某新型動車組網(wǎng)側(cè)電流諧波特性測試分析

趙海波

（中車長春軌道客車股份有限公司總體研發(fā)部，130062，長春∥高級工程師）

隨著高鐵運(yùn)行里程的大幅增長，高鐵列車與接觸網(wǎng)之間的供電耦合關(guān)系特別是高鐵列車的網(wǎng)側(cè)電流諧波對整個牽引供電系統(tǒng)的影響日益明顯。在武廣高鐵、京滬高鐵等客運(yùn)專線開通運(yùn)行時，均發(fā)生過因動車組網(wǎng)側(cè)電流諧波原因造成接觸網(wǎng)供電異常并導(dǎo)致事故發(fā)生等情況，因此，有效控制動車組的網(wǎng)側(cè)電流諧波質(zhì)量對高鐵列車安全運(yùn)行有著重要的意義。本文通過對某新型動車組的網(wǎng)側(cè)電流諧波測量和計算，闡明在應(yīng)用諧波抑制的措施后，該動車組的網(wǎng)側(cè)電流諧波含量符合相關(guān)要求，同時對其牽引特性未產(chǎn)生影響，滿足動車組運(yùn)用的要求［1-2］。

1　動車組網(wǎng)側(cè)電流諧波分析

圖1為動車組單牽引單元主電路圖。由于在牽引變流器中使用了大量電氣電子元件，因此造成了較寬的諧波頻譜（3～200 Hz）。因有大量的動車組在同時運(yùn)行，很容易引起動車組和接觸網(wǎng)供電之間的諧波振蕩，在特定頻段引發(fā)諧波電流共振及諧振過電壓，最終導(dǎo)致動車組和牽引供電設(shè)備被擊穿和燒毀的事故。因此，必須對動車組的諧波進(jìn)行有效的控制。

圖1　動車組單牽引單元主電路圖

動車組變流器器件開關(guān)頻率的限制及整列動車組的四象限整流器的配合控制是解決諧波問題的重點(diǎn)和難點(diǎn)。目前，通常采用以下兩種方式處理該問題［3］：

（1）在硬件電路上通過三電平方式或者設(shè)置諧波濾波器的方式降低諧波；

（2）在變流器控制軟件控制策略上采用基于平均電流反饋、基于原邊電流反饋兩種優(yōu)化的瞬態(tài)電流控制策略和多重四象限載波移相控制技術(shù)等方式降低諧波。

硬件電路和軟件控制策略兩種處理方式在工程實(shí)踐中往往均被采用，以達(dá)到最經(jīng)濟(jì)和最優(yōu)良的控制效果［4-5］。

2　計算方法

2.1　網(wǎng)側(cè)電流諧波計算方法

2.1.1網(wǎng)側(cè)電流頻譜分析

網(wǎng)側(cè)電流可以用以下周期函數(shù)來表示［6］：式中：

k——不為0常數(shù)；T——函數(shù)周期。

將式（1）展開為一個收斂的傅里葉級數(shù)

其中：

式（2）可進(jìn)一步簡化為

其中：

先根據(jù)式（3）計算 a0、ak、bk，再將其代入式（5）中求得A0、Akm，最終得到網(wǎng)側(cè)電流的頻譜。

2.1.2等效干擾電流計算

等效干擾電流計算公式如下［11］：

式中：

JP——等效干擾電流，A；

In——n次諧波電流有效值，A；

Sn——國際電報咨詢委員會規(guī)定的雜音評價系數(shù)。

2.1.3功率因素計算

功率因素計算公式如下：

式中：

λ——功率因素；

U——網(wǎng)側(cè)電壓有效值，kV；

I——網(wǎng)流有效值，A；

P——網(wǎng)側(cè)有功功率，kW。

2.2　輪周牽引力計算

2.2.1加速度法

瞬時加速度按下式計算［8-9］：

式中：

a——瞬時加速度，m/s2；v0、v1——瞬時速度，m/s；

t——動車組從v0加速到v1所用的時間，s。

根據(jù)各速度下的瞬時加速度，計算該速度下的加速力為：

式中：

F0——動車組加速力，kN；

a——瞬時加速度，m/s2；

m——動車組定員質(zhì)量，t；

γ——動車組回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)，通常取0.06。

動車組輪周牽引力為：

式中：

F——動車組輪周牽引力，kN；

W0——基本運(yùn)行阻力，kN。

基本運(yùn)行阻力一般采用下式計算：

式中參數(shù)a、b和c根據(jù)動車組車型確定。

2.2.2電功率法

動車組輪周牽引力按式（12）計算［10］：

式中：

N——動車組牽引電機(jī)總臺數(shù)，N=16；

n——被測電機(jī)臺數(shù)；

Pi——第i臺牽引電機(jī)有功功率，kW；

v——被測動車組瞬時速度，km/h；

ηm——速度v對應(yīng)的電機(jī)效率，取0.947；

ηg——機(jī)械傳動效率，取0.975。

3　線路試驗(yàn)

3.1　試驗(yàn)方法

試驗(yàn)正式開始前，動車組已持續(xù)運(yùn)行不少于30 min，以使軸溫及各運(yùn)轉(zhuǎn)部分狀態(tài)接近實(shí)際運(yùn)用狀況。動車組以滿級牽引和滿級制動工況運(yùn)行，運(yùn)行時對各工況數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)采樣［11-12］。

