计及动车组运行工况的牵引供电系统谐波特性分析及抑制方案研究

孙传铭

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266000）

当前我国轨道交通行业高速发展，《中长期铁路网规划》（2016年调整）指出，到2025年高速铁路规模将达到38000 km左右[1]。当前高速铁路大量新型大功率交-直-交型动车组上线运行[2-3]。新型动车组所产生的谐波电流较传统交-直型机车具有含量低、频谱宽等特点，导致高次谐波问题较为突出，容易引起“车-网”耦合匹配问题，同时也会干扰沿线通信线路[4-5]。由于动车组发射的谐波电流频谱分布与车载变流器工作特性密切相关[6-7]，因此在分析牵引供电系统谐波特性时必须考虑动车组运行工况。

1 电能质量相关标准及计算方法

GB/Z 17625.4—2000《电磁兼容限值中、高压电力系统中畸变负荷发射限值的评估》［8]规定，总谐波电流综合畸变率THDi计算如下：

式中：Ih为第h次谐波电流；IH为总谐波电流含量。

对动车组等效干扰电流JP进行计算与分析。电力传输线中的各次谐波电流在通信回路上产生的杂音，在感性耦合干扰影响计算中是将电力传输线各次谐波电流用1 个800 Hz 的等效干扰电流来代替，具体计算如下［9]：

式中：IW为机车全电流；N为机车牵引电机台数；Id为1 台牵引电机的持续电流；KB为变压器的变比；Sn为杂音评价系数。

根据国际电信电话咨询委员会（CCITT）的规定，杂音评价系数见表1（摘出1～41次奇次谐波）。

表1 杂音评价系数

2 牵引供电系统谐波特性测试方法

电气化铁路牵引负荷是高压电网中的一个不对称畸变负荷，GB/Z 17625.4—2000 建议1 个完整的测试过程应持续1周以上。针对电气化铁路，按运行图作业的运输周期为24 h，所以每个测试过程通常要求连续24 h以上。

测试分为地面测试和车辆测试2部分：

（1）地面测试部分。测试的牵引变电所装设4台单相牵引变压器，组成2 套独立的V/x 接线牵引变压器，每台变压器额定容量为35 MVA，牵引变压器高压侧接入220 kV电压等级电网。牵引供电系统采用AT供电方式。对牵引变电所高压侧电压、上下行馈线侧电压和上下行馈线侧谐波进行测量，测点布置见图1，其中▲为测点位置。

（2）车辆测试部分。针对某型动车组，网压测量接入位置为VN4，以记录动车组运行过程中供电网网压输入电压变化情况，网流从PAN 进入牵引变压器间母线获取，谐波特性测试示意见图2。

图2 某型动车组谐波特性测试示意图

3 计及动车组运行工况的牵引变电所谐波特性分析

3.1 录波过程有效值

总测试时间为20 min。1 个周波的采样点数为512 个，用每一秒内的50 个周波的均方根值作为那一秒的有效值，则在15：40：21—16：00：21 的实测数据分析得出的上行T线电流有效值见图3。

由图3 可知，0～450 s 的时段有负载。主要分析典型动车组工况下的电流各项指标。取具有代表性的一段数据进行分析（见图4）。该动车组电流畸变情况的时间过程曲线见图5，电流畸变情况随电流大小变化的趋势见图6。

图3 录波过程中电流有效值曲线

图4 负载情况下电流有效值曲线

图5 负载情况下电流总畸变率时间过程曲线

由图4 可知，第100～106 s 为急加速阶段，第107～246 s为缓慢加速阶段，第247～321 s为平稳运行阶段，第323～410 s为制动阶段。主要针对这4个阶段分别进行数据分析。

