計及動車組運行工況的牽引供電系統諧波特性分析及抑制方案研究

孫傳銘

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島 266000）

當前我國軌道交通行業高速發展，《中長期鐵路網規劃》（2016年調整）指出，到2025年高速鐵路規模將達到38000 km左右[1]。當前高速鐵路大量新型大功率交-直-交型動車組上線運行[2-3]。新型動車組所產生的諧波電流較傳統交-直型機車具有含量低、頻譜寬等特點，導致高次諧波問題較為突出，容易引起“車-網”耦合匹配問題，同時也會干擾沿線通信線路[4-5]。由于動車組發射的諧波電流頻譜分布與車載變流器工作特性密切相關[6-7]，因此在分析牽引供電系統諧波特性時必須考慮動車組運行工況。

1 電能質量相關標準及計算方法

GB/Z 17625.4—2000《電磁兼容限值中、高壓電力系統中畸變負荷發射限值的評估》［8]規定，總諧波電流綜合畸變率THDi計算如下：

式中：Ih為第h次諧波電流；IH為總諧波電流含量。

對動車組等效干擾電流JP進行計算與分析。電力傳輸線中的各次諧波電流在通信回路上產生的雜音，在感性耦合干擾影響計算中是將電力傳輸線各次諧波電流用1 個800 Hz 的等效干擾電流來代替，具體計算如下［9]：

式中：IW為機車全電流；N為機車牽引電機臺數；Id為1 臺牽引電機的持續電流；KB為變壓器的變比；Sn為雜音評價系數。

根據國際電信電話咨詢委員會（CCITT）的規定，雜音評價系數見表1（摘出1～41次奇次諧波）。

表1 雜音評價系數

2 牽引供電系統諧波特性測試方法

電氣化鐵路牽引負荷是高壓電網中的一個不對稱畸變負荷，GB/Z 17625.4—2000 建議1 個完整的測試過程應持續1周以上。針對電氣化鐵路，按運行圖作業的運輸周期為24 h，所以每個測試過程通常要求連續24 h以上。

測試分為地面測試和車輛測試2部分：

（1）地面測試部分。測試的牽引變電所裝設4臺單相牽引變壓器，組成2 套獨立的V/x 接線牽引變壓器，每臺變壓器額定容量為35 MVA，牽引變壓器高壓側接入220 kV電壓等級電網。牽引供電系統采用AT供電方式。對牽引變電所高壓側電壓、上下行饋線側電壓和上下行饋線側諧波進行測量，測點布置見圖1，其中▲為測點位置。

（2）車輛測試部分。針對某型動車組，網壓測量接入位置為VN4，以記錄動車組運行過程中供電網網壓輸入電壓變化情況，網流從PAN 進入牽引變壓器間母線獲取，諧波特性測試示意見圖2。

圖2 某型動車組諧波特性測試示意圖

3 計及動車組運行工況的牽引變電所諧波特性分析

3.1 錄波過程有效值

總測試時間為20 min。1 個周波的采樣點數為512 個，用每一秒內的50 個周波的均方根值作為那一秒的有效值，則在15：40：21—16：00：21 的實測數據分析得出的上行T線電流有效值見圖3。

由圖3 可知，0～450 s 的時段有負載。主要分析典型動車組工況下的電流各項指標。取具有代表性的一段數據進行分析（見圖4）。該動車組電流畸變情況的時間過程曲線見圖5，電流畸變情況隨電流大小變化的趨勢見圖6。

圖3 錄波過程中電流有效值曲線

圖4 負載情況下電流有效值曲線

圖5 負載情況下電流總畸變率時間過程曲線

由圖4 可知，第100～106 s 為急加速階段，第107～246 s為緩慢加速階段，第247～321 s為平穩運行階段，第323～410 s為制動階段。主要針對這4個階段分別進行數據分析。