3.2　試驗(yàn)設(shè)備

3.2.1數(shù)據(jù)采集設(shè)備

數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用工業(yè)級測試模塊。模塊工作溫度為-45～+85℃（允許結(jié)露），配置16或24個電壓、電流采集通道，最高采樣率頻可達(dá)到200 kHz，主機(jī)內(nèi)置128 G固態(tài)硬盤，通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送［13］。

3.2.2電壓和電流傳感器

采用的電壓傳感器共有兩種。電機(jī)電壓采用高壓差分探頭，量程可達(dá)±7 000 V，需單相220 V電源給適配器供電。另一種為無源電壓傳感器，量程可達(dá)±200 V，用于測試動車組網(wǎng)壓壓互二次側(cè)電壓。交流電流采用無源開合式電流互感器，量程為0～1 000A，精度等級均可達(dá)0.5級。

3.3　試驗(yàn)記錄

試驗(yàn)記錄以下數(shù)據(jù)：列車網(wǎng)側(cè)電壓，V；列車網(wǎng)側(cè)電流，A；列車速度信息，km/h；牽引電機(jī)輸入電壓，V；牽引電機(jī)輸入電流，A。

4　試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1　網(wǎng)側(cè)電流諧波特性

4.1.1滿級牽引工況

動車組在平直軌道起動加速到350 km/h。動車組起動后網(wǎng)流平穩(wěn)上升，直至動車組進(jìn)入恒功率階段，此時網(wǎng)流穩(wěn)定在460 A上下，拐點(diǎn)速度大約為160 km/h，諧波成分中3次諧波含有量最高，但是含有率不超過0.6%。圖2為動車組在此過程中的網(wǎng)側(cè)電流有效值曲線及其頻譜。

圖2　網(wǎng)側(cè)電流有效值曲線及其頻譜

動車組在牽引過程中，功率因素隨著取用有功功率的增大而變大，即功率發(fā)揮越大，功率因數(shù)越高（見圖3）。功率發(fā)揮超過5 MW時，功率因數(shù)達(dá)0.98以上。

圖3　功率因數(shù)與取用有功功率的關(guān)系

圖4為動車組網(wǎng)側(cè)電流總諧波畸變率、等效干擾電流與取用功率的關(guān)系曲線。網(wǎng)側(cè)電流有效值越大（牽引功率越大），網(wǎng)側(cè)電流總諧波畸變率越低。功率發(fā)揮超過5 MW時，網(wǎng)側(cè)電流總諧波畸變率在3%以下，等效干擾電流在1.5 A以下。

4.1.2滿級制動工況

圖4　牽引工況下總諧波畸變率、等效干擾電流與取用功率的關(guān)系

圖5　網(wǎng)側(cè)電流有效值曲線及其頻譜

圖5為動車組在制動過程中的網(wǎng)側(cè)電流有效值曲線及其頻譜。動車組制動前速度為350 km/h，在15∶52∶22 開始制動后，動車組網(wǎng)側(cè)電流突然變大，并保持在400 A上下波動，此時為恒功率制動。當(dāng)速度減小到160 km/h后，隨著再生制動功率的減小，網(wǎng)側(cè)電流平穩(wěn)下降直至動車組停止。諧波成分中3次諧波含有量最高，但含有率不超過0.8%。

由于動車組在制動過程中向牽引網(wǎng)反饋能量，故功率因素是負(fù)的，如圖6所示。但是，與牽引過程相一致，功率因素絕對值隨著取用有功功率的增大而變大，即功率發(fā)揮越大，功率因數(shù)越高。功率發(fā)揮超過5 MW時，功率因數(shù)達(dá)0.98以上。

圖6　功率因數(shù)與取用有功功率的關(guān)系

圖7　制動工況下總諧波畸變率、等效干擾電流與取用功率的關(guān)系

圖7為動車組制動過程中網(wǎng)流總諧波畸變率、等效干擾電流與取用功率的關(guān)系曲線。網(wǎng)流有效值越大（制動功率越大），網(wǎng)流總諧波畸變率越低。制動功率超過5 MW時，網(wǎng)流總諧波畸變率在3%以下，等效干擾電流在1.5 A以下。

4.2　牽引特性

牽引特性分為兩個區(qū)，即恒力矩區(qū)和恒功率區(qū)，如圖8所示。在恒力矩區(qū)牽引力隨著速度升高緩慢下降，這與動車組的黏著特性隨速度變化趨勢是相適應(yīng)的。在高速區(qū)，因受電機(jī)電壓或功率所限，輸出功率基本不變，牽引力隨速度升高而呈雙曲線關(guān)系下降。恒功率區(qū)的起點(diǎn)大概為160 km/h。

5　結(jié)語

新型動車組采用移相技術(shù)有效地控制了諧波，無論處于牽引工況還是制動工況，功率超過5 MW時，網(wǎng)側(cè)電流諧波成分都很低，各次諧波含有率不超過1%，網(wǎng)側(cè)電流總諧波畸變率在3%以下，等效干擾電流在1.5 A以下，功率因數(shù)在0.98以上。因此，該新型動車組滿足運(yùn)用要求。

圖8　動車組牽引特性曲線

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