高速動車組網側諧波含量放大現象的分析＊

黃 金，陸 陽，張 波

（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

隨著京滬高速鐵路的開通，設計速度350km／h的新一代高速動車組大規模投入應用。動車組在投入運用之前進行了大量的型式試驗和科學研究試驗，驗證高速動車組運行安全性和穩定性的同時，也發現了許多控制軟件的漏洞并得到及時更正，保證了高速動車組運營質量。2011-01-09試驗過程中，兩列高速動車組在同一供電臂區間運行時，其中一列動車組主斷無法閉合，或閉合后自動跳開，嚴重影響動車組的正常運行。通過對試驗數據的分析，確定該問題是由于網側諧波含量過大導致網壓瞬時值過高引起的。

本文通過對動車組脈沖整流器諧波特性的理論分析，結合現場試驗數據，分析事故發生的原因。最終認為是由于諧波源動車組脈沖整流器載波移相控制邏輯出現錯誤導致了網側高次諧波被放大，接觸網電壓被注入大量高次諧波成分，引起同一供電臂下其他動車組監測的瞬時網壓過大導致了過壓保護。在此基礎上動車組生產廠家調整四象限脈沖整流器載波移相控制邏輯，成功解決了同一供電臂下兩列動車組不能同時運行的問題，保證了試驗的正常進行。

1 動車組網側諧波特性分析

1.1 單脈沖整流器諧波分布理論分析

對于單個脈沖整流器來說，其控制方式采用雙閉環控制［1］。電壓外環采用PI控制器使得實際的直流側電

壓Ud跟蹤直流側電壓給定值，從而保持直流側電壓穩定。電流內環主要使實際的網側電流iN跟蹤給定的網側電流，實現單位功率運行。的幅值和頻率通過PI電壓外環控制器和鎖相環（PLL）得到。由此分析，在電壓外環PI控制器中，由于實際直流側電壓有2次紋波，則其輸出的幅值表達式也含有2倍電網頻率的分量，將其與鎖相環采樣得到的與電網同頻率的正弦信號相乘，得到網側電流的給定值，其中必然含有3次諧波，實際網側電流跟蹤給定的網側電流，則最終實際網側電流iN就含有較大3次諧波。與上述分析相同，iN中的3次諧波通過整流器后，必然會導致網側電流iN含有5次諧波，依次類推，從理論分析上可以得出，網側電流中3，5，7，9，11等奇次諧波含量較大。

該型動車組脈沖整流器的開關頻率為1 250Hz，則載波比N=1 250／50=25。由于采用單極性SPWM調制，三角載波與正弦調制波相比較來產生PWM驅動信號，其具有對稱性，則網側電流含有的偶次諧波含量較低，主要以奇次諧波為主。

由于開關頻率遠遠大于調制波頻率，則在一個開關周期內，可以認為調制信號為一恒定量。網側電流在一個開關周內變化為5次，則可以認為網側電流含有兩倍開關頻率左右的諧波，由上分析，電流只含有奇次諧波，則高次諧波主要分布在：2N±1、2N±3、2N±5等諧波。由于載波比N=25，則高次諧波主要分布在43，45，47，49，51，53，55次等。

圖1 三電平脈沖整流器網側電流頻譜分布（仿真結果）

圖1為一個三電平脈沖整流器的網側電流諧波特性仿真結果，系統的開關頻率為1 250Hz。由于可以看出低次諧波主要分布在3，5，7，9次，高次諧波主要分布在兩倍開關頻率左右的43，45，47，49，51，53，55次，驗證了上述分析的正確性。

1.2 多重化整流器的載波移相分析

在電力牽引交流傳動系統中，由于大功率的開關器件開關頻率較低，為了提高系統的容量和減小網側輸入電流的諧波含量，通常脈沖整流器采用多重化技術。多重化技術的原理是通過變壓器耦合的方式將多個相同結構的整流單元按串聯或并聯的方式組合而成。對于多重化脈沖整流器的調制，采用載波移相技術，其原理是各單元整流器采用共同的調制波，將各單元整流器的三角載波相位相互依次錯開一個相同的相位角π／N′（N′為整流器的單元數），然后利用PWM技術中的波形生成方式和載波移相技術中的移相疊加得到階狀波，這樣做的好處是可以使脈沖整流器輸入電流的高次諧波互相錯開，并在變壓器一次側電流的諧波總量中使部分諧波相互抵消［2］。

