動車組牽引變壓器濾波繞組作用效果研究*

黃 金， 陸 陽， 王雅婷， 劉詩佳， 黃 楓

(1 中國鐵道科學(xué)研究院 機車車輛研究所，北京 100081；2 北京縱橫機電技術(shù)開發(fā)公司，北京 100094)

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動車組牽引變壓器濾波繞組作用效果研究*

黃 金1， 陸 陽1， 王雅婷1， 劉詩佳2， 黃 楓1

(1 中國鐵道科學(xué)研究院 機車車輛研究所，北京 100081；2 北京縱橫機電技術(shù)開發(fā)公司，北京 100094)

針對某型動車組牽引變壓器濾波繞組的濾波效果展開研究，結(jié)合動車組主電路結(jié)構(gòu)及載波移相控制策略對其網(wǎng)側(cè)諧波進(jìn)行理論分析、仿真對比、實車試驗驗證。結(jié)果表明，既有動車組動力單元較多時，網(wǎng)側(cè)牽引繞組數(shù)量也相應(yīng)增多，可以通過載波移相技術(shù)有效的將高頻諧波移至更高頻處，而不需要額外增加濾波電路進(jìn)行高次諧波的濾波。

動車組； 濾波繞組； 諧波

隨著科技的發(fā)展、先進(jìn)制造和控制技術(shù)在動車組上的廣泛應(yīng)用，動車組快捷、舒適、低能耗、環(huán)保等特點得到完美的展現(xiàn)。如牽引傳動系統(tǒng)中廣泛采用的電力電子元器件和脈寬調(diào)制技術(shù)，不僅可以實現(xiàn)能量的雙向流動，還可以保證網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近于1，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。然而，在實際運用中電力電子元器件和脈寬調(diào)制技術(shù)也有其固有的一些特征，會對外部供電環(huán)境產(chǎn)生影響，動車組運行時產(chǎn)生的諧波即是需要重點關(guān)注和解決的問題[1]。

動車組網(wǎng)端諧波包括低次諧波及高次諧波，低次諧波主要由四象限變流器數(shù)字化控制策略產(chǎn)生，高次諧波由四象限脈沖整流器開關(guān)器件導(dǎo)通/關(guān)斷產(chǎn)生。可以通過軟件及硬件兩種方式對網(wǎng)側(cè)諧波進(jìn)行抑制。軟件方面，可以通過優(yōu)化的控制及調(diào)制策略抑制低次諧波，通過載波移相技術(shù)抑制高次諧波。硬件方面，可以通過增加變壓器漏感、增加直流側(cè)LC濾波電路、增加直流側(cè)支撐電容容量等方式抑制低次諧波的產(chǎn)生；部分動車組在四象限變流器輸入側(cè)設(shè)置RC濾波電路對高次諧波進(jìn)行抑制，如在牽引變壓器二次側(cè)設(shè)置濾波繞組及濾波電路，重點對采用該種牽引變壓器形式的某型動車組網(wǎng)側(cè)諧波分布及含量進(jìn)行探討，通過仿真分析及試驗數(shù)據(jù)驗證，對其牽引變壓器濾波繞組的作用效果進(jìn)行探討。

1 理論分析

1.1 動車組牽引系統(tǒng)

該型動車組(8編組)牽引傳動系統(tǒng)由3個牽引變壓器組成，其中兩個變壓器各負(fù)責(zé)向兩輛動車供電，第3組變壓器只向一輛動車供電。每輛動車牽引系統(tǒng)包括一臺網(wǎng)側(cè)變流器LCM，負(fù)責(zé)向兩臺電機逆變器MCM和一個輔助變流器ACM供電。每臺變壓器也在每個隔離繞組上裝一個網(wǎng)側(cè)諧波濾波器[2]。繞組結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。單臺牽引變壓器主電路高壓部分示意圖如圖2所示。

圖1 某型動車組牽引變壓器繞組結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 動車組牽引系統(tǒng)諧波抑制措施

(1)軟件濾波

網(wǎng)側(cè)變流器之間采用移相進(jìn)行諧波抑制。圖3為牽引變壓器、網(wǎng)側(cè)變流器橋和網(wǎng)側(cè)諧波濾波器脈沖移相模式示意，3個變壓器5個LCM綜合后的脈沖相移為18°。

IGBT的PWM開關(guān)頻率為450 Hz，因此每個橋?qū)a(chǎn)生頻率900，1 800，2 700，3 600 Hz～9 000 Hz等為中心的邊頻諧波。一個牽引系統(tǒng)的兩重變流器按移相調(diào)制模式控制，其IGBT的開或關(guān)將會交錯開，理想情況下在網(wǎng)側(cè)900，2 700 Hz頻率附近的諧波會相互抵消，因此，最低次的諧波就是分布在1 800 Hz中心的邊頻，如1 650，1 750，1 850，1 950 Hz等。

