牵引供电系统谐波特性测试分析及抑制方案研究

王延青

摘 要：目前，交-直-交型动车组带来的高次谐波问题日益凸显，不但导致牵引供用电品质恶化，而且对沿线铺设的通信电缆产生干扰，直接影响铁路运输安全。因此，本文对典型线路牵引供电系统和机车谐波特性进行现场测试，总结牵引变电所和动车组谐波分布特征。在此基础上，为了降低谐波影响，提出使用高通滤波器的解决方案，并通过仿真验证该方案的有效性。

关键词：牵引供电系统;高次谐波;抑制方案

中图分类号：U223.63文献标识码：A文章编号：1003-5168（2018）32-0122-03

Analysis the Impact and Solution of the High-order Harmonic

in Traction Power Supply System

WANG Yanqing

（Electrification Department， China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.，Xian Shaanxi 710043）

Abstract： At present， the problem of high-order harmonics caused by AC-DC-AC EMUs has become increasingly prominent， which not only deteriorates the quality of traction power supply， but also interferes with the communication cables laid along the lines， directly affecting the safety of railway transportation. Therefore， this paper conducted field test on typical traction power supply system and locomotive harmonic characteristics， and summarized the harmonic distribution characteristics of traction substation and EMU. On this basis， in order to reduce the harmonic effect， a solution using high-pass filter was proposed， and the effectiveness of the solution was verified by simulation.

Keywords： traction power supply system;high-order harmonic;suppression scheme

為了满足大功率牵引的需求，中国推广应用基于交-直-交变流技术的高速动车组和电力机车，主要包括CRH系列、HXD系列等。与传统的交-直型电力机车相比，由于其采用PWM控制技术和大功率电力电子开关器件（IGBT、IGCT等），交直交型电力机车具有不同的谐波电流频谱特性，主要表现为高次谐波频谱更宽、高次谐波含量显著[1-3]。近年来，不少电气化区段都发生了高次谐波电流引起的谐振现象，如京哈线、京津城际、合武客专等，不但造成了牵引供电设备的过电压和过电流烧损，而且引起了信号系统中轨道电路高次谐波干扰问题，严重威胁牵引供电系统和信号系统的运行安全，对铁路正常运输秩序产生了不良影响[4，5]。

本文对某条高速铁路的谐波分布情况进行现场测试，解析了牵引变电所和动车组谐波分布特征，并结合测试结果，分析牵引回流对信号电缆的影响机理。最后，为了降低影响，提出了使用高通滤波器解决高次谐波问题。

1 牵引供电系统谐波特性分析

1.1 牵引变电所谐波电流分布

图1至图3为某牵引变电所一次侧三相电压综合谐波畸变率分布。

表1为牵引变电所电压综合畸变率的95%概率值和最大值统计结果。可见，该所三相电压谐波总畸变率不满足国标规定（95%概率大值为2%）。

图4为牵引变电所一次侧电压畸变最严重的C相频谱特性。从图4可以看出，30～50次谐波电压含量显著。

1.2.1 牵引工况。图5为牵引工况时网压、网流的波形。

图6为牵引工况时，牵引网电流频谱。从图6可知，30～50次谐波频段谐波电流含量显著。

1.2.2 制动工况。图7为制动工况时的网压、网流波形。

2 高次谐波抑制措施

为了降低牵引供电气产生的谐波对电力系统的危害，需要对其进行治理。对牵引供电系统来说，在滤除高次谐波方面，目前采用最为广泛的是高通滤波器[6，7]。

二阶高通滤波器由电感L、电阻R和电容C构成。拓扑结构如图9所示。

在高频下，二阶高通滤波器的滤波效果与一阶滤波器的效果类似。并联电感L的存在，一方面可以与电容C构成特定谐波下的单调谐通路;另一方面，可以减少电阻R在基波下的有功功率损失。

对于二阶高通滤波器，h次谐波下的阻频特性表达为：

[ZFilter=-jXch+jRhXlR+jhXL=RhXL2R2+hXL2+jR2hXLR2+hXL2-XCh]            （1）

其流过的电流为：

[IFh=UhZFilterh]                                  （2）

电阻器R中的电流为：

[IRh=XLhR2+X2LhIFh]                            （3）

在MATLAB仿真平台上构建上述牵引供电系统和滤波器模型，以CRH1型动车组为例，仿真结果如图10和图11所示。从图上可知，高通滤波器能将高次谐波滤除，使谐波畸变率减小。目前，可以在牵引所、AT所或分区所的T母线和F母线处安装滤波器。但是，为了提高滤波器的滤波效果，牵引变电所是首选位置。为了确认不同滤波器安装位置对滤波效果的影响，需要核实测量点，其中牵引变电所二次侧T母线和F母线是首选位置，这是因为其直接与一次侧系统相连。

3 结语

交-直-交型机车引起的高次谐波问题已经对电力系统的安全运行产生了严重影响。本文对典型高速铁路的谐波分布情况进行现场测试，解析牵引变电所和动车组谐波分布特征。为了减小高次谐波对电力系统的影响，提出使用高通滤波器的解决方案，为工程应用提供依据。

参考文献：

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[4]周凯，赵庆杰，吴科，等.牵引机车中的高频谐波对电缆终端热点的影响[J].高电压技术，2016（11）：3601-3606.

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[6]邵洋，陈丽华，胡海涛，等.基于C型与单调谐滤波器组合的高铁牵引供电系统谐波治理方法[J].铁道学报，2018（4）：52-59.

[7]周廷冬，徐永海，王金浩.考虑电气化铁路谐波特性的无源滤波器设计[J].电力电容器与无功补偿，2017（3）：12-18.