過分相不間斷供電列供系統過電壓抑制研究

冉 旺， 鄭瓊林， 杜玉亮， 馬浩宇， 游小杰, 張征平

(1. 廣東電網有限責任公司 電力科學研究院，廣東 廣州 510080；2. 北京交通大學 電氣工程學院， 北京 100044； 3. 全球能源互聯網研究院 直流輸電研究所， 北京 100044)

我國電氣化鐵路的牽引供電系統是25 kV工頻單相交流供電系統。在牽引供電系統中，列車是單相負荷，由于公共電網是三相系統，長距離的單相負荷會造成三相系統不平衡。為了使單相負荷的影響在大的范圍內趨于平衡，牽引供電系統采用輪換相序供電的方式[1]，即公共電網的A、B、C三相分段向牽引供電系統(及其接觸網)供電，每一段供電臂的長度約25～50 km(不同的供電方式下，供電臂長度不同)。因不同電壓相位的供電臂之間不能直接連接，而是由一段被稱為分相區的無電區段分隔開。因此電力機車通過分相區時，其牽引系統和輔助供電系統都失去電源[2-3]。

輔助供電系統是列車電氣系統的重要組成部分，承擔著列車上牽引電機外所有用電設備供電的任務。風機和壓縮機是關系列車安全運行的重要設備，列車內的照明、空調、加熱和車內生活用電等供電的穩定可大大提高司乘人員的乘坐舒適度。另外，頻繁的斷電和重啟也影響輔助設備的使用壽命。因此無論是鐵路運營單位，還是機車廠和設備供應商，都希望實現電力機車在過分相時輔助供電系統持續供電，這既可減少列車各部件的運用、維修成本，又可提高列車運行的可靠性和運用效率，具有重要的經濟效益[4-5]。

交流傳動電力機車(或動車組)的主電路結構主要分為2大類。第1類結構是輔助供電系統和牽引系統從同一個變壓器繞組取電并共用直流母線；第2類結構是輔助供電系統和牽引系統分別從不同的變壓器繞組取電，且各自有獨立的整流和逆變系統[6-7]。本文研究的HXD3型電力機車的主電路是第2類結構。

目前，第1類電力機車在過分相時實現輔助系統不間斷供電的技術已經比較成熟[6]。第2類電力機車還沒有成熟的技術來實現輔助供電系統不間斷供電。北京交通大學提出了一種新型的機車過分相區時輔助系統不間斷供電方案，即通過主變壓器耦合，將機車再生能量供給輔助供電系統[7]。該方案可實現第2類電力機車在過分相區的過程輔助系統不斷電。研究過程中發現，機車在經過分相區采用上述技術方案進行供電時，變壓器的繞組端出現過電壓。本文即研究在實現輔助供電系統不間斷供電時如何抑制過電壓。

1 系統數學模型過電壓現象的出現

本文研究基于大連機車廠生產的HXD3型電力機車，該機車的主電路結構見圖1。該機車主要由牽引系統、輔助供電系統、列車供電系統組成。其中輔助供電系統向機車的風機和壓縮機等設備供電，列車供電系統向旅客列車的空調、照明等設備供電[8-10]。

圖1中，VCB為電力機車的主斷路器；Tr為機車主變壓器，其中一次側繞組為W1，二次側繞組包括牽引繞組W2、輔助繞組W3、列供繞組W4；牽引系統包括單相四象限變流器CNV1、直流支撐電容Cd1、三相變流器INV1、牽引電機M；輔助系統包括單相四象限變流器CNV2、直流支撐電容Cd2、三相變流器INV2；列車供電系統(RF)主要包括單相整流器、平波電抗器Ld和直流支撐電容Cd3。

由于輔助繞組、列供繞組與牽引繞組耦合，牽引系統與輔助系統、列供系統存在能量傳遞的路徑。機車在過分相區無電時，可通過牽引電機再生制動，牽引系統作為電源通過變壓器向輔助系統和列供系統供電。

在實驗室進行試驗時發現，在上述工作過程中，列供繞組兩端出現過電壓，見圖2。其中，試驗過程中PWM電壓的幅值為90 V，過電壓峰值達170 V，過電壓倍數為1.89倍。

