孫傳銘

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島 266000）

當(dāng)前我國(guó)軌道交通行業(yè)高速發(fā)展，《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》（2016年調(diào)整）指出，到2025年高速鐵路規(guī)模將達(dá)到38000 km左右[1]。當(dāng)前高速鐵路大量新型大功率交-直-交型動(dòng)車組上線運(yùn)行[2-3]。新型動(dòng)車組所產(chǎn)生的諧波電流較傳統(tǒng)交-直型機(jī)車具有含量低、頻譜寬等特點(diǎn)，導(dǎo)致高次諧波問題較為突出，容易引起“車-網(wǎng)”耦合匹配問題，同時(shí)也會(huì)干擾沿線通信線路[4-5]。由于動(dòng)車組發(fā)射的諧波電流頻譜分布與車載變流器工作特性密切相關(guān)[6-7]，因此在分析牽引供電系統(tǒng)諧波特性時(shí)必須考慮動(dòng)車組運(yùn)行工況。

1 電能質(zhì)量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及計(jì)算方法

GB/Z 17625.4—2000《電磁兼容限值中、高壓電力系統(tǒng)中畸變負(fù)荷發(fā)射限值的評(píng)估》［8]規(guī)定，總諧波電流綜合畸變率THDi計(jì)算如下：

式中：Ih為第h次諧波電流；IH為總諧波電流含量。

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

式中：IW為機(jī)車全電流；N為機(jī)車牽引電機(jī)臺(tái)數(shù)；Id為1 臺(tái)牽引電機(jī)的持續(xù)電流；KB為變壓器的變比；Sn為雜音評(píng)價(jià)系數(shù)。

根據(jù)國(guó)際電信電話咨詢委員會(huì)（CCITT）的規(guī)定，雜音評(píng)價(jià)系數(shù)見表1（摘出1～41次奇次諧波）。

表1 雜音評(píng)價(jià)系數(shù)

2 牽引供電系統(tǒng)諧波特性測(cè)試方法

電氣化鐵路牽引負(fù)荷是高壓電網(wǎng)中的一個(gè)不對(duì)稱畸變負(fù)荷，GB/Z 17625.4—2000 建議1 個(gè)完整的測(cè)試過程應(yīng)持續(xù)1周以上。針對(duì)電氣化鐵路，按運(yùn)行圖作業(yè)的運(yùn)輸周期為24 h，所以每個(gè)測(cè)試過程通常要求連續(xù)24 h以上。

測(cè)試分為地面測(cè)試和車輛測(cè)試2部分：

（1）地面測(cè)試部分。測(cè)試的牽引變電所裝設(shè)4臺(tái)單相牽引變壓器，組成2 套獨(dú)立的V/x 接線牽引變壓器，每臺(tái)變壓器額定容量為35 MVA，牽引變壓器高壓側(cè)接入220 kV電壓等級(jí)電網(wǎng)。牽引供電系統(tǒng)采用AT供電方式。對(duì)牽引變電所高壓側(cè)電壓、上下行饋線側(cè)電壓和上下行饋線側(cè)諧波進(jìn)行測(cè)量，測(cè)點(diǎn)布置見圖1，其中▲為測(cè)點(diǎn)位置。

（2）車輛測(cè)試部分。針對(duì)某型動(dòng)車組，網(wǎng)壓測(cè)量接入位置為VN4，以記錄動(dòng)車組運(yùn)行過程中供電網(wǎng)網(wǎng)壓輸入電壓變化情況，網(wǎng)流從PAN 進(jìn)入牽引變壓器間母線獲取，諧波特性測(cè)試示意見圖2。

圖2 某型動(dòng)車組諧波特性測(cè)試示意圖

3 計(jì)及動(dòng)車組運(yùn)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(cè)試時(shí)間為20 min。1 個(gè)周波的采樣點(diǎn)數(shù)為512 個(gè)，用每一秒內(nèi)的50 個(gè)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)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(shí)段有負(fù)載。主要分析典型動(dòng)車組工況下的電流各項(xiàng)指標(biāo)。取具有代表性的一段數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（見圖4）。該動(dòng)車組電流畸變情況的時(shí)間過程曲線見圖5，電流畸變情況隨電流大小變化的趨勢(shì)見圖6。

