线路谐波引起动车组辅助电源系统中间直流过压故障的分析*

高 翔，陆 阳，李杰波，黄 金

（中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081）

线路谐波引起动车组辅助电源系统中间直流过压故障的分析*

高 翔，陆 阳，李杰波，黄 金

（中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081）

某型采用辅助绕组供电方案的动车组在运行过程中多次出现辅助变流器中间电压过压故障，导致牵引系统停止工作，造成动车组停车且无法再次起动。为了分析故障原因，本论文首先介绍了动车组辅助供电系统的结构和充电逻辑，建立了辅助供电电源充电时的等效简化电路。并建立动车组辅助系统仿真模型，同时对某线路上运营的动车组和变电所开展跟踪测试，以仿真和跟踪测试的结果为基础，分析动车组辅助变流器故障原因，给出相应解决方案。

谐波；辅助变流器；过压故障

动车组的辅助供电系统为列车辅助设备如牵引冷却系统、网络控制系统、制动装置等设备提供电源，对于列车电气设备安全运行具有非常重要的作用。根据电路结构的不同，辅助电源输入分为两类：一类是由牵引变流器的中间直流环节供电，再由辅助变流器逆变为3相交流电源，另一类由主变压器抽出一个辅助绕组供电，先整流为直流电再逆变为3相交流电源。而采用辅助绕组供电需要辅助系统直接从主变压器取电，很容易受到接触网谐波和同一主变压器上的牵引变流器的影响，因此需要安装输入滤波装置抑制输入到辅助变流器中的高频分量。而滤波装置中的电容和电感具有特定的谐振频率，可能在某些谐波频率下形成谐振回路，出现谐波放大现象，导致辅助系统出现故障。

某型采用辅助绕组供电方案的动车组在运行过程中多次出现辅助变流器中间电压过压故障，导致牵引系统停止工作，造成动车组停车且无法再次起动。为分析故障发生的原因，本文首先介绍动车组辅助供电系统的结构和充电逻辑，建立辅助供电电源充电时的等效简化电路，并建立动车组辅助系统仿真模型，同时对某线路上运营的动车组和变电所开展跟踪测试，以仿真和跟踪测试的结果为基础，分析动车组辅助变流器故障原因，给出相应解决方案。

1　辅助系统电路结构

发生故障的动车组辅助变流器及输入、输出设备电路结构如图1，主要由主变压器、升压变压器、输入滤波回路、辅助变流器和输出滤波电路等部分构成。

图1　辅助变流器及输入、输出设备电路电路拓扑

辅助变流器及输入、输出设备电路各环节及主要作用：

（1）输入滤波回路：包括输入滤波电容器和输入滤波电抗器，降低从电网输入到辅助变流器的高频分量。

（2）辅助变流器：采用AC-DC-AC的主电路结构，由预充电电路、整流电路及逆变电路构成。中间直流环节电路的滤波电容器Cd将稳定的直流电压供给后端的逆变器，辅助逆变器将直流电压变换成为恒压恒频（CVCF）的三相交流电压。R为预充电电阻，K1为预充电开关，K2为接触器。辅助变流器开始工作时，通过改变K1和K2的开关状态切换充电模式；辅助变流器停止时，由放电接触器和放电电阻完成滤波电容器Cd的放电。

（3）输出LC滤波电路：包括输出滤波电抗器和输出滤波电容器，降低逆变器输出电压中由于功率器件调制所产生的高频谐波分量，使其输出正弦波电压。

1.1LCL滤波电路

升压变压器的漏感L1与输入滤波回路的输入滤波电容器C、输入滤波电抗器L2共同构成一个如图2的LCL滤波电路。与传统的单电感滤波电路相比，LCL滤波电路的优点突出：电感量取值降低，系统的功率密度大幅度增加，且具有更好的高频谐波抑制效果。

