京滬高鐵固鎮變電所直掛式高壓有源濾波器測試分析

劉勝勛，饒洪偉，沈建紅，徐春利，鄧振民

0 引言

隨著我國電氣化鐵路的快速發展，鐵路運輸在大眾日常出行和社會經濟發展中有著不可替代的作用，不同類型的機車負荷對牽引網造成不同的影響，傳統的交-直型電力機車主要產生3、5、7 次等諧波，且諧波電流含量較高[1]；交-直-交型動車組機車雖然低次諧波含量有所減少，但是高次諧波成分增加，容易引起牽引供電系統發生諧振，進而導致諧波電流增大，燒毀電氣設備[2]。究其原因，機車負荷具有非線性和波動性，導致大量負序和諧波電流注入到公共電力系統中，從而引起三相電壓不平衡和其他電能質量問題，這些問題嚴重影響電氣化鐵路牽引供電系統的穩定和安全運行[3]。因此，對牽引供電系統進行諧波綜合治理非常必要。

通過前期的大量現場測試、收集諧波數據，根據負荷特性和各種諧波含量，決定在京滬高速鐵路沿線選取具有代表性的牽引變電所進行諧波綜合治理試點工程，通過加裝有源濾波器和高通阻波無源濾波器進行諧波治理[4]。最終選定固鎮牽引變電所，并在該所兩供電臂T-N 間分別裝設高壓有源濾波裝置，高壓有源濾波器采用直接并聯在接觸網的方式。

1 直掛式高壓有源濾波器

1.1 設備介紹

高壓有源濾波器主要由進線開關柜、啟動柜、6 組功率單元柜、控制柜和箱體組成，進線27.5 kV電源通過變電所開關柜、戶外桿上隔離開關和進線戶外電抗器直接為裝置提供一次電源，不需要降壓處理，相當于并聯在接觸網，因此稱為直掛式高壓有源濾波器，其結構布置如圖1 所示。

圖1 直掛式高壓有源濾波器結構布置圖

進線開關柜采用斷路器，負責27.5 kV 電源并網接入裝置。啟動柜采用斷路器并聯電阻器，負責軟啟動為功率單元充電。功率單元部分由6 組相同的功率柜組成，每組功率柜放置9 級功率模塊，通過將各功率模塊級聯組成高壓APF（有源電力濾波器）功率回路。控制柜采用3 臺自主研發的ICP 控制箱并聯，1 臺為主控制器，負責采樣、上位機通信、主控制環運算；另外2 臺為從控制器，負責均壓控制運算。主、從控制器之間和功率模組與ICP之間均通過光纖通信方式連接。

1.2 技術方案設計

經過前期理論計算、模擬仿真及實踐經驗總結，從結構設計、主要元器件選型、絕緣設計、控制回路軟件算法設計等方面，提出最優的APF 裝置設計方案。

1.2.1 結構設計

整體采用箱體結構，便于安裝，減少占地面積，方便檢修。外殼采用雙層保溫結構，隔熱保溫，適合當地環境應用。箱體內部加裝散熱風扇，配自動啟停裝置，可根據箱內溫度自動控制風扇。功率單元柜是主要產熱部分，采用獨立散熱系統，將熱量直接散到戶外，避免熱量在箱內積聚。考慮雨水多潮氣大，每個柜體內均裝有大功率加熱器，根據濕度大小自動加熱除濕。

1.2.2 主要元器件選型

APF 功率單元采用51 個1700V-IGBT 功率模塊，形成級聯H 橋拓撲，1700V-IGBT 橋臂結構雜散、電感低，對母排、驅動等輔助器件的設計要求及生產工藝要求低，工業應用比較成熟；而功率單元的控制用電采用直接從直流母線經開關電源提供，1 700 V 等級的開關電源技術成熟，可靠性更高。1700V-IGBT 功率模塊在很多項目中得到應用驗證。

1.2.3 絕緣設計

功率單元柜選用SMC 絕緣材料。SMC 材料吸水性低，絕緣強度高，耐電痕化指數（PTI）高，穩定可靠，已在高壓電力電子產品中廣泛應用。模組對機殼最大耐壓為31.5 kV，所有模塊對地絕緣按35 kV 設計。

1.2.4 控制回路軟件算法設計

核心控制板采用DSP28377 芯片，單只芯片的計算能力強，同時，采用先進的組網聯合運算技術，APF 使用3 個核心控制板卡，整體計算能力得到了很大提高。主、從控制器和功率單元與ICP 之間均通過光纖通信方式連接。電流信號采集采用霍爾傳感器，可有效控制系統低頻和直流信號，減少干擾。信號線、控制線、電源線均采用屏蔽線纜，以排除干擾。均壓控制算法采用“瞬時均壓法”，即在一個控制周期內實現51 個功率模組電壓同時控制，避免了母線過壓現象。

2 測試數據分析

在京滬高鐵固鎮變電所對兩臺5 MV·A/27.5 kV 高壓APF 產品進行空載、無功補償和諧波補償運行測試，并實現在3 種不同功能下連續穩定運行。在各功能穩定運行期間，對系統數據進行采集，摘錄典型工況下高壓APF 產品投運前后的波形數據進行分析。

2.1 APF 未并網

APF 產品未并網期間，觀測機車負載電流變化情況，通過采集數據波形可觀測到負載電流存在暫態嚴重畸變、高頻諧波振蕩等復雜工況[5]。

2.1.1 負載電流高頻振蕩

負載電流存在21 次以上高頻諧波振蕩，會影響APF 的正常運行。圖2 所示為負載存在高頻諧波工況波形及FFT 分析。

圖2 負載存在高頻諧波工況分析

2.1.2 負載電流畸變

負載機車切入瞬間和暫態電流畸變瞬間，電流低頻諧波較大且存在較大直流偏移，易引起牽引網電壓的波動，進而影響APF 的穩定運行。圖3 所示為負載切入暫態工況波形及FFT 分析。

