線路諧波引起動車組輔助電源系統(tǒng)中間直流過壓故障的分析*

高 翔，陸 陽，李杰波，黃 金

（中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

線路諧波引起動車組輔助電源系統(tǒng)中間直流過壓故障的分析*

高 翔，陸 陽，李杰波，黃 金

（中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

某型采用輔助繞組供電方案的動車組在運行過程中多次出現(xiàn)輔助變流器中間電壓過壓故障，導(dǎo)致牽引系統(tǒng)停止工作，造成動車組停車且無法再次起動。為了分析故障原因，本論文首先介紹了動車組輔助供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和充電邏輯，建立了輔助供電電源充電時的等效簡化電路。并建立動車組輔助系統(tǒng)仿真模型，同時對某線路上運營的動車組和變電所開展跟蹤測試，以仿真和跟蹤測試的結(jié)果為基礎(chǔ)，分析動車組輔助變流器故障原因，給出相應(yīng)解決方案。

諧波；輔助變流器；過壓故障

動車組的輔助供電系統(tǒng)為列車輔助設(shè)備如牽引冷卻系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、制動裝置等設(shè)備提供電源，對于列車電氣設(shè)備安全運行具有非常重要的作用。根據(jù)電路結(jié)構(gòu)的不同，輔助電源輸入分為兩類：一類是由牽引變流器的中間直流環(huán)節(jié)供電，再由輔助變流器逆變?yōu)?相交流電源，另一類由主變壓器抽出一個輔助繞組供電，先整流為直流電再逆變?yōu)?相交流電源。而采用輔助繞組供電需要輔助系統(tǒng)直接從主變壓器取電，很容易受到接觸網(wǎng)諧波和同一主變壓器上的牽引變流器的影響，因此需要安裝輸入濾波裝置抑制輸入到輔助變流器中的高頻分量。而濾波裝置中的電容和電感具有特定的諧振頻率，可能在某些諧波頻率下形成諧振回路，出現(xiàn)諧波放大現(xiàn)象，導(dǎo)致輔助系統(tǒng)出現(xiàn)故障。

某型采用輔助繞組供電方案的動車組在運行過程中多次出現(xiàn)輔助變流器中間電壓過壓故障，導(dǎo)致牽引系統(tǒng)停止工作，造成動車組停車且無法再次起動。為分析故障發(fā)生的原因，本文首先介紹動車組輔助供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和充電邏輯，建立輔助供電電源充電時的等效簡化電路，并建立動車組輔助系統(tǒng)仿真模型，同時對某線路上運營的動車組和變電所開展跟蹤測試，以仿真和跟蹤測試的結(jié)果為基礎(chǔ)，分析動車組輔助變流器故障原因，給出相應(yīng)解決方案。

1　輔助系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)

發(fā)生故障的動車組輔助變流器及輸入、輸出設(shè)備電路結(jié)構(gòu)如圖1，主要由主變壓器、升壓變壓器、輸入濾波回路、輔助變流器和輸出濾波電路等部分構(gòu)成。

圖1　輔助變流器及輸入、輸出設(shè)備電路電路拓?fù)?/p>

輔助變流器及輸入、輸出設(shè)備電路各環(huán)節(jié)及主要作用：

（1）輸入濾波回路：包括輸入濾波電容器和輸入濾波電抗器，降低從電網(wǎng)輸入到輔助變流器的高頻分量。

（2）輔助變流器：采用AC-DC-AC的主電路結(jié)構(gòu)，由預(yù)充電電路、整流電路及逆變電路構(gòu)成。中間直流環(huán)節(jié)電路的濾波電容器Cd將穩(wěn)定的直流電壓供給后端的逆變器，輔助逆變器將直流電壓變換成為恒壓恒頻（CVCF）的三相交流電壓。R為預(yù)充電電阻，K1為預(yù)充電開關(guān)，K2為接觸器。輔助變流器開始工作時，通過改變K1和K2的開關(guān)狀態(tài)切換充電模式；輔助變流器停止時，由放電接觸器和放電電阻完成濾波電容器Cd的放電。

（3）輸出LC濾波電路：包括輸出濾波電抗器和輸出濾波電容器，降低逆變器輸出電壓中由于功率器件調(diào)制所產(chǎn)生的高頻諧波分量，使其輸出正弦波電壓。

1.1LCL濾波電路

升壓變壓器的漏感L1與輸入濾波回路的輸入濾波電容器C、輸入濾波電抗器L2共同構(gòu)成一個如圖2的LCL濾波電路。與傳統(tǒng)的單電感濾波電路相比，LCL濾波電路的優(yōu)點突出：電感量取值降低，系統(tǒng)的功率密度大幅度增加，且具有更好的高頻諧波抑制效果。