图6 负载情况下电流总畸变率随电流变化趋势

3.2 馈线侧测试数据分析

3.2.1 急加速阶段

第100～106 s为急加速阶段，取该阶段的周波进行分析，部分实时录波波形见图7。

图7 急加速阶段部分实时录波波形（I=82 A）

对这个时段内的周波进行傅里叶分解，得到各次谐波分量，各次谐波幅值统计（95% 概率大值）见图8。

图8 各次谐波幅值统计（I=82 A）

经计算，I=82 A 时，电流总畸变率为16.6%，电流畸变比较严重，对应JP=4.50 A。

3.2.2 缓慢加速阶段

第107～246 s为缓慢加速阶段，取该阶段的周波进行分析，部分实时录波波形见图9。

对该阶段内周波进行傅里叶分解，得到各次谐波分量，各次谐波幅值统计（95%概率大值）见图10。

经计算，I=354 A 时，电流总畸变率为4.44%，对应JP=8.00 A。

3.2.3 平稳运行阶段

第247～321 s为平稳运行阶段，取该阶段的周波进行分析，部分实时录波波形见图11。

经计算，I=442 A 时，电流总畸变率为2.29%，对应JP=1.38 A。

3.2.4 制动阶段

第323～410 s为制动阶段，取该阶段的周波进行分析，部分实时录波波形见图13。

图9 缓慢加速阶段部分实时录波波形（I=354 A）

图10 各次谐波幅值统计（I=354 A）

图11 平稳运行阶段部分实时录波波形（I=442 A）

对该阶段内周波进行傅里叶分解，得到各次谐波分量，各次谐波幅值统计（95%概率大值）见图12。

图12 各次谐波幅值统计（I=442 A）

图13 制动阶段部分实时录波波形（I=292 A）

对该阶段内周波进行傅里叶分解，得到各次谐波分量，各次谐波幅值统计（95%概率大值）见图14。

图14 各次谐波幅值统计（I=292 A）

经计算，I=292 A 时，电流总畸变率为2.32%，对应JP=1.51 A。

4 谐波抑制措施

C型高通滤波器具有滤除高次谐波的性能，且基波有功功率损耗几乎为零，特别适合抑制动车组谐波电流在牵引供电系统内部传递时可能产生的谐波谐振问题。C型高通滤波器结构原理见图15。

图15 C型高通滤波器结构原理

C型高通滤波器阻抗Zc可以表示为：

式中：XL、XC2、XC1、R分别为C 型高通滤波器电感L、电容C1、电容C2 和电阻R 的阻抗值；n为谐波次数；ω1为基波角频率。

可得C型高通滤波器的阻频特性方程为：

为验证C型高通滤波器对谐波的抑制效果，搭建牵引供电系统模型，并在牵引网中注入动车组谐波电流。

牵引变电所馈线处电流波形（滤波前后）见图16，滤波前电流总谐波畸变率为5.06%，C 型高通滤波器滤波后电流总谐波畸变率降为2.92%。

图16 牵引变电所馈线处电流波形

对比C型高通滤波器投入前后各次谐波电流频谱变化（见图17）可以看出，C型高通滤波器可有效滤除谐波电流，特别对高次谐波电流的抑制效果尤为明显，验证了其良好的高通滤波特性。

图17 采用C型高通滤波器前后各次谐波电流频谱分布

5 结论

计及某型高速动车组运行工况，根据现场测试结果，分析了牵引供电系统谐波分布特性，主要结论如下：

（1）动车组在急加速或起步状态下、基波电流小于100 A时，各次谐波含有率普遍偏高，这是由低功率工况时车载变流器工作特性决定的。

（2）动车组在牵引运行状态下，基波电流达到300 A，谐波电流畸变率为4.0%左右；基波电流达到400 A 以上时，谐波电流畸变率低于2.50%，JP值小于1.50 A，满足相关标准限值要求。

（3）动车组在再生制动状态下，基波电流达到292 A，谐波电流畸变率低于2.32%，JP小于1.50 A，满足相关标准限值要求。

（4）动车组不同运行工况下均存在一定高次谐波含量，提出在牵引变电所采用C型高通滤波器，可有效抑制牵引供电系统潜在的高次谐波谐振风险。