圖2 某型動車組主電路高壓部分示意圖

圖3 載波移相示意圖

動車組的5個獨立的牽引系統(tǒng)可進(jìn)一步按移相調(diào)制模式進(jìn)行控制，相互錯開觸發(fā)，這樣1 800 Hz和3 600 Hz兩邊的諧波就會在網(wǎng)側(cè)相互抵消，因此最低諧波頻率變?yōu)?×1 800 Hz=9 000 Hz的邊頻，其振幅已非常低了。

(2)濾波繞組

歐洲運用的動車組大多為短編組類型，2編組或3編組型式，共2組牽引變壓器，分別給兩節(jié)動車供電，牽引繞組較少。圖4為國外某型動車組編組示意圖。

由于國外某型動車組牽引繞組較少，因此牽引變壓器繞組間的載波移相效果并不明顯，以四象限變流器開關(guān)頻率450 Hz為例，如存在兩組牽引繞組，則網(wǎng)側(cè)電流

圖4 國外某型動車組動力配置圖

高次諧波分布在1 800 Hz附近的奇次諧波。該型動車組RC濾波器參數(shù)為：濾波電阻1.2 Ω，濾波電容100 uF，為高通濾波器，幅頻特性如圖5所示，對于國外某型動車組來說，濾波效果明顯。

圖5 某型動車組RC濾波電路幅頻特性

但對于本文討論的動車組來說，由于動車數(shù)量較多，且單動車組存在兩組牽引繞組，根據(jù)1.1節(jié)，載波移相控制技術(shù)已將高次諧波移頻更高次的9 000 Hz左右，現(xiàn)存的RC濾波器對于高頻諧波的抑制作用已經(jīng)可以忽略，載波移相技術(shù)完全可以滿足抑制高頻諧波的要求。

2 仿真分析

2.1 動車組帶RC濾波器仿真結(jié)果

根據(jù)該型動車組主電路結(jié)構(gòu)及控制邏輯，對有無RC濾波器動車組網(wǎng)側(cè)諧波進(jìn)行分析。仿真框圖如圖6所示。

圖6 動車組網(wǎng)側(cè)諧波仿真框圖

圖7為牽引繞組電流，圖8為牽引繞組電流諧波分析。圖9為動車組網(wǎng)端電流，圖10為網(wǎng)流諧波分析。從圖中可以看到，牽引繞組電流低次諧波主要集中在3,5,7,9等奇次諧波，高次諧波分布在900 Hz附近奇次諧波，總諧波含量達(dá)到17.68%。經(jīng)載波移相后，網(wǎng)流中高次諧波含量明顯降低，主要諧波分布在3,5,7,9等低次諧波，總諧波含量減小到1.85%。

2.2 動車組取消RC濾波器仿真結(jié)果

取消RC濾波繞組后再次進(jìn)行仿真，圖11為牽引繞組電流，圖12為牽引繞組電流諧波分析。圖13為動車組網(wǎng)端電流，圖14為網(wǎng)流諧波分析。從圖中可以看到，牽引繞組電流低次諧波主要集中在3,5,7,9等奇次諧波，高次諧波分布在900 Hz附近奇次諧波，總諧波含量達(dá)到17.73%。經(jīng)載波移相后，網(wǎng)流中高次諧波含量明顯降低，主要諧波分布在3,5,7,9等低次諧波，總諧波含量減小到1.99%。

圖7 帶濾波繞組動車組牽引繞組電流圖

圖8 帶濾波繞組動車組牽引繞組電流圖

圖9 帶濾波繞組動車組網(wǎng)端電流圖

圖10 帶濾波繞組動車組網(wǎng)端電流諧波分析

從仿真結(jié)果來看，有無濾波繞組對網(wǎng)側(cè)諧波影響并不明顯，仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果一致。

2.3 兩動車仿真結(jié)果

對于兩節(jié)動車的主電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，兩節(jié)動車各配置一臺牽引變壓器，單動車牽引繞組仍采用兩重化結(jié)構(gòu)， RC濾波電路及主電路參數(shù)參照CRH1型動車組。

圖11 取消RC濾波器動車組牽引繞組電流圖

圖12 取消RC濾波器動車組牽引繞組電流諧波分析

圖13 取消RC濾波器動車組網(wǎng)端電流圖

圖14 取消RC濾波器動車組網(wǎng)端電流諧波分析

當(dāng)帶RC濾波器時，仿真結(jié)果網(wǎng)側(cè)電流諧波分量如圖15所示，諧波總含量2.33%，高次諧波集中在1 500～2 000 Hz。

