高速铁路牵引供电系统谐波及其传输特性研究

高速铁路牵引供电系统谐波及其传输特性研究

尹计衡

中铁建电气化局集团南方工程有限公司， 湖北省 武汉市 430000

摘要：在高速铁路牵引供电系统运行阶段，对比电网系统，牵引供电系统具有方式多变、负荷移动等特点，同时系统下多条牵引网线之间分布电容、互感的存在，导致高速铁路牵引供电系统谐波电流传输特性具有高度复杂特点，尽管“交-直-交”动车组的投运一定程度能降低谐波，但牵引供电系统内谐波的传输仍旧是形成谐振过电压的重要因素。本文开展高速铁路牵引供电系统谐波及传输特性分析，在传输特性基础上提出谐波抑制措施，仅以本文研究成果供我国高速铁路在实践工作中借鉴、参考。

关键词：高速铁路；牵引供电网；谐波传输；谐波含有率

1.高速铁路牵引供电系统谐波传输特性

1.1 基于CRH2机车模型设计

为开展牵引供电系统谐波与传输特性分析，本次研究首先利用Simulink建立长度为1km的AT段牵引网模型：

图1 长度1km牵引网AT段线路模型

如图1所示，本次AT段线路模型整合了接触网、钢轨自感/互感系统、负馈线，利用五导体线路模型搭建AT网。随后，基于目前我国铁路集团大量投运的CRH2动车组为例，建立动车组机车仿真模型：

图2 基于CRH2动车组机车的模型

如图2，CRH2动车组机车模型由调制波模块、三电平整流桥、正弦脉宽调制控制信号、逆变器、负荷等多个模块组合而成，图中支撑电容、直流滤波电路分别为C₁/C₂、LC。采取电压型三电平逆变器空间适量PWM控制实现逆变器环节组件，整个模型SPWM调制方法结合双闭环控制策略实现。

1.2 动车组谐波特性分析

动车组运行阶段，当处于牵引工况、再生制动工况，机车电流谐波具有大致相同的分布趋势，机车低次谐波集中于3/5/7/9次，高次谐波集中于开关频率整数倍附近，例如100±7（奇数次）、50±5（奇数次）。再生制动工况下，电流谐波的畸变程度高于牵引工况，同时再生制动功率因数小于牵引工况。

目前，再生制动技术已被普及植入动车组机车制动系统，倘若多个机车处于不同运行工况，再生制动所产生的电流会被牵引之下的机车利用，不良电能将对变流、受流过程带来不利影响。当动车组机车处于高速运行阶段，线路条件、天气情况、过分相、人员操作的因素都会对列车产生影响，随着机车运行期间牵引负荷的不断变化，机车牵引电流将会产生巨大波动。图3为不同运行功率下的谐波特性：

图3 不同运行功率下的谐波特性

如图3，在两种工况之下，机车不同出力背景下的谐波分布趋势基本相同，第次谐波、高次谐波集中于3-9次与开关频率偶数倍。但是，随着牵引工况下机车功率下降，同一频率的谐波含量会增大，再生制动工况下，随再生功率的增长，同一频率谐波含量同样出现增大趋势。在这一过程中，机车的电流总谐波畸变率，会随着牵引功率逐渐增加而减小，随再生制动功率增加而变大，再生制动之下，电流总谐波畸变率＞5%，牵引工况下若机车＜3000kW功率，电流总谐波畸变率同样＞5%，这一现象充分说明，尽管再生制动、下坡减速运行期间功率的消耗有所降低，但亦会带来大量谐波问题。

1.3 牵引网谐波传输特性

1.3.1 车辆位置不变情况

在牵引网中，负荷会呈移动状态，牵引网不同位置，其电流特性、谐振均在不断变化。当机车位置不变，可以确定某一次谐波发生谐振的位置。当机车位于牵引网络末端时，牵引网不同位置的谐波放大趋势基本不变，因此牵引网谐振频率与车辆在牵引网络上的位置无关。机车离变电站越近，谐波放大系数越大。根据实验仿真结果显示，变电所部位的21次谐波放大倍数为23.7倍，75次与76次谐波在距离变电所20km、25km部位放大倍数均＞18倍，接触网在21倍、75倍工频附近产生谐振。随着同变电所距离的逐渐减小，谐波放大倍数逐渐增加，