圖2中，示波器通道CH1為牽引繞組電壓，通道CH3為列供繞組電壓。由于牽引繞組的兩端與單相變流器CNV1的2個橋臂直接相連，因此牽引繞組端電壓是一個PWM波形的電壓。從圖2可見，列供繞組電壓是一個振蕩衰減的電壓，過電壓最大值約為正常值的1.9倍。這個過電壓超過了列供系統設備工作的額定電壓，會損壞列供設備。因此必須對該過電壓進行抑制。

2 過電壓產生的機理

HXD3型電力機車的列供系統電路結構見圖3。圖3中，T1、T2為晶閘管，D1、D2為二極管。R21、R22、R23、R24、C21、C22、C23、C24是開關管吸收電路的電阻和電容，且R21、R22、R23、R24規格相同，C21、C22、C23、C24亦規格相同。將吸收電路的電阻用R2表示，電容用C2表示，即

( 1 )

下面對圖3的等效電路進行分析。

圖3中，變壓器Tr的等效電路見圖4(a)，其中rσ2、Lσ2分別為牽引繞組的電阻和漏感；rσ4、Lσ4分別為列供繞組的電阻和漏感；Lm為勵磁電感。

由于Lm?Lσ2，Lm?Lσ4，rσ2、rσ4很小，在本文分析的電路里面可以將Lm和rσ2、rσ4忽略不計，變壓器的電感見圖4(b)，即

( 2 )

列供系統的整流橋工作在輸入電壓的正半周時，T1和D2處于導通狀態，T2和D1處于斷開狀態，列供系統的交流回路見圖5中的加粗線。

T1(D2)導通狀態時，并聯的吸收回路R21和C21(R24和C24)被旁路；T2(D1)處于斷開狀態時，并聯的吸收回路R23和C23(R22和C22)處于交流回路中。由此得到其等效電路見圖6。其中，Ui為牽引繞組的電壓，Uo為列供繞組的電壓。

同理，當整流橋工作在輸入電壓的負半周時，等效電路與正半周時的等效電路具有相同的電路結構，可統一為圖7。

由圖7可見，這實際上是一個二階低通濾波電路，它的傳遞函數[12-13]為

( 3 )

式中：s表示傳遞函數G(s)的復數變量。

系統的阻尼比[13]為

( 4 )

大連機車廠生產的HXD3列供系統原有參數為：R1=10 Ω，C1=3 μF，R2=24 Ω，C2=0.5 μF，L=0.97 mH。將這些數據代入式( 4 )可計算得到阻尼比ζ=0.175。由此可見，原機車列供系統等效二階低通濾波電路的阻尼比遠小于1，系統處于欠阻尼狀態。這個分析結果與輸出電壓波形振蕩衰減的現象(圖2)是一致的。傳遞函數式(3)的bode圖見圖8，可見，在800～3 000 Hz頻段內，電壓增益較大。諧振點的增益約為3.16。

對再生制動工況下牽引繞組的電壓(PWM波形)進行FFT分析，可得其諧波分布[14]，見圖9，THD表示總諧波含量，縱坐標表示諧波幅值與基波幅值的百分比。從圖9可見，牽引繞組電壓的總諧波含量較大，為76.3%，而在1 000 Hz和2 000 Hz附近的諧波尤其突出。結合圖8和圖9可知，PWM電壓中的諧波含量被圖7所示的電路放大，在牽引變壓器的繞組中出現了過電壓。

圖10為過電壓仿真波形。仿真模型中所用到的設備參數與HXD3一致。由圖10可見，PWM電壓的幅值為1 660 V，而過電壓的峰值達2 500 V，過電壓倍數達1.5倍。過電壓遠遠超過了設備的額定工作電壓，危害設備的運行安全。