為了分析LCL濾波電路的性能，建立LCL濾波電路的簡化模型電路如圖2。

圖2　LCL簡化模型

從圖中可以得到以下公式：

式中

us為濾波電路輸入電壓；ue為輔助變流器輸入電壓；uc為濾波電容兩端電壓；i1為濾波電路輸入電流；i2為輔助變流器輸入電流。

結(jié)合公式，可得濾波電路輸入電壓到輸出電壓的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

s為復(fù)變量，典型的LCL濾波電路參數(shù)見表1，將該參數(shù)代入傳遞函數(shù)，可得到濾波電路傳遞函數(shù)的bode圖，如圖3，可以看出盡管LCL濾波電路具有多方面的優(yōu)點，但頻率響應(yīng)存在一個由其物理參數(shù)決定的諧振峰。

表1　LCL濾波電路參數(shù)

可根據(jù)以下公式計算諧振頻率：

L C L濾波電路的諧振峰約在873 H z附近。

圖3　LCL濾波電路bode圖

1.2輔助變流器中間電壓充電過程分析

圖4　輔助變流器中間電壓充電電路

圖5　充電電路簡化圖

輔助變流器中間電壓充電時的過程可表示為如圖4的帶阻容負(fù)載的二極管橋式整流，其簡化電路如圖5。在整個充電過程中，電容電壓表現(xiàn)反電勢。當(dāng)網(wǎng)壓不含有諧波時，充電結(jié)果見圖6。升壓變壓器輸出電壓us在每半個周期通過脈動電流對電容充電，在輔助變流器輸入電壓ue大于中間電壓ud時，二極管導(dǎo)通，充電電流i2逐漸增大，在ud小于ue靠近峰值電壓處，電流在電感的作用下達(dá)到極值，隨后開始減小。電流為零時，二極管關(guān)閉，電容Cd的能量開始在電阻R上消耗，電容電壓開始下降，直至下一次二極管導(dǎo)通充電。電容最終電壓ud由充電電壓ue的峰值決定。同時通過對比us和ue的波形可見，us在通過LCL濾波回路后發(fā)生了一定的畸變。

圖6　充電結(jié)果示意圖

1.3變流器中間電壓的充電邏輯

在變流器預(yù)充電時，由于中間濾波電容的存在，會造成變流器在通電初始階段有巨大的浪涌電流。為了防止充電電流對系統(tǒng)造成的危害，在變流器上電起始階段必須接入一個充電電阻，限制充電電流的幅值，穩(wěn)態(tài)時可通過開關(guān)旁路該電阻。

充電開關(guān)和主開關(guān)必須有嚴(yán)格的時序控制，以保證充電回路和變流器中間電路的安全性，并且在故障發(fā)生時能按照正確時序斷開開關(guān)。動車組輔助變流器完整的充電邏輯時序，如圖7所示：

（1）預(yù)充電階段：閉合預(yù)充電開關(guān)K1，通過充電電阻對中間支撐電容進(jìn)行充電；

（2）不控整流階段：預(yù)充電一段時間后閉合短接接觸器K2，同時斷開充電接觸器K1；

（3）PWM整流階段：充電完成后啟動PWM整流控制直流側(cè)電壓。

圖7　輔助變流器充電控制時序圖

2　故障原因分析

對故障動車組進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，故障發(fā)生在動車組長時間斷電后，輔助變流器充電的第二階段，即不控整流階段。

輔助變流器正常充電下的中間電壓Ud1與典型故障時的中間電壓Ud2對比如圖7，可見故障發(fā)生時，輔助變流器的中間電壓超過1 000 V的保護(hù)閾值，引發(fā)動車組保護(hù)動作，開始快速放電，導(dǎo)致輔助變流器中間回路充電失敗，動車組無法啟動，在變電站檢測到的網(wǎng)壓波形及FFT分析見圖8和圖9。可以看到17次（850 Hz）、19次（950 Hz）、21次（1050 Hz）明顯偏高，網(wǎng)壓峰值最大超過40 kV。

圖8　發(fā)生故障時變電站網(wǎng)壓實測波形

圖9　發(fā)生故障時實測變電站網(wǎng)壓的FFT分析圖

從上面的分析可以知道，輸入電壓在經(jīng)過LCL濾波電路時，特定次諧波會被放大。如圖10和圖11，對比故障時輸入電壓us和輸出電壓ue同樣可以發(fā)現(xiàn)，輸出電壓在850 Hz、950 Hz和1050 Hz發(fā)生了諧振，諧波含量明顯增大，諧振點在LCL濾波回路的諧振峰附近。

圖10　輸入電壓的FFT分析圖

圖11　輸出電壓的FFT分析圖

3　仿真研究和結(jié)果分析

使用psim軟件對上述輔助系統(tǒng)進(jìn)行仿真，同時切除輔助變流器中間電壓過壓保護(hù)功能，設(shè)置仿真參數(shù)如表2。對比正常情況（網(wǎng)壓中不含諧波）和在網(wǎng)壓中含有850 Hz、950 Hz和1050 Hz諧波時的輔助變流器中間電壓充電過程，如圖12和圖13。