由于同一列動車組不同整流器間的三角載波互相錯開90°，多臺整流器的輸入電流高次諧波的峰頂和峰谷正好錯開，使電流的高次諧波相互抵消一部分，在變壓器一次側可以得到更接近正弦波的電流波形。實際上，所抵消高次諧波的頻率分布在兩倍開關頻率左右。圖2和圖3分別為牽引變壓器二次側兩個繞組的電流頻譜分布的定性仿真結果。圖4為牽引變壓器一次側電流的頻譜分布仿真結果。仿真結果證明，通過載波移相技術能夠很好的消除一次側電流分布在兩倍開關頻率左右的高次諧波，即相當于提高系統兩倍的等效開關頻率。

圖2 牽引變壓器二次側繞組1的電流iN1的頻譜分布

圖3 牽引變壓器二次側繞組2的電流iN2的頻譜分布

圖4 牽引變壓器一次側繞組電流的頻譜分布

2 試驗結果分析

試驗過程中，由于條件限制無法監測動車組所有動力單元的網側電氣參數，因此選取單個動力單元的兩組脈沖整流器作為測試對象。在無法取得總網流的情況下，本文以網側電壓諧波含量分析為基準，二者的定性分布情況基本相同。圖5為諧波源動車組單個動力單元脈沖整流器主電氣線路接線圖，該型動車組脈沖整流器為二極管鉗位型（NPC）三電平脈沖整流器。

圖5 諧波源動車組單個動力單元主電氣線路接線圖

圖6 2011－01－09諧波源動車組網側電壓波形

圖6為2011-01-09該型動車組監測到的網壓波形。從試驗結果來看，網壓瞬時值含有大量諧波成分，圖中網壓最大瞬時值接近70kV。這對網壓有嚴格要求的動車組來說，長時間高瞬時值的網壓必然會引起高壓系統的過壓保護，甚至導致避雷器等高壓設備的擊穿。

對該電壓瞬時值做諧波分析，得到圖7的網壓諧波分布。從結果看出，相對正常情況下的網側諧波含量，2011-01-09試驗過程中，網側電壓在該型動車組脈沖整流器兩倍開關頻率、4倍開關頻率左右的高次諧波被放大，直接影響到注入網側電壓的諧波總量，導致了網壓瞬時值過大。從網壓諧波分析結果來看，諧波分布的相對位置與理論分析相同，但部分頻次諧波幅值發生了較大變化。低次諧波含量未有明顯增加，在理想的可控范圍內；高次諧波含量明顯增加，遠遠超出了脈沖整流器的設計控制范圍。按照理論分析，載波移相控制后的脈沖整流器應盡可能的抑制兩倍開關頻率及4倍開關頻率處的高次諧波含量，由此推測動車組運行過程中，單脈沖整流器的控制程序不存在漏洞，造成網側電壓諧波含量增加的原因在于多整流器載波移相出現了邏輯問題。

圖7 2011－01－09試驗網壓諧波分析

圖8為試驗過程中動車組不同牽引變壓器原邊電流。從圖中看出，各變壓器原邊電流間并無明顯移相錯位情況，圖中幾個動力單元的輸入電流接近重合（考慮采集設備同步問題后）。試驗結果證明動車組運行中脈沖整流器移相控制策略的邏輯發生錯誤或功能缺失。各脈沖整流器產生的高次諧波沒有被消除反而被放大疊加，導致了網側諧波含量增加，網壓瞬時值變大。

圖8 動車組不同動力單元牽引變壓器原邊電流

4 結束語

通過對動車組脈沖整流器工作時網側諧波分布的分析，結合現場試驗數據，定性的分析了動車組試驗過程中網側諧波含量過大的現象，有針對性的找出了問題的原因。通過動車組生產廠家對脈沖整流器控制軟件的復查和確認，發現由于中央控制單元和牽引變流器啟動的時間差異，導致該型動車組多臺牽引變流器間未錯開一定角度順序開啟。2011-01-16動車組生產商對脈沖整理器控制邏輯進行了修改，增加啟動延時和信號確認，保證了各四象限變流器的均勻錯相，使網側諧波大為減少，從而驗證了理論分析的正確性。

［1］J.Arrillaga，A.Medina，M.Lisboa，M.A.Cavia，and P.Sanchez，“The harmonic domain.Aframe of reference for power system harmonic analysis.”IEEE Trans，Power Syst，vol.10，no.1，pp.433-440，1994.

［2］J.Shen and N.Butterworth.Analysis and design of a threelevel PWM converter system for railway-traction applications.Proceeding of International Electrical Engneering：E-lectric Power application，Vol.144，No.5，pp.357-371，Sep，1997.