动车组牵引变压器滤波绕组作用效果研究*

黄 金， 陆 阳， 王雅婷， 刘诗佳， 黄 枫

(1 中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京 100081；2 北京纵横机电技术开发公司，北京 100094)



动车组牵引变压器滤波绕组作用效果研究*

黄 金1， 陆 阳1， 王雅婷1， 刘诗佳2， 黄 枫1

(1 中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京 100081；2 北京纵横机电技术开发公司，北京 100094)

针对某型动车组牵引变压器滤波绕组的滤波效果展开研究，结合动车组主电路结构及载波移相控制策略对其网侧谐波进行理论分析、仿真对比、实车试验验证。结果表明，既有动车组动力单元较多时，网侧牵引绕组数量也相应增多，可以通过载波移相技术有效的将高频谐波移至更高频处，而不需要额外增加滤波电路进行高次谐波的滤波。

动车组； 滤波绕组； 谐波

随着科技的发展、先进制造和控制技术在动车组上的广泛应用，动车组快捷、舒适、低能耗、环保等特点得到完美的展现。如牵引传动系统中广泛采用的电力电子元器件和脉宽调制技术，不仅可以实现能量的双向流动，还可以保证网侧功率因数接近于1，达到节能环保的目的。然而，在实际运用中电力电子元器件和脉宽调制技术也有其固有的一些特征，会对外部供电环境产生影响，动车组运行时产生的谐波即是需要重点关注和解决的问题[1]。

动车组网端谐波包括低次谐波及高次谐波，低次谐波主要由四象限变流器数字化控制策略产生，高次谐波由四象限脉冲整流器开关器件导通/关断产生。可以通过软件及硬件两种方式对网侧谐波进行抑制。软件方面，可以通过优化的控制及调制策略抑制低次谐波，通过载波移相技术抑制高次谐波。硬件方面，可以通过增加变压器漏感、增加直流侧LC滤波电路、增加直流侧支撑电容容量等方式抑制低次谐波的产生；部分动车组在四象限变流器输入侧设置RC滤波电路对高次谐波进行抑制，如在牵引变压器二次侧设置滤波绕组及滤波电路，重点对采用该种牵引变压器形式的某型动车组网侧谐波分布及含量进行探讨，通过仿真分析及试验数据验证，对其牵引变压器滤波绕组的作用效果进行探讨。

1 理论分析

1.1 动车组牵引系统

该型动车组(8编组)牵引传动系统由3个牵引变压器组成，其中两个变压器各负责向两辆动车供电，第3组变压器只向一辆动车供电。每辆动车牵引系统包括一台网侧变流器LCM，负责向两台电机逆变器MCM和一个辅助变流器ACM供电。每台变压器也在每个隔离绕组上装一个网侧谐波滤波器[2]。绕组结构图如图1所示。单台牵引变压器主电路高压部分示意图如图2所示。

图1 某型动车组牵引变压器绕组结构示意图

1.2 动车组牵引系统谐波抑制措施

(1)软件滤波

网侧变流器之间采用移相进行谐波抑制。图3为牵引变压器、网侧变流器桥和网侧谐波滤波器脉冲移相模式示意，3个变压器5个LCM综合后的脉冲相移为18°。

IGBT的PWM开关频率为450 Hz，因此每个桥将会产生频率900，1 800，2 700，3 600 Hz～9 000 Hz等为中心的边频谐波。一个牵引系统的两重变流器按移相调制模式控制，其IGBT的开或关将会交错开，理想情况下在网侧900，2 700 Hz频率附近的谐波会相互抵消，因此，最低次的谐波就是分布在1 800 Hz中心的边频，如1 650，1 750，1 850，1 950 Hz等。

图2 某型动车组主电路高压部分示意图

图3 载波移相示意图

动车组的5个独立的牵引系统可进一步按移相调制模式进行控制，相互错开触发，这样1 800 Hz和3 600 Hz两边的谐波就会在网侧相互抵消，因此最低谐波频率变为5×1 800 Hz=9 000 Hz的边频，其振幅已非常低了。

(2)滤波绕组

欧洲运用的动车组大多为短编组类型，2编组或3编组型式，共2组牵引变压器，分别给两节动车供电，牵引绕组较少。图4为国外某型动车组编组示意图。

由于国外某型动车组牵引绕组较少，因此牵引变压器绕组间的载波移相效果并不明显，以四象限变流器开关频率450 Hz为例，如存在两组牵引绕组，则网侧电流

图4 国外某型动车组动力配置图

高次谐波分布在1 800 Hz附近的奇次谐波。该型动车组RC滤波器参数为：滤波电阻1.2 Ω，滤波电容100 uF，为高通滤波器，幅频特性如图5所示，对于国外某型动车组来说，滤波效果明显。

图5 某型动车组RC滤波电路幅频特性

但对于本文讨论的动车组来说，由于动车数量较多，且单动车组存在两组牵引绕组，根据1.1节，载波移相控制技术已将高次谐波移频更高次的9 000 Hz左右，现存的RC滤波器对于高频谐波的抑制作用已经可以忽略，载波移相技术完全可以满足抑制高频谐波的要求。

2 仿真分析

2.1 动车组带RC滤波器仿真结果

根据该型动车组主电路结构及控制逻辑，对有无RC滤波器动车组网侧谐波进行分析。仿真框图如图6所示。

图6 动车组网侧谐波仿真框图

图7为牵引绕组电流，图8为牵引绕组电流谐波分析。图9为动车组网端电流，图10为网流谐波分析。从图中可以看到，牵引绕组电流低次谐波主要集中在3,5,7,9等奇次谐波，高次谐波分布在900 Hz附近奇次谐波，总谐波含量达到17.68%。经载波移相后，网流中高次谐波含量明显降低，主要谐波分布在3,5,7,9等低次谐波，总谐波含量减小到1.85%。

