“復興號”CR400AF和CR400BF動車組重聯運行電氣負荷特性分析

袁博

【摘要】? ? 截止到2018年8月，在京津城際，“復興號”CR400AF、CR400BF動車組已完全取代“和諧號”CRH系列動車組。在復興號初步投運之際，對其兩種車型進行測試，掌握其電氣負荷特性及其對牽引供電系統電能質量的影響是非常有必要的。本文先簡述京津城際牽引供電系統和動車組交直交型牽引傳動系統，然后分析京津城際重聯運行的CR400AF、CR400BF動車組和地面變電所的各電氣量同步監測數據，給出了電壓和電流有效值、總諧波畸變率。本文基于實測數據評估了兩種型號的“復興號”動車組在實際線路上重聯運行的性能，為今后相應車型在高速鐵路全面投入使用時的牽引供電專業設計和運維人員提供了實用參考。

【關鍵詞】? ? 負荷特性? ? 電能質量? ? CR400AF? ? CR400BF? ? 實測數據

引言

350km/h速度等級的“復興號”動車組有CR400AF、CR400BF兩個車型，與CRH380A（L）/B（L）等既有車型，在電氣負荷特性上，例如負荷大小、諧波頻譜方面存在一定的差異。當新型的動車組重聯運行時，其大容量、高速度等特點對所在線路牽引供電系統供電能力、車網匹配特性提出了新的要求。

因此，對實際線路運行的新車型開展車網同步測試，再基于實測數據評估其運行性能很有必要，這也將為今后牽引供電系統的設計和運維人員提供實用的參考。

對于電力機車（包括動車組）電氣負荷特性的研究，不論是交直型還是交直交型，國內外都有不少研究成果，為本文對新車型的研究提供了方法參考。文獻[1]建立了一種交直型電力機車在牽引工況下的數學模型，利用牛頓一拉夫遜法進行迭代求解，得出電力機車的諧波電流。文獻[2]根據機車不同的運行方式建立機車模型，提出利用Laguerre多項式的逼近函數進行電力機車諧波電流估計。文獻[3]對高速機車以額定功率運行時諧波的動態特性進行了計算和分析，采用雙傅立葉級數和Bessel函數推導出PWM整流器諧波電壓的計算式。

文獻[4]在建立交直交型動車組Simulink仿真模型的基礎上，研究了動車組在再生制動時產生的諧波規律。文獻[5]以MATLAB/SimulinkK軟件為平臺，對CRH2型動車組在不同牽引工況和不同網壓下整流器網側電流的變化規律進行了分析與總結。文獻[6]利用Matlab/Simulink建立通用的高速動車組與牽引網的聯和仿真模型，對高速動車組的不同工況和不同出力下的諧波特性進行了仿真分析。

以上研究均是采用數學解析法與計算機仿真，其中數學解析法的數學推導過程較為復雜，數學公式難以表述列車在不同工況下的諧波的變化情況，其結果可能與實際運行數據存在較大的誤差;計算機仿真方法則沒有數學解析法的復雜推導過程，但由于實際列車參數等細節，特別是控制參數很難精確掌握，導致其結果與實際結果仍存在一定的差距;而通過實測法，可以直觀準確的得到列車運行數據，通過對實測數據的統計分析，尋找各電氣量的變化規律是一種可行的分析途徑。

本文借鑒實測法的方式，即通過對京津城際CR400AF與CR400BF動車組展開的實地測試，給出兩種型號動車組分別重聯運行時不同工況不同速度等級下的運行數據，并對其電氣負荷特性作出分析評估。

一、系統簡介

1.1京津城際牽引供電系統

京津城際鐵路全長約117km，起始于北京南站，終止于天津站。全線設武清和亦莊兩座變電所，AT分區所和變電所之間設AT所，設計最高行車速度為350km/h。

京津城際鐵路除北京南站與動車組走行線外，正線全部采用單相50Hz、交流2*25kV全并聯AT供電方式，圖1給出了全并聯AT供電方式結構圖，全線牽引變電所、AT分區所、AT所按無人值班設計。

全并聯AT供電方式[7]是在變電所出口處和每個自耦變壓器處將上下行牽引網的接觸線（T）、鋼軌（R）和負饋線（F）通過橫連線進行了連接，全并聯AT供電方式與不并聯的AT供電方式相比，減小了牽引網的阻抗、減小了電壓損失、降低了鋼軌電位、降低了對通信線路的干擾。

牽引變壓器是牽引變電所的核心設備，京津城際鐵路沿線的亦莊和武清牽引變電所各有4臺220kV/2*27.5kV牽引變壓器，其接線形式為VX接線，如圖2所示。

VX接線形式的牽引變壓器的原邊電流IA，IB，IC，與副邊電流IT1，IF1，IT2，IF2的關系為：

VX接線形式的牽引變壓器主要應用于AT供電方式下，變壓器二次側分為接觸線T和正饋線F兩個繞組，繞組中間接地。

1.2動車組電氣原理

1.2.1動車組牽引傳動系統簡介

“復興號”CR400AF和CR400BF動車組均為4動4拖設計，分為2個動力單元，每2節動車為1個動力單元，共用一臺牽引變壓器。整列車配置兩臺受電弓分別位于3車與6車。