當(dāng)取消RC濾波器時，仿真結(jié)果網(wǎng)側(cè)電流諧波分量如圖16所示，諧波總含量4.44%，1 800 Hz左右諧波含量明顯增加。

從仿真結(jié)果可以看到，有無RC濾波電路對網(wǎng)側(cè)諧波電流影響較大，尤其是1 800 Hz左右的高次諧波影響尤為明顯。當(dāng)編組數(shù)量較少時(國外某型動車組)，由于可用于載波移相的牽引繞組較少，高次諧波分布集中在1 800 Hz左右，采用牽引變壓器濾波繞組對網(wǎng)側(cè)特征次諧波電流有很好的抑制作用。

圖15 帶RC濾波器網(wǎng)側(cè)電流諧波分析

圖16 取消RC濾波器網(wǎng)側(cè)電流諧波分析

3 實車試驗結(jié)果分析

針對牽引變壓器有無RC濾波電路的某型動車組進(jìn)行線路諧波測試試驗。

試驗中拆除3輛動車牽引變壓器濾波繞組接線，并進(jìn)行了軟件處理，防止相應(yīng)故障報出。

圖17為帶RC濾波器時，某型動車組牽引滿級網(wǎng)側(cè)電流，圖18為帶RC濾波器時，某型動車組牽引滿級網(wǎng)側(cè)電流諧波分布，總網(wǎng)流223 A，總諧波含量1.03%，無1 800 Hz左右的高次諧波。表1為各主要諧波含量。

圖19為無RC濾波器時，某型動車組牽引滿級網(wǎng)側(cè)電流，圖20為無RC濾波器時，某型動車組牽引滿級網(wǎng)側(cè)電流諧波分布，總網(wǎng)流227 A，總諧波含量1.12%，表2為各主要諧波含量。

圖17 帶RC濾波器時，某型動車組牽引滿級網(wǎng)側(cè)電流

圖18 帶RC濾波器時，某型動車組牽引滿級網(wǎng)側(cè)電流諧波分布

低次諧波電流諧波含量%(相對于基波)高次諧波電流諧波含量%(相對于基波)30．60290．0450．08310．0570．06330．0890．03350．08370．05

從試驗結(jié)果看，某型動車組牽引滿級運行時，有無RC濾波繞組對網(wǎng)側(cè)諧波含量影響較小，試驗結(jié)果與理論分析結(jié)果一致。

圖19 無RC濾波器時，某型動車組牽引滿級網(wǎng)側(cè)電流圖

圖20 無RC濾波器時，某型動車組牽引滿級網(wǎng)側(cè)電流諧波分布

低次諧波電流諧波含量%(相對于基波)30．7850．2070．0690．02110．06

4 實車試驗結(jié)果分析

對于動力單元較少的動車組，由于網(wǎng)側(cè)牽引繞組較少，因此無法通過合理的載波移相技術(shù)對網(wǎng)側(cè)高次諧波進(jìn)行濾除，可通過添加網(wǎng)側(cè)濾波電路的形式來抑制高次諧波，濾波電路的濾波頻率及參數(shù)需根據(jù)整流電路高次諧波的分布進(jìn)行核算。

對于動力單元較多的動車組，由于網(wǎng)側(cè)牽引繞組較多，因此可以通過載波移相技術(shù)有效的將高頻諧波移至更高頻處(不影響軌道電路及信號傳輸頻率的前提下)，而不需要額外增加濾波電路，通過仿真及試驗驗證了某型動車組在取消濾波繞組后對網(wǎng)側(cè)諧波的影響，結(jié)果與理論分析一致。

[1] 馮曉云.電力牽引交流傳動及其控制系統(tǒng)(第1版)[M].北京：高等教育出版社，2009.

[2] 張曙光.CRH1型動車組(第1版)[M].北京：中國鐵道出版社，2008.

Research on the Effect of Traction Transformer's Filtering Winding

HUANGJin1,LUYang1,WANGYating1,LIUShijia2,HUANGFeng1

(1 Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China; 2 Beijing Zongheng Electromechanical Technology Development Company，Beijing 100094, China)

In this paper, the effect of the traction transformer's filtering winding was analyzed. Theoretical analysis, simulation comparison and actual vehicle test were done to analyze the harmonic combined with the EMU's main circuit structure and carrier phase shift control strategy. The result shows that the high frequency harmonics can be moved to a higher frequency if the EMU has a large number of traction units. As there is a large number of traction winding, the RC circuit will be unnecessary in the EMU.

EMU; filtering winding; harmonic

1008-7842 (2015) 03-0059-04

*鐵路總公司科技開發(fā)計劃項目(Z2013-J006)

男，助理研究員(

2015-01-08)

U266.2.3+6

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.14