为了分析LCL滤波电路的性能，建立LCL滤波电路的简化模型电路如图2。

图2　LCL简化模型

从图中可以得到以下公式：

式中

us为滤波电路输入电压；ue为辅助变流器输入电压；uc为滤波电容两端电压；i1为滤波电路输入电流；i2为辅助变流器输入电流。

结合公式，可得滤波电路输入电压到输出电压的开环传递函数为：

s为复变量，典型的LCL滤波电路参数见表1，将该参数代入传递函数，可得到滤波电路传递函数的bode图，如图3，可以看出尽管LCL滤波电路具有多方面的优点，但频率响应存在一个由其物理参数决定的谐振峰。

表1　LCL滤波电路参数

可根据以下公式计算谐振频率：

L C L滤波电路的谐振峰约在873 H z附近。

图3　LCL滤波电路bode图

1.2辅助变流器中间电压充电过程分析

图4　辅助变流器中间电压充电电路

图5　充电电路简化图

辅助变流器中间电压充电时的过程可表示为如图4的带阻容负载的二极管桥式整流，其简化电路如图5。在整个充电过程中，电容电压表现反电势。当网压不含有谐波时，充电结果见图6。升压变压器输出电压us在每半个周期通过脉动电流对电容充电，在辅助变流器输入电压ue大于中间电压ud时，二极管导通，充电电流i2逐渐增大，在ud小于ue靠近峰值电压处，电流在电感的作用下达到极值，随后开始减小。电流为零时，二极管关闭，电容Cd的能量开始在电阻R上消耗，电容电压开始下降，直至下一次二极管导通充电。电容最终电压ud由充电电压ue的峰值决定。同时通过对比us和ue的波形可见，us在通过LCL滤波回路后发生了一定的畸变。

图6　充电结果示意图

1.3变流器中间电压的充电逻辑

在变流器预充电时，由于中间滤波电容的存在，会造成变流器在通电初始阶段有巨大的浪涌电流。为了防止充电电流对系统造成的危害，在变流器上电起始阶段必须接入一个充电电阻，限制充电电流的幅值，稳态时可通过开关旁路该电阻。

充电开关和主开关必须有严格的时序控制，以保证充电回路和变流器中间电路的安全性，并且在故障发生时能按照正确时序断开开关。动车组辅助变流器完整的充电逻辑时序，如图7所示：

（1）预充电阶段：闭合预充电开关K1，通过充电电阻对中间支撑电容进行充电；

（2）不控整流阶段：预充电一段时间后闭合短接接触器K2，同时断开充电接触器K1；

（3）PWM整流阶段：充电完成后启动PWM整流控制直流侧电压。

图7　辅助变流器充电控制时序图

2　故障原因分析

对故障动车组进行跟踪监测，故障发生在动车组长时间断电后，辅助变流器充电的第二阶段，即不控整流阶段。

辅助变流器正常充电下的中间电压Ud1与典型故障时的中间电压Ud2对比如图7，可见故障发生时，辅助变流器的中间电压超过1 000 V的保护阈值，引发动车组保护动作，开始快速放电，导致辅助变流器中间回路充电失败，动车组无法启动，在变电站检测到的网压波形及FFT分析见图8和图9。可以看到17次（850 Hz）、19次（950 Hz）、21次（1050 Hz）明显偏高，网压峰值最大超过40 kV。

图8　发生故障时变电站网压实测波形

图9　发生故障时实测变电站网压的FFT分析图

从上面的分析可以知道，输入电压在经过LCL滤波电路时，特定次谐波会被放大。如图10和图11，对比故障时输入电压us和输出电压ue同样可以发现，输出电压在850 Hz、950 Hz和1050 Hz发生了谐振，谐波含量明显增大，谐振点在LCL滤波回路的谐振峰附近。

图10　输入电压的FFT分析图

图11　输出电压的FFT分析图

3　仿真研究和结果分析

使用psim软件对上述辅助系统进行仿真，同时切除辅助变流器中间电压过压保护功能，设置仿真参数如表2。对比正常情况（网压中不含谐波）和在网压中含有850 Hz、950 Hz和1050 Hz谐波时的辅助变流器中间电压充电过程，如图12和图13。

