宋永豐， 陸　陽

(中國鐵道科學研究院　機車車輛研究所， 北京 100081)

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動車組網(wǎng)側(cè)諧波抑制技術(shù)研究

宋永豐， 陸陽

(中國鐵道科學研究院機車車輛研究所， 北京 100081)

闡述了動車組諧波產(chǎn)生的原因及多重四象限載波移相控制的原理，并通過試驗的方式驗證了載波移相控制的效果，試驗結(jié)果表明，載波移相控制技術(shù)能有效地降低動車組網(wǎng)側(cè)諧波含量。

動車組； 多重化； 載波移相； 諧波

近幾年，我國動車組發(fā)展迅速，越來越多的動車組投入運用，動車組傳動方式主要為依靠電力電子器件變換的交直交傳動方式。大量電力電子器件的應用，導致電網(wǎng)存在諧波含量高、功率因數(shù)低、三相不平衡等問題，對公網(wǎng)產(chǎn)生惡劣影響[1]。如何提高動車組用電性能，降低電網(wǎng)污染是當前亟待解決的難題。

1　諧波電流產(chǎn)生的由來

圖1為PWM整流器主電路拓撲，根據(jù)PWM整流器特點，通過恰當?shù)腜WM模式，能控制PWM變流器的輸出直流電壓，而且可控制變流器網(wǎng)側(cè)交流電流的大小和相位，使其接近正弦波并與電網(wǎng)電壓同相或反向，因而使系統(tǒng)的功率因數(shù)接近于±1。L1，C1為二次諧振濾波器，吸收2倍電網(wǎng)頻率脈動的諧波。

圖1　四象限整流器示意圖

目前四象限整流器通常采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，即包括直流電壓外環(huán)與交流電流內(nèi)環(huán)，單個整流器控制技術(shù)目前已經(jīng)較為成熟。然而對于動車組來說，器件開關(guān)頻率的限制及整車四象限整流器的配合控制是解決諧波問題的難點。

圖2為動車組運行時單個PWM整流器輸入電壓及電流，從圖2中可以看出，PWM工作時，通過開關(guān)器件的開閉，將電壓斬波成脈沖形式，電流為鋸齒波。從波形的趨勢可以看出，當器件開關(guān)頻率越高時，電壓脈沖也越多，產(chǎn)生的電流波形鋸齒也越多，電流波形越接近于正弦，諧波越小。

圖2　實測7分頻波形

2　動車組主要諧波抑制方式介紹

2.1三電平方式

圖3為三電平PWM整流器主電路拓撲，其主要應用于CRH2型動車組[2]，在同樣的開關(guān)頻率下三電平四象限輸入電流的THD要小于兩電平四象限[3]。同時，在同樣電壓等級的中間電壓下，三電平結(jié)構(gòu)由于同一橋臂下由4個IGBT耐壓，所以IGBT等級可以降低一個等級，如CRH380A中間電壓為2 800～3 100 V，使用的IGBT 3 300 V/1 500 A，CRH380B使用兩電平結(jié)構(gòu)，中間電壓2 800～3 600 V使用的IGBT為6 500/600 A。由于使用較低等級的IGBT，所以三電平結(jié)構(gòu)可以提高載波頻率以降低諧波。

圖3　三電平結(jié)構(gòu)主電路

2.2設(shè)置諧波濾波器

圖4為CRH1A動車組牽引主電路示意圖，CRH1A在高壓側(cè)設(shè)置濾波器，通過耦合，將諧波分量消耗于濾波器中，以降低網(wǎng)側(cè)諧波[4]。

圖4　網(wǎng)側(cè)諧波濾波器

2.3多重四象限載波移相控制技術(shù)

載波移相技術(shù)較多應用于兩電平結(jié)構(gòu)牽引變流器結(jié)構(gòu)中，單牽引變流器具有兩重四象限結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)示意圖參考某型動車組牽引單元主電路，如圖5所示。

在PWM整流器中產(chǎn)生的高頻諧波成分主要為：

(1)

其中：n,m為正整數(shù)

當n=1,3,5……時，m=2,4,6……；

當n=2,4,5……時，m=1,3,5……；

fs為調(diào)制波頻率，為50 Hz；

fc為載波頻率。

如圖5所示，牽引變壓器次邊有4個牽引繞組，每2個牽引繞組為一個牽引變流器四象限提供輸入，將同一牽引變流器四象限的2個輸入繞組電流之間相位差控制為180°，則可以消除部分高頻效率，僅存在以2fc及其整數(shù)倍成分的諧波。諧波成分主要為：

(2)

圖5　某型動車組牽引單元主電路示意圖

同理，當將一個牽引單元中牽引變壓器連接的2臺牽引變流器進行90°移相控制，則可以消除部分2fc的整數(shù)次諧波，僅僅存在以4fc及其整數(shù)倍諧波。當將兩個牽引單元中4臺牽引變流器進行45°移相控制，則可以消除部分4fc的整數(shù)次諧波，僅僅存在以8fc及其整數(shù)倍諧波[5]。

從移相效果可以看出來，當兩個牽引繞組進行180°移相，產(chǎn)生的效果相當于將四象限IGBT提高一倍的開關(guān)頻率，多個牽引繞組進行n重移相控制，則產(chǎn)生的效果即相當于將開關(guān)頻率提高至nfc。

