例，采用了12脈波相控整流器，從理論上分析，整流器在運行過程中，會持續(xù)向電網(wǎng)發(fā)射諧波，諧波次數(shù)為11、13、23……而實際上，由牽引變流器發(fā)射的諧波還包括了5次諧波和7次諧波，在沒有設置濾波裝置的情況下，5次諧波含量為4.6%，7次諧波含量為3.2%、11次諧波含量為6.1%，13次諧波含量則為4.9%。

2 LC濾波

作為一種比較常見的諧波抑制裝置，LC濾波器不僅可以有效濾除諧波，也能夠提供無功補償功能，因此在高壓大容量系統(tǒng)中得到了廣泛應用。從結(jié)構(gòu)上分析，LC濾波器包括了電容器和電抗器，兩者相互串聯(lián)，調(diào)諧在某個特定諧波頻率。在面對需要調(diào)諧的諧波時，濾波器為低阻抗，而在理論上，可以將調(diào)諧頻率位置的阻抗設計成零，確保其能夠?qū)π枰獮V除的諧波分量進行吸收。

在面對牽引變流器釋放的諧波時，磁浮線運營單位在牽引供電系統(tǒng)中安裝了5次、7次、11次及以上諧波的LC濾波器，能夠切實將諧波控制在相關標準要求的范圍內(nèi)。不過在實際應用中，LC濾波器存在一些問題，一是電容本身會產(chǎn)生較大無功，在列車沒有運行時，會形成動態(tài)補償負擔；二是LC濾波器的存在，可能與外部供電系統(tǒng)引發(fā)諧振問題。對LC濾波器的阻抗進行掃描，發(fā)現(xiàn)其在4.8、6.9、11.5次諧波位置存在串聯(lián)諧振，較低的阻抗保證了良好的濾波效果，在5.1次和7.4次諧波位置存在并聯(lián)諧振，阻抗較大。因此，如果在并聯(lián)諧振點周邊存在諧波，則容易引發(fā)大諧波電壓，導致設備絕緣性能下降。不僅如此，在使用中，一旦LC濾波器內(nèi)容的電容電感元件老化，造成阻值變化，則會導致諧振頻率點向整數(shù)次移動，牽引變流器發(fā)射的諧波可能在外部供電系統(tǒng)引發(fā)諧振。

3 有源濾波

有源濾波在原理上與LC濾波器存在很大的差異，主要是通過逆變器，向電網(wǎng)注入諧波電流，體育負載諧波電流的幅值相同但是相位相反，通過相互抵消來實現(xiàn)濾波的目的。又或者通過大阻抗來避免諧波電流流向電源。在實際應用中，有源濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)對不同次數(shù)諧波電流的同時濾除，相應速度快而且不會受到電網(wǎng)參數(shù)影響。高速磁浮牽引供電系統(tǒng)運行中產(chǎn)生的濾波屬于中壓大功率范圍，有源濾波器的實現(xiàn)方式有兩種：

3.1 小容量三相逆變器并聯(lián)

主要是將多個容量較小的IGBT模塊并聯(lián)在一起，經(jīng)變壓器與供電母線連接。10kHHz的開關頻率使得IGBT模塊能夠滿足有源濾波器的使用需求，而且模塊之間相互獨立，對諧波電流進行分流，即使其中一個模塊出現(xiàn)問題，其他模塊也可以保持正常運作。在面對高頻諧波電流時，需要單獨設計對應濾波模塊。不過，這種方式由于需要經(jīng)過變壓器，會導致成本的增大以及響應的延遲，器件本身發(fā)熱也會使得損耗增大。

3.2 H級僑聯(lián)

也稱CHB形式，將多個開關頻率較低的H模塊級聯(lián)進行移相控制，確保相位能夠錯開，以滿足有源濾波器的要求。CHB形式的優(yōu)勢在于損耗小，能夠減少對供電系統(tǒng)的擾動，模塊化的設計為擴展維護提供了方便，與電源直連的形式可以降低成本，提高效率及響應速度。不過，在控制方面，CHB形式相對復雜和繁瑣。

4 IGCT大功率變流器諧波特性

借助不斷發(fā)展的科學技術(shù)以及長期實踐得到的經(jīng)驗，磁浮中心聯(lián)合委外單位，在IGCT的基礎上，研制了12脈波相控型7.5MVA大功率變流器。與GTO不同，IGCT的電流等級和耐壓等級更大，開關頻率高，驅(qū)動電路簡單且損耗較低，優(yōu)勢非常明顯。

在工作狀態(tài)，IGCT變流器會發(fā)射大量諧波，其中以高次諧波為主。相關試驗數(shù)據(jù)顯示，變流器諧波集中在11、13、23、25次的位置，也包含部分5次諧波和7次諧波。當交流器空載運行時，各次諧波的分布相對混亂，含量也更高。

5 APF試驗情況

從IGCT變流器諧波特點出發(fā)，考慮母線負載類別，相關部門研制出了與20kV母線直掛的級聯(lián)式APF，能夠?qū)崿F(xiàn)對磁浮列車荷載變化的動態(tài)跟蹤，將動態(tài)響應時間控制在了10ms以內(nèi)，能夠?qū)Υ鸥×熊囘\行過程中的諧波電流進行有效抑制，確保其滿足相關標準的要求。

APF樣機中采用了星接法，通過N+2冗余模塊實現(xiàn)了28個功率模塊的串聯(lián)，再經(jīng)電抗器接入電網(wǎng)。樣機雖然相對簡單，不過同樣經(jīng)過了出廠試驗等檢驗，性能可以保障。為了對其濾波性能進行驗證，在同濟大學高速磁浮試驗線上進行現(xiàn)場試驗，主要目的是對IGCT變流器在運行中產(chǎn)生的諧波進行濾除?，F(xiàn)場試驗諧波電流如表1所示。

表1 現(xiàn)場試驗諧波電流

結(jié)合試驗結(jié)果分析，在進行濾波前，IGCT變流器濾波的存在使得電壓畸變率達到1.7%，與國際標準規(guī)定的2%的限值接近，而在濾波后，電壓畸變率為0.7%，電流諧波濾除率平均為65%左右，表明APF裝置可以滿足濾波要求。

不過，受試驗條件限值，得到的試驗結(jié)果實際上并不理想。由于試驗線長度有限，嚴重限值了變流器的負荷輸出，與有源濾波器一樣，在輸出上距離額定工況頗為遙遠，加上基波與諧波電流幅值僅為8A左右，諧波電流的波動較快，濾波難度較大。不僅如此，進線側(cè)電流互感器變比折算到二次側(cè)，諧波電流在13mA左右，容易受噪聲干擾，影響補償效果。因此，想要確認裝置的性能，需要在更好的環(huán)境下進行試驗。

總而言之，在科學技術(shù)飛速發(fā)展的帶動下，高速磁浮列車飛速發(fā)展，其牽引供電系統(tǒng)的諧波濾除也受到了越來越多的關注。相關技術(shù)人員應該立足實際需求，對濾波技術(shù)和濾波裝置進行合理選擇，保證濾波效果，為高速磁浮技術(shù)的進一步發(fā)展提供良好的保障。

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