2.2 动车组取消RC滤波器仿真结果

取消RC滤波绕组后再次进行仿真，图11为牵引绕组电流，图12为牵引绕组电流谐波分析。图13为动车组网端电流，图14为网流谐波分析。从图中可以看到，牵引绕组电流低次谐波主要集中在3,5,7,9等奇次谐波，高次谐波分布在900 Hz附近奇次谐波，总谐波含量达到17.73%。经载波移相后，网流中高次谐波含量明显降低，主要谐波分布在3,5,7,9等低次谐波，总谐波含量减小到1.99%。

图7 带滤波绕组动车组牵引绕组电流图

图8 带滤波绕组动车组牵引绕组电流图

图9 带滤波绕组动车组网端电流图

图10 带滤波绕组动车组网端电流谐波分析

从仿真结果来看，有无滤波绕组对网侧谐波影响并不明显，仿真结果与理论分析结果一致。

2.3 两动车仿真结果

对于两节动车的主电路结构进行仿真，两节动车各配置一台牵引变压器，单动车牵引绕组仍采用两重化结构， RC滤波电路及主电路参数参照CRH1型动车组。

图11 取消RC滤波器动车组牵引绕组电流图

图12 取消RC滤波器动车组牵引绕组电流谐波分析

图13 取消RC滤波器动车组网端电流图

图14 取消RC滤波器动车组网端电流谐波分析

当带RC滤波器时，仿真结果网侧电流谐波分量如图15所示，谐波总含量2.33%，高次谐波集中在1 500～2 000 Hz。

当取消RC滤波器时，仿真结果网侧电流谐波分量如图16所示，谐波总含量4.44%，1 800 Hz左右谐波含量明显增加。

从仿真结果可以看到，有无RC滤波电路对网侧谐波电流影响较大，尤其是1 800 Hz左右的高次谐波影响尤为明显。当编组数量较少时(国外某型动车组)，由于可用于载波移相的牵引绕组较少，高次谐波分布集中在1 800 Hz左右，采用牵引变压器滤波绕组对网侧特征次谐波电流有很好的抑制作用。

图15 带RC滤波器网侧电流谐波分析

图16 取消RC滤波器网侧电流谐波分析

3 实车试验结果分析

针对牵引变压器有无RC滤波电路的某型动车组进行线路谐波测试试验。

试验中拆除3辆动车牵引变压器滤波绕组接线，并进行了软件处理，防止相应故障报出。

图17为带RC滤波器时，某型动车组牵引满级网侧电流，图18为带RC滤波器时，某型动车组牵引满级网侧电流谐波分布，总网流223 A，总谐波含量1.03%，无1 800 Hz左右的高次谐波。表1为各主要谐波含量。

图19为无RC滤波器时，某型动车组牵引满级网侧电流，图20为无RC滤波器时，某型动车组牵引满级网侧电流谐波分布，总网流227 A，总谐波含量1.12%，表2为各主要谐波含量。

图17 带RC滤波器时，某型动车组牵引满级网侧电流

图18 带RC滤波器时，某型动车组牵引满级网侧电流谐波分布

低次谐波电流谐波含量%(相对于基波)高次谐波电流谐波含量%(相对于基波)30．60290．0450．08310．0570．06330．0890．03350．08370．05

从试验结果看，某型动车组牵引满级运行时，有无RC滤波绕组对网侧谐波含量影响较小，试验结果与理论分析结果一致。

图19 无RC滤波器时，某型动车组牵引满级网侧电流图

图20 无RC滤波器时，某型动车组牵引满级网侧电流谐波分布

低次谐波电流谐波含量%(相对于基波)30．7850．2070．0690．02110．06

4 实车试验结果分析

对于动力单元较少的动车组，由于网侧牵引绕组较少，因此无法通过合理的载波移相技术对网侧高次谐波进行滤除，可通过添加网侧滤波电路的形式来抑制高次谐波，滤波电路的滤波频率及参数需根据整流电路高次谐波的分布进行核算。

对于动力单元较多的动车组，由于网侧牵引绕组较多，因此可以通过载波移相技术有效的将高频谐波移至更高频处(不影响轨道电路及信号传输频率的前提下)，而不需要额外增加滤波电路，通过仿真及试验验证了某型动车组在取消滤波绕组后对网侧谐波的影响，结果与理论分析一致。

[1] 冯晓云.电力牵引交流传动及其控制系统(第1版)[M].北京：高等教育出版社，2009.

[2] 张曙光.CRH1型动车组(第1版)[M].北京：中国铁道出版社，2008.

Research on the Effect of Traction Transformer's Filtering Winding

HUANGJin1,LUYang1,WANGYating1,LIUShijia2,HUANGFeng1

(1 Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China; 2 Beijing Zongheng Electromechanical Technology Development Company，Beijing 100094, China)

In this paper, the effect of the traction transformer's filtering winding was analyzed. Theoretical analysis, simulation comparison and actual vehicle test were done to analyze the harmonic combined with the EMU's main circuit structure and carrier phase shift control strategy. The result shows that the high frequency harmonics can be moved to a higher frequency if the EMU has a large number of traction units. As there is a large number of traction winding, the RC circuit will be unnecessary in the EMU.

EMU; filtering winding; harmonic

1008-7842 (2015) 03-0059-04

*铁路总公司科技开发计划项目(Z2013-J006)

男，助理研究员(

2015-01-08)

U266.2.3+6

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.14