3　實測試驗結(jié)果

以上3種技術(shù)在動車組中皆有應用，以某型動車組實際測試情況介紹將開關(guān)頻率提高和多重四象限移相控制的方法抑制諧波的效果。

某型動車組主電路如圖5所示，該型動車組采用動力分散式，每個牽引單元的牽引主電路設(shè)備主要由受電弓、避雷器、高壓主斷路器等高壓電器、牽引變壓器、2個牽引變流器(包括牽引控制單元)、8個牽引電機。能量傳遞可雙向傳動，在牽引工況時主要是從上往下傳遞，受電弓從接觸網(wǎng)接受25 kV，50 Hz的高壓交流電能，經(jīng)過安裝在車底架子上的主變壓器降壓，降壓后的交流電經(jīng)過牽引變流器四象限整流器變換后輸出直流電，為電機逆變器和輔助電源提供直流電源，電機逆變器把直流電逆變?yōu)轭l率可變、電壓可變的三相交流電驅(qū)動牽引電機運行，把電能轉(zhuǎn)換成牽引電機的機械能；電制動時把電機的機械能轉(zhuǎn)換成電能回饋電網(wǎng)。

在試驗時，為改進其諧波效果，嘗試提高器件開關(guān)頻率和全車多重四象限載波移相控制。

試驗1為驗證提高器件開關(guān)頻率后的繞組電流畸變情況。列車牽引滿級加速至恒功率區(qū)域，待其功率發(fā)揮穩(wěn)定后，記錄全車繞組電壓及電流，圖6和圖7分別為四象限開關(guān)頻率為350 Hz和450 Hz時的波形，試驗時，由于開關(guān)頻率提高，導致運行過程中出現(xiàn)牽引變流器過溫現(xiàn)象。結(jié)果分析如表1所示，從試驗結(jié)果可以看出，提高開關(guān)頻率可以有效降低諧波含量，但需要考慮器件所能承受的開關(guān)頻率及變流器的散熱設(shè)計。

圖6　350 Hz開關(guān)頻率下繞組電壓與電流

表1　不同開關(guān)頻率時單個牽引繞組電流THD值

試驗2為驗證全車多重四象限采用載波移相控制后的繞組電流畸變情況。列車在牽引發(fā)揮滿功率時的繞組電流見圖8，從上到下依次為單個牽引繞組電流，分別錯開相位；同變流器兩個牽引繞組電流疊加后波形；同變壓器四個牽引繞組電流疊加后波形。表2為對應波形的THD值。從試驗結(jié)果可以看出，通過移相控制后，牽引繞組感應至牽引變壓器原邊的諧波電流能有效地降低。

圖7　450 Hz開關(guān)頻率下繞組電壓與電流

圖8　載波移相控制下牽引繞組電流

電流分布THD%單個牽引繞組電流20.42個牽引繞組電流疊加6.084個牽引繞組電流疊加2.07

列車多重四象限采用載波移相控制后，列車網(wǎng)側(cè)電壓和電流畸變得到有效改善，圖9和表3為牽引工況列車滿功率發(fā)揮時網(wǎng)側(cè)電壓和變壓器原邊電流波形，經(jīng)計算，電壓和電流的畸變率分別為1.57%和1.92%，屬于一個較低的數(shù)值。

圖9　載波移相控制下網(wǎng)壓與原邊電流

測試量THD%網(wǎng)壓1.57變壓器原邊電流1.92

4　結(jié)束語

諧波是電網(wǎng)的主要污染源，諧波電流的注入，使牽引供電站變壓器噪聲增大，也容易產(chǎn)生過電壓，甚至發(fā)生爆炸。本文主要從動車組多重四象限載波移相控制方面敘述了諧波抑制技術(shù)，并給出了相關(guān)的試驗結(jié)果。試驗結(jié)果顯示，通過載波移相控制可以有效地降低網(wǎng)側(cè)諧波含量。

[1]葉斌．電力電子應用技術(shù)[M]．北京：清華大學出版社,2006．

[2]許韻武, 鄧小軍, 鄢桂珍, 等.CRH2型200 km/ h 動車組[ J] .機車電傳動, 2007(3):39 -44．

[3]劉玉潔，盛彩飛. 高速動車組網(wǎng)側(cè)電流諧波特性的研究[J]．電氣傳動,2010,40(1):33-37．

[4]張曙光．CRH1型動車組[M]．北京：中國鐵道出版社,2008．

[5]裴春興，康洪軍. 動車組諧波抑制技術(shù)研究[J]．鐵道車輛,2012,50(5):18-21．

Research of Traction Harmonic Suppression Technology for EMU

SONGYongfeng,LUYang

(Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081 China)

This paper described the reasons for EMU harmonic generation and the carrier phase shift principle of multiple control of four-quadrant rectifier . It's effect was verified by experiment, which results showed that the carrier phase shift technology can effectively reduce the harmonic content caused by EMU.

EMU; multiple control; carrier phase shift; harmonic

1008-7842 (2016) 03-0117-04

??)男，研究實習員(

2015-12-18)

U264.3+7

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.03.26