圖3 錄波過程中電流有效值曲線

圖4 負(fù)載情況下電流有效值曲線

圖5 負(fù)載情況下電流總畸變率時(shí)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(wěn)運(yùn)行階段，第323～410 s為制動(dòng)階段。主要針對(duì)這4個(gè)階段分別進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖6 負(fù)載情況下電流總畸變率隨電流變化趨勢(shì)

3.2 饋線側(cè)測(cè)試數(shù)據(jù)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(jìn)行分析，部分實(shí)時(shí)錄波波形見圖7。

圖7 急加速階段部分實(shí)時(shí)錄波波形（I=82 A）

對(duì)這個(gè)時(shí)段內(nèi)的周波進(jìn)行傅里葉分解，得到各次諧波分量，各次諧波幅值統(tǒng)計(jì)（95% 概率大值）見圖8。

圖8 各次諧波幅值統(tǒng)計(jì)（I=82 A）

經(jīng)計(jì)算，I=82 A 時(shí)，電流總畸變率為16.6%，電流畸變比較嚴(yán)重，對(duì)應(yīng)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(jìn)行分析，部分實(shí)時(shí)錄波波形見圖9。

對(duì)該階段內(nèi)周波進(jìn)行傅里葉分解，得到各次諧波分量，各次諧波幅值統(tǒng)計(jì)（95%概率大值）見圖10。

經(jīng)計(jì)算，I=354 A 時(shí)，電流總畸變率為4.44%，對(duì)應(yīng)JP=8.00 A。

3.2.3 平穩(wěn)運(yùn)行階段

第247～321 s為平穩(wěn)運(yùn)行階段，取該階段的周波進(jìn)行分析，部分實(shí)時(shí)錄波波形見圖11。

經(jīng)計(jì)算，I=442 A 時(shí)，電流總畸變率為2.29%，對(duì)應(yīng)JP=1.38 A。

3.2.4 制動(dòng)階段

第323～410 s為制動(dòng)階段，取該階段的周波進(jìn)行分析，部分實(shí)時(shí)錄波波形見圖13。

圖9 緩慢加速階段部分實(shí)時(shí)錄波波形（I=354 A）

圖10 各次諧波幅值統(tǒng)計(jì)（I=354 A）

圖11 平穩(wěn)運(yùn)行階段部分實(shí)時(shí)錄波波形（I=442 A）

對(duì)該階段內(nèi)周波進(jìn)行傅里葉分解，得到各次諧波分量，各次諧波幅值統(tǒng)計(jì)（95%概率大值）見圖12。

圖12 各次諧波幅值統(tǒng)計(jì)（I=442 A）

圖13 制動(dòng)階段部分實(shí)時(shí)錄波波形（I=292 A）

對(duì)該階段內(nèi)周波進(jìn)行傅里葉分解，得到各次諧波分量，各次諧波幅值統(tǒng)計(jì)（95%概率大值）見圖14。

圖14 各次諧波幅值統(tǒng)計(jì)（I=292 A）

經(jīng)計(jì)算，I=292 A 時(shí)，電流總畸變率為2.32%，對(duì)應(yīng)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(dòng)車組諧波電流在牽引供電系統(tǒng)內(nèi)部傳遞時(shí)可能產(chǎn)生的諧波諧振問題。C型高通濾波器結(jié)構(gòu)原理見圖15。

圖15 C型高通濾波器結(jié)構(gòu)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(shù)；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(yàn)證C型高通濾波器對(duì)諧波的抑制效果，搭建牽引供電系統(tǒng)模型，并在牽引網(wǎng)中注入動(dòng)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(duì)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(duì)高次諧波電流的抑制效果尤為明顯，驗(yàn)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(jié)論

計(jì)及某型高速動(dòng)車組運(yùn)行工況，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，分析了牽引供電系統(tǒng)諧波分布特性，主要結(jié)論如下：

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

（2）動(dòng)車組在牽引運(yùn)行狀態(tài)下，基波電流達(dá)到300 A，諧波電流畸變率為4.0%左右；基波電流達(dá)到400 A 以上時(shí)，諧波電流畸變率低于2.50%，JP值小于1.50 A，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限值要求。

（3）動(dòng)車組在再生制動(dòng)狀態(tài)下，基波電流達(dá)到292 A，諧波電流畸變率低于2.32%，JP小于1.50 A，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限值要求。

（4）動(dòng)車組不同運(yùn)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(tǒng)潛在的高次諧波諧振風(fēng)險(xiǎn)。