圖6 負載情況下電流總畸變率隨電流變化趨勢

3.2 饋線側測試數據分析

3.2.1 急加速階段

第100～106 s為急加速階段，取該階段的周波進行分析，部分實時錄波波形見圖7。

圖7 急加速階段部分實時錄波波形（I=82 A）

對這個時段內的周波進行傅里葉分解，得到各次諧波分量，各次諧波幅值統計（95% 概率大值）見圖8。

圖8 各次諧波幅值統計（I=82 A）

經計算，I=82 A 時，電流總畸變率為16.6%，電流畸變比較嚴重，對應JP=4.50 A。

3.2.2 緩慢加速階段

第107～246 s為緩慢加速階段，取該階段的周波進行分析，部分實時錄波波形見圖9。

對該階段內周波進行傅里葉分解，得到各次諧波分量，各次諧波幅值統計（95%概率大值）見圖10。

經計算，I=354 A 時，電流總畸變率為4.44%，對應JP=8.00 A。

3.2.3 平穩運行階段

第247～321 s為平穩運行階段，取該階段的周波進行分析，部分實時錄波波形見圖11。

經計算，I=442 A 時，電流總畸變率為2.29%，對應JP=1.38 A。

3.2.4 制動階段

第323～410 s為制動階段，取該階段的周波進行分析，部分實時錄波波形見圖13。

圖9 緩慢加速階段部分實時錄波波形（I=354 A）

圖10 各次諧波幅值統計（I=354 A）

圖11 平穩運行階段部分實時錄波波形（I=442 A）

對該階段內周波進行傅里葉分解，得到各次諧波分量，各次諧波幅值統計（95%概率大值）見圖12。

圖12 各次諧波幅值統計（I=442 A）

圖13 制動階段部分實時錄波波形（I=292 A）

對該階段內周波進行傅里葉分解，得到各次諧波分量，各次諧波幅值統計（95%概率大值）見圖14。

圖14 各次諧波幅值統計（I=292 A）

經計算，I=292 A 時，電流總畸變率為2.32%，對應JP=1.51 A。

4 諧波抑制措施

C型高通濾波器具有濾除高次諧波的性能，且基波有功功率損耗幾乎為零，特別適合抑制動車組諧波電流在牽引供電系統內部傳遞時可能產生的諧波諧振問題。C型高通濾波器結構原理見圖15。

圖15 C型高通濾波器結構原理

C型高通濾波器阻抗Zc可以表示為：

式中：XL、XC2、XC1、R分別為C 型高通濾波器電感L、電容C1、電容C2 和電阻R 的阻抗值；n為諧波次數；ω1為基波角頻率。

可得C型高通濾波器的阻頻特性方程為：

為驗證C型高通濾波器對諧波的抑制效果，搭建牽引供電系統模型，并在牽引網中注入動車組諧波電流。

牽引變電所饋線處電流波形（濾波前后）見圖16，濾波前電流總諧波畸變率為5.06%，C 型高通濾波器濾波后電流總諧波畸變率降為2.92%。

圖16 牽引變電所饋線處電流波形

對比C型高通濾波器投入前后各次諧波電流頻譜變化（見圖17）可以看出，C型高通濾波器可有效濾除諧波電流，特別對高次諧波電流的抑制效果尤為明顯，驗證了其良好的高通濾波特性。

圖17 采用C型高通濾波器前后各次諧波電流頻譜分布

5 結論

計及某型高速動車組運行工況，根據現場測試結果，分析了牽引供電系統諧波分布特性，主要結論如下：

（1）動車組在急加速或起步狀態下、基波電流小于100 A時，各次諧波含有率普遍偏高，這是由低功率工況時車載變流器工作特性決定的。

（2）動車組在牽引運行狀態下，基波電流達到300 A，諧波電流畸變率為4.0%左右；基波電流達到400 A 以上時，諧波電流畸變率低于2.50%，JP值小于1.50 A，滿足相關標準限值要求。

（3）動車組在再生制動狀態下，基波電流達到292 A，諧波電流畸變率低于2.32%，JP小于1.50 A，滿足相關標準限值要求。

（4）動車組不同運行工況下均存在一定高次諧波含量，提出在牽引變電所采用C型高通濾波器，可有效抑制牽引供電系統潛在的高次諧波諧振風險。