1.3.2 车辆不同位置情况

谐波电流会增加变压器的杂散损耗和铜损耗，缩短变压器的使用寿命。谐波引起的附加损耗与电流和频率的平方成正比，这将降低变压器基频的负载容量，影响正常供电。仿真实验阶段，选取40km牵引长度，将机车分别模拟在10km、20km、30km、40km处，观察牵引变电所所处的谐波放大情况。仿真后，发现机车处于10km部位，43次谐波放大倍数＞20倍。机车处于20km部位，30次谐波放大倍数＞27倍，31次谐波放大倍数＞17倍。机车处于30km部位，23次-25次谐波放大相更加明显，可以看出，在相同的牵引网条件下，机车位置的变化会引起变电站谐波的变化。机车离变电站越近，谐波放大倍数越低。

1.3.3 供电区间牵引长度变化情况

通常，我国电气化铁路牵引供电系统会设置20km~40km长度的单相供电段，本次基于Simulink工具，模仿40km、35km、30km、25km牵引长度，分析不同长度下各处谐波放大情况。仿真结果见图4：

图4 不同牵引长度谐波放大仿真结果

观察图4可发现，当机车位于牵引末端，谐振频率不随牵引网位置变化。牵引长度为40km、35km期间，70次以上谐波一定程度放大，最大谐波放大次数为21次、31次。当牵引长度＜30km，放大谐波次数在35次-50次集中。牵引网长度分别位25km、30km、35km、40km情况下，牵引网谐波电流放大阶段最大谐波次数达到43次、35次、31次、21次，说明随着长度的增加，牵引网最大谐波放大频率逐渐降低，有着越低谐振频率，相同牵引网条件下，牵引网长度越大，并联分布电容值越高，谐振频率越低。

2.高速铁路牵引供电系统谐波抑制方案

对于高速铁路牵引供电系统谐波的抑制，可通过滤波装置的安装、限制电容器组投入数量以及增加环流装置相数实现有效抑制。

首先，可将无源滤波器装设在高速铁路牵引供电网滤波源部位，无源滤波器通过L、C原件组成谐振回路，可有效阻止高次谐波流入到电网中。同时，也可基于有源滤波器，利用其可控半导体原件向牵引供电系统中注入幅度大小相同但相位相反的谐波电流，让电流中谐波相互抵消。

其次，在电力系统中并联电容器，能够实现电压调节、功率因数校正功能，谐波注入后，一定条件下电容器将会放大谐波，故牵引供电系统线路设计阶段应合理减少电容器的投入数量。

再次，作为电力系统中常见的谐波源，环流装置合理增加相数可实现谐波的抑制。整流装置产生的谐波电流分量与脉动次数有关，谐波电流与谐波次数成反比。合理增加脉动次数可以增加整流装置产生的谐波数量，从而减少谐波产生的谐波电流，有效消除牵引供电网络中的低频和高辐射

结语

本文基于Simulink建立牵引网、高速列车仿真模型，利用模型仿真实验，对动车组谐波特性作出了分析，围绕车辆位置不变情况、车辆不同位置情况、供电区间牵引长度变化情况实现了牵引网谐波传输特性分析，并指出了高速铁路牵引供电系统谐波抑制方案，可供相关单位加以参考。与此同时，基于谐波对高速铁路牵引供电系统的不利影响，相关铁路部门应面向牵引电网进行统一的系统分析、测量，及时确定谐波源的位置以及谐波产生原因，并在谐波较大位置及时安装在线监测装置、持续性观察点，通过手机的可靠数据实现谐波的有效治理。

参考文献：

[1]姚金雄,张涛,林榕,等.牵引供电系统负序电流和谐波对电力系统的影响及补偿措施[J].电网技术,2018,32(9): 60-64.