牽引供電系統為單相工頻25kV交流電，車頂的受電弓將電能經牽引變壓器供給四象限整流器，四象限整流器將單相交流電整流成直流電，再由逆變器輸出三相交流電，供給牽引電機為機車輸出動力。

圖3為“復興號”動車組單個動力單元牽引傳動系統簡化示意圖，其采用交直交型主電路結構，牽引傳動系統主要由受電弓、主斷路器、牽引變壓器、整流器、中間直流環節、牽引逆變器、三相異步交流電機等組成，四象限整流器的性能表現決定了整個牽引傳動系統的電氣特性。

1.2.2四象限整流器簡介

參照PWM調制[9]的原理，進行PWM調制，就可以在四象限整流器橋臂的交流側產生正弦調制的電壓波形，波形中含有與三角載波有關頻率的高次諧波，但這些高次諧波只會使交流電流產生很小的脈動。如果忽略這種脈動，當正弦信號的頻率和電源頻率相同時，交流電流為頻率與電網頻率相同的正弦波。

忽略PWM諧波成分，四象限整流器網側等效電路如圖4所示。

整流器交流側回路KVL方程：。方程式中為電網電動勢，為電網電流，為調制電壓，LN為牽引變壓器二次側漏感，RN二次側漏阻，由此可知，當以電網電動勢為參考時，通過控制交流電壓，即可實現PWM整流器的四象限運行。

二、動車組電氣負荷特性分析

2.1試驗安排

為滿足實際運營線路的大運量，高速度要求，要求試驗中CR400AF與CR400BF動車組運行方式均為兩列8編組列車重聯運行，在京津城際分別進行不同速度等級下的往返試驗（北京南站-天津站），線路上沒有其他車型運行，并在受電弓相應的車廂監測列車的網壓和網流;同時在鐵路沿線的牽引變電所監測北京方向的母線電壓和各饋線電流。

2.2電壓，電流有效值及電壓THD

下面給出不同速度等級下，CR400AF和CR400BF動車組重聯運行時車上網壓，網流有效值及網壓THD曲線和地面變電所所監測的母線電壓，饋線電流以及T線電壓THD曲線，如圖5-6。

根據圖5-6給出的行車過程中動車組及地面變電所實測數據，可知：

1.CR400AF和CR400BF重聯動車組在不同等級下，車頂網壓波動均較小，在26.0-27.5kV范圍，CR400AF重聯動車組其中一列的最大取流在450A水平，CR400BF重聯動車組其中一列的最大取流在418A水平;

2.兩種車型車頂網壓畸變程度較小，網壓THD大部分時間處在1%-4%范圍，CR400AF停靠站時可達到40%，CR400BF停靠天津站時可達到5%，少數THD突出的散點為過分相數據;

3.兩種車型在行車試驗階段地面變電所母線電壓波動較小，在25.7-27.5kV范圍，未出現因車網高次諧波諧振引起的網壓大幅上升的情況，在行車至相應供電臂時，T線電壓總諧波畸變率集中在1.5%-5.5%之內，并且比較集中，并未出現高次諧波引起的諧振過電壓現象。

三、結論

本文介紹了京津城際的牽引供電系統的構成以及交直交型動車組的牽引傳動系統的工作原理，根據測試獲得的車網同步監控數據，給出了列車和地面變電所的電壓電流有效值，總諧波畸變率，對CR400AF與CR400BF動車組重聯運行的電氣負荷特性作出了評估，得出CR400AF與CR400BF動車組分別重聯運行時，牽引網電能質量良好。

參? 考? 文? 獻

[1]李建華，豆鳳梅，夏道止.韶山Ⅳ型電力機車諧波電流的分析計算[J].電力系統自動化，1999（16）：10-13.

[2]王剛，楊洪耕.基于Laguerre多項式的電力機車諧波電流估計[J].電力自動化設備，2006（06）：44-47.

[3]郭蕾，李群湛，劉煒，解紹鋒.額定功率下高速機車諧波特性的仿真分析[J].西南交通大學學報，2009，44（06）：835-840.

[4]李騫. CRH_2型動車組再生制動仿真及諧波分析[A]. 全國電壓電流等級和頻率標準化技術委員會.第六屆電能質量國際研討會論文集[C].全國電壓電流等級和頻率標準化技術委員會：全國電壓電流等級和頻率標準化技術委員會秘書處，2012：7.

[5]呂大霖，余健明.CRH2型動車組諧波電流仿真分析[J].西安理工大學學報，2012，28（04）：484-487.

[6]何正友，胡海濤，方雷，張民，高仕斌.高速鐵路牽引供電系統諧波及其傳輸特性研究[J].中國電機工程學報， 2011，31（16）：55-62.

[7]李芳菲. 基于機車實際功率模型的高鐵牽引供電能力分析研究[D].石家莊鐵道大學，2016.

[8]李倩. 高速鐵路牽引變壓器供電能力分析研究[D].石家莊鐵道大學，2015.

[9]劉玉潔. 高速列車牽引傳動系統直流電壓脈動機理及影響的研究[D].北京交通大學，2010.