表2　仿真参数

可见，当网压中没有含有谐波时，中间电压充至700V时在不控整流阶段达到平衡。当网压中含有10%左右的850，950，1 050 Hz谐波后，中间电压在不控整流阶段会持续升高，无法达到平衡，0.5s后充电超过1 000 V保护值，导致充电过程失败。当网压中含有其他次谐波时，中间电压在不控整流阶段可以达到平衡，充电过程正常。

图12　正常网压下辅助变流器中间电压

图13　加入17、19、21次谐波网压下辅助变流器中间电压

从试验结果和仿真结果可以看出，影响动车组充电故障的谐波次数主要为17，19，21次，谐波频率为850， 950，1 050 Hz。

因为辅助变流器的充电过程为不控整流时，充电电流为脉动电流，其幅值与中间电压和输入电压的幅值有关，如果此时输入电压严重畸变，尖峰电压则会对中间直流电压持续充电，造成辅助变流器过压故障。

4　解决方案

方案1：增加阻尼电阻。为消除网压中的特定次谐波在进入LCL滤波电路时发生的谐振现象，一般采用滤波电容串联阻尼电阻的办法使系统稳定。这种方法简单可靠，不需要改变控制器结构及参数，在工业上得到广泛应用。其缺点是：由于阻尼电阻的损耗，系统效率降低，同时因阻尼电阻发热，需增添相应冷却设备。

方案2：改变控制方式。由于该故障发生在不控整流阶段，其他阶段并没有受到影响。通过更改充电控制逻辑，增加直流电压反馈作为辅助整流器PWM开通的条件来避免故障的发生，同样能够收到很好的效果，控制流程图见图14，控制效果见图15。

图14　增加直流电压反馈后的控制流程图

图15　增加直流电压反馈后的辅助变流器中间电压和输入电压

当辅助变流器的整流电路启动后，中间直流电压就可以保持稳定。这是因为通常整流器的控制中采用了电压、电流双闭环的控制策略，如图16，图中PLL为锁相环，SPWM为调制环节。控制策略中，电压外环的输出做电流内环指令，电流内环则限制输入电流，使其快速跟踪电流，可以抑制辅助变流器输入电压尖峰的影响，使中间电压保持稳定。

图16　整流器双闭环控制策略

5　结 论

本文分析了某动车组辅助变流器中间电压过压故障的原因。通过分析LCL滤波电路的传递特性、建立辅助供电电源充电等效简化电路和运行试验结果，确认故障原因是由于辅助变流器前端的LCL滤波电路放大了接触网供电线路上的特定次谐波，导致充电时中间电压过压。并提出相应解决对策，改变辅助变流器充电控制方式无需更改硬件电路，简单可靠，仿真结果证明了这种控制策略有效可行，并在后期运用中得以广泛推广。

［1］ Keng-Weng LAO，Man-Chung WONG，Ning Yi DAI，Chi-Kong WONG.Design of LCL Filter for Harmonic Suppression in Co-phase Railway Power Quality Conditioner.Future Energy Electronics Conference（IFEEC）［J］.International.2013，（1）：794-799.

Analysis of Overvoltage Faults Caused by Catenary Harmony on Auxiliary Power Supply System

GAO Xiang，LU Yang，LI Jiebo，HUANG Jin
（Loco motive and Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

The overvoltage faults of auxiliary converter intermediate DC-link appeared frequently on a certain type EMU with the auxiliary winding.It made the traction system stop working and could not start again.In order to analyze the cause of failure，in this paper，we introduce the circuit structure and charging control scheme of EMU auxiliary power supply system.An equivalent simplified circuit of the auxiliary power supply charging process was proposed.Based on the above analysis，the EMU auxiliary power system simulation model is built.On the other hand，the test is carried out to reproduce the faults and collect the data.At last，the reason of the faults was analyzed and a reliable strategy to solve the problem was proposed.

harmonic；auxiliary converter；overvoltage faults

U264.5

A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2015.04.04

1008-7842（2015）04-0016-04

6—）男，助理研究员（

2014-12-22）

*中国铁路总公司科技研究开发计划项目（2013B001-A-1）