圖3 負載切入暫態工況分析

2.2 APF 空載運行

APF 空載運行指APF 直掛牽引網不進行無功補償及諧波補償，功率消耗僅用于穩定直流母線電壓，此時APF 輸出的補償電流很小。APF 空載測試目的主要是測試APF 可在各種惡劣工況下可靠穩定運行。

2.2.1 負載暫態變化

負載電流暫態變化過程中，APF 可穩定運行。負載暫態變化時電壓/電流波形如圖4 所示（圖形經局部放大處理）。

圖4 負載暫態變化時電壓/電流波形

2.2.2 負載大功率高頻振蕩

負載大功率運行期間，存在23、25、27 次等高頻諧波電流振蕩，導致電網電壓畸變。在此工況下，APF 可正常運行。圖5 所示為負載大功率高頻振蕩工況下波形分析。

圖5 負載大功率高頻振蕩工況分析

2.3 APF 無功補償

APF 直掛牽引網開啟無功補償功能，主要測試APF 可在各種惡劣工況下可靠穩定運行，并有效補償負載產生的無功消耗，補償的最大限值為182 A。下文分析典型工況下APF 穩定運行情況。

2.3.1 無機車運行

無機車運行期間，檢測到負載電流存在較小無功電流，經過APF 補償后，電網電流很小。圖6所示為無機車運行狀況下電流波形（局部放大處理）及電網電流、APF 補償電流和負載電流無功分量的幅值。由此可以看出，APF 可對負載中的無功分量進行有效補償。

圖6 無機車運行工況分析

2.3.2 負載小功率波動

負載存在小功率波動時，APF 可進行快速跟蹤補償，保證電網電流中的無功分量近似為零。圖7所示為負載小功率波動工況下電流波形（局部放大處理）及電網電流、APF 補償電流和負載電流無功分量的幅值。由此可以看出，APF 可對負載中的無功分量進行有效補償。

圖7 負載小功率波動工況分析

2.3.3 負載大功率波動

負載存在大功率波動時，APF 可進行快速跟蹤補償，保證電網電流中的無功分量近似為零。圖8所示為負載大功率波動時電流波形（局部放大處理）及電網電流、APF 補償電流和負載電流無功分量的幅值。由此可看出，APF 可對負載中的無功分量進行有效補償。

圖8 負載大功率波動工況分析

2.4 APF 諧波補償

APF 直掛牽引網開啟諧波補償功能，主要測試APF 可在各種惡劣工況下可靠穩定運行，并有效補償負載產生的諧波，當負載諧波頻次很多且各次諧波分量幅值很大時，諧波補償率會減小至APF 容量允許范圍內。下文分析典型工況下APF 穩定運行情況。

2.4.1 負載切入暫態

圖9 為負載切入暫態時電流波形（局部放大處理）、負載電流FFT 分析及電網電流FFT 分析。由此可看出，機車切入暫態瞬間，APF 可進行快速跟蹤補償，電網電流低頻諧波分量得到有效抑制。

圖9 負載切入暫態分析

2.4.2 負載小功率

圖10 為負載小功率時電流波形（局部放大處理）、負載電流FFT 分析及電網電流FFT 分析。由此可看出，經過APF 補償后，電網電流總諧波畸變率由36.27%減小至8.35%，電網電流中低次諧波分量得到有效抑制，但仍存在較多APF 補償能力之外的高次諧波分量。

圖10 負載小功率工況分析

2.4.3 負載動態變化

圖11 為負載動態變化時電流波形（局部放大處理）、負載電流FFT 分析及電網電流FFT 分析。由此可看出，經過APF 補償后，電網電流總諧波畸變率由5.71%減小至1.44%，表明負載動態變化時APF 可對負載電流低次諧波進行有效抑制。

圖11 負載動態變化工況分析

2.4.4 負載大功率穩態

圖12 為負載大功率穩態時電流波形（局部放大處理）、負載電流FFT 分析及電網電流FFT 分析。由此可看出，經過APF 補償后，電網電流總諧波畸變率由2.3%減小至0.96%，表明負載大功率穩態時APF 可對負載電流低次諧波進行有效抑制。

圖12 負載大功率穩態工況分析

3 結論

在京滬高鐵固鎮牽引變電所完成APF 設備的安裝調試，進行空載穩定運行、無功補償運行及諧波補償運行等多項測試。測試表明，在運行多種車型引起的復雜電網工況（如負載電流突變、負載高頻諧波振蕩以及電網閃變等）下，APF 設備可穩定掛網長期運行。

（1）在大、小、空負載及負載劇烈變化等工況下，APF 可實現無功快速跟蹤補償，實現5 MVar無功正常吸收，有載運行穩定可靠。

（2）在大、小、空負載及負載劇烈變化等工況下，APF 可實現諧波實時跟蹤抑制，可對電網電流2～13 次諧波進行有效抑制，電網電流總諧波畸變率大幅降低至3%以內，滿足國標要求，并在96 h 有載運行測試中實現穩定可靠運行。

（3）兩臺5 MV·A/27.5 kV 直掛式高壓有源濾波器功能完善、性能及關鍵指標優異，在高速鐵路牽引網的無功補償、諧波治理方面均取得了較好的效果。