由本節分析可知，當機車運行在供電區段時，主斷路器處于閉合狀態，變壓器原邊與電網連接，繞組上的電壓為基波頻率為50 Hz的正弦電壓，其中包含的諧波分量很少，在列供系統中沒有出現過電壓。當機車過分相時，主斷路器斷開，牽引系統再生制動，變壓器的電壓由單相變流器CNV1提供，其波形為PWM波形，包含了大量的諧波，通過變壓器耦合到列供系統側，變壓器的漏感和列供系統整流橋的吸收回路構成一個二階低通濾波電路，將PWM電壓中的諧波分量放大，所以出現了過電壓。

3 列供系統參數的改進研究

3.1 過電壓抑制的研究

由圖8可見，降低濾波電路的電壓增益(調節濾波電路的參數來實現)，即可減小過電壓。

阻尼比ζ的大小決定了諧振峰值的幅值，阻尼比越大，諧振峰值的幅值越小。由式( 4 )可知，增大阻尼比ζ的方法為增大R和C，減小L。下面用bode圖進行說明。

改變電阻R，其他參數不變，畫出一簇bode圖，見圖11。由圖11的結果可知，增大電阻，有利于減小諧振點的電壓增益，當R>90 Ω時，諧振點消除。

改變電容C，其他參數不變，畫出一簇bode圖，見圖12。由圖12的結果可知，增大電容，可以減小諧振點的電壓增益，但即使C>22.5 μF，諧振點依然存在，這說明單靠增大電容來消除諧振，效果不明顯。

改變電感L，其他參數不變，畫出一簇bode圖，見圖13。由圖13的結果可知，電感L越小，諧振點的電壓增益越小。

對于濾波電路，調節L、R、C參數后，頻率特性變化規律為：(1)電感L越小，截止頻率越高，穩定裕度越大；(2)電容C越大，截止頻率越低，穩定裕度越大；(3)電阻R越大，截止頻率越高，穩定裕度越大。因此，消除諧振點的手段可以有：減小電感、增加電容、增加電阻。由于濾波電路的等效電感是主變壓器的漏感，主變壓器一經確定，就無法再減小電感值，所以減小電感的措施在這里不能適用。只能通過增大電阻和電容來優化濾波電路的頻率特性。

綜合考慮過電壓抑制的效果和系統響應的快速性，阻尼比選取范圍ζ=0.707～1。由式( 4 )可得

2L

( 5 )

式中:電感L是已知量，值為0.97 mH。

3.2 其他因素的影響

根據電容充放電原理，PWM波形的電壓對電阻R1與電容C1串聯支路充放電時，電阻上的損耗為

P1=C1·Um·f

( 6 )

式中：P1為電阻R1上消耗的功率；Um為PWM電壓的幅值，值為1 660 V；f為PWM電壓的開關頻率，值為450 Hz。

由式( 6 )可知，電阻上的損耗與電阻阻值無關，而與電容容值有關。電容越大，則損耗在電阻上的功率就越大。因此為了減小損耗，電容的大小不能選得太大。

( 7 )

式中：Um和f是確定的值，根據容許的最大損耗Pmax，即可確定電容C1的上限值。

4 仿真和實驗結果

滿足本文設計要求的參數是一個范圍。在仿真模型中列供系統參數采用本文的設計方法，取值為：R1=200 Ω，C1=1.0 μF，R2=100 Ω，C2=0.5 μF。圖14、圖15是仿真波形，仿真模型參照HXD3型電力機車的工作條件。

圖14是傳遞函數的bode圖，從幅頻特性曲線可見，系統中不存在諧振點。圖15是列供繞組的電壓波形對比，一組為理想的PWM電壓，另一組為實際的電壓波形，對比圖10可見，此時列供繞組電壓不存在過電壓。

圖16是實驗室搭建的實驗平臺的波形。該試驗平臺中列供系統的參數是根據本文的設計方法得到的，可見列供繞組電壓不存在較大的過電壓。

5 結論

HXD3型電力機車在過分相時保持輔助供電系統和列車供電系統不斷電，必須對原有列供系統的設備參數進行改進，以避免在列供系統中產生過電壓。本文研究的參數設計方法，可以有效地避免過電壓的出現，且并不會對列供系統的其他工作性能造成影響。仿真和試驗結果均證明了本文提出方法的有效性。

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