表2　仿真參數(shù)

可見，當(dāng)網(wǎng)壓中沒有含有諧波時，中間電壓充至700V時在不控整流階段達(dá)到平衡。當(dāng)網(wǎng)壓中含有10%左右的850，950，1 050 Hz諧波后，中間電壓在不控整流階段會持續(xù)升高，無法達(dá)到平衡，0.5s后充電超過1 000 V保護(hù)值，導(dǎo)致充電過程失敗。當(dāng)網(wǎng)壓中含有其他次諧波時，中間電壓在不控整流階段可以達(dá)到平衡，充電過程正常。

圖12　正常網(wǎng)壓下輔助變流器中間電壓

圖13　加入17、19、21次諧波網(wǎng)壓下輔助變流器中間電壓

從試驗結(jié)果和仿真結(jié)果可以看出，影響動車組充電故障的諧波次數(shù)主要為17，19，21次，諧波頻率為850， 950，1 050 Hz。

因為輔助變流器的充電過程為不控整流時，充電電流為脈動電流，其幅值與中間電壓和輸入電壓的幅值有關(guān)，如果此時輸入電壓嚴(yán)重畸變，尖峰電壓則會對中間直流電壓持續(xù)充電，造成輔助變流器過壓故障。

4　解決方案

方案1：增加阻尼電阻。為消除網(wǎng)壓中的特定次諧波在進(jìn)入LCL濾波電路時發(fā)生的諧振現(xiàn)象，一般采用濾波電容串聯(lián)阻尼電阻的辦法使系統(tǒng)穩(wěn)定。這種方法簡單可靠，不需要改變控制器結(jié)構(gòu)及參數(shù)，在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。其缺點是：由于阻尼電阻的損耗，系統(tǒng)效率降低，同時因阻尼電阻發(fā)熱，需增添相應(yīng)冷卻設(shè)備。

方案2：改變控制方式。由于該故障發(fā)生在不控整流階段，其他階段并沒有受到影響。通過更改充電控制邏輯，增加直流電壓反饋作為輔助整流器PWM開通的條件來避免故障的發(fā)生，同樣能夠收到很好的效果，控制流程圖見圖14，控制效果見圖15。

圖14　增加直流電壓反饋后的控制流程圖

圖15　增加直流電壓反饋后的輔助變流器中間電壓和輸入電壓

當(dāng)輔助變流器的整流電路啟動后，中間直流電壓就可以保持穩(wěn)定。這是因為通常整流器的控制中采用了電壓、電流雙閉環(huán)的控制策略，如圖16，圖中PLL為鎖相環(huán)，SPWM為調(diào)制環(huán)節(jié)。控制策略中，電壓外環(huán)的輸出做電流內(nèi)環(huán)指令，電流內(nèi)環(huán)則限制輸入電流，使其快速跟蹤電流，可以抑制輔助變流器輸入電壓尖峰的影響，使中間電壓保持穩(wěn)定。

圖16　整流器雙閉環(huán)控制策略

5　結(jié) 論

本文分析了某動車組輔助變流器中間電壓過壓故障的原因。通過分析LCL濾波電路的傳遞特性、建立輔助供電電源充電等效簡化電路和運行試驗結(jié)果，確認(rèn)故障原因是由于輔助變流器前端的LCL濾波電路放大了接觸網(wǎng)供電線路上的特定次諧波，導(dǎo)致充電時中間電壓過壓。并提出相應(yīng)解決對策，改變輔助變流器充電控制方式無需更改硬件電路，簡單可靠，仿真結(jié)果證明了這種控制策略有效可行，并在后期運用中得以廣泛推廣。

［1］ Keng-Weng LAO，Man-Chung WONG，Ning Yi DAI，Chi-Kong WONG.Design of LCL Filter for Harmonic Suppression in Co-phase Railway Power Quality Conditioner.Future Energy Electronics Conference（IFEEC）［J］.International.2013，（1）：794-799.

Analysis of Overvoltage Faults Caused by Catenary Harmony on Auxiliary Power Supply System

GAO Xiang，LU Yang，LI Jiebo，HUANG Jin
（Loco motive and Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

The overvoltage faults of auxiliary converter intermediate DC-link appeared frequently on a certain type EMU with the auxiliary winding.It made the traction system stop working and could not start again.In order to analyze the cause of failure，in this paper，we introduce the circuit structure and charging control scheme of EMU auxiliary power supply system.An equivalent simplified circuit of the auxiliary power supply charging process was proposed.Based on the above analysis，the EMU auxiliary power system simulation model is built.On the other hand，the test is carried out to reproduce the faults and collect the data.At last，the reason of the faults was analyzed and a reliable strategy to solve the problem was proposed.

harmonic；auxiliary converter；overvoltage faults

U264.5

A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2015.04.04

1008-7842（2015）04-0016-04

6—）男，助理研究員（

2014-12-22）

*中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目（2013B001-A-1）