某新型動車組網側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部，130062，長春∥高級工程師）

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

1　動車組網側電流諧波分析

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行，很容易引起動車組和接觸網供電之間的諧波振蕩，在特定頻段引發諧波電流共振及諧振過電壓，最終導致動車組和牽引供電設備被擊穿和燒毀的事故。因此，必須對動車組的諧波進行有效的控制。

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和難點。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化的瞬態電流控制策略和多重四象限載波移相控制技術等方式降低諧波。

硬件電路和軟件控制策略兩種處理方式在工程實踐中往往均被采用，以達到最經濟和最優良的控制效果［4-5］。

2　計算方法

2.1　網側電流諧波計算方法

2.1.1網側電流頻譜分析

網側電流可以用以下周期函數來表示［6］：式中：

k——不為0常數；T——函數周期。

將式（1）展開為一個收斂的傅里葉級數

其中：

式（2）可進一步簡化為

其中：

先根據式（3）計算 a0、ak、bk，再將其代入式（5）中求得A0、Akm，最終得到網側電流的頻譜。

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定的雜音評價系數。

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——網側電壓有效值，kV；

I——網流有效值，A；

P——網側有功功率，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——動車組定員質量，t；

γ——動車組回轉質量系數，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——基本運行阻力，kN。

基本運行阻力一般采用下式計算：

式中參數a、b和c根據動車組車型確定。

2.2.2電功率法

動車組輪周牽引力按式（12）計算［10］：

式中：

N——動車組牽引電機總臺數，N=16；

n——被測電機臺數；

Pi——第i臺牽引電機有功功率，kW；

v——被測動車組瞬時速度，km/h；

ηm——速度v對應的電機效率，取0.947；

ηg——機械傳動效率，取0.975。

3　線路試驗

3.1　試驗方法

試驗正式開始前，動車組已持續運行不少于30 min，以使軸溫及各運轉部分狀態接近實際運用狀況。動車組以滿級牽引和滿級制動工況運行，運行時對各工況數據進行連續采樣［11-12］。

3.2　試驗設備

3.2.1數據采集設備

數據采集設備采用工業級測試模塊。模塊工作溫度為-45～+85℃（允許結露），配置16或24個電壓、電流采集通道，最高采樣率頻可達到200 kHz，主機內置128 G固態硬盤，通過以太網實現數據傳送［13］。

3.2.2電壓和電流傳感器

采用的電壓傳感器共有兩種。電機電壓采用高壓差分探頭，量程可達±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±200 V，用于測試動車組網壓壓互二次側電壓。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0.5級。

3.3　試驗記錄

試驗記錄以下數據：列車網側電壓，V；列車網側電流，A；列車速度信息，km/h；牽引電機輸入電壓，V；牽引電機輸入電流，A。

4　試驗結果分析

4.1　網側電流諧波特性

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。動車組起動后網流平穩上升，直至動車組進入恒功率階段，此時網流穩定在460 A上下，拐點速度大約為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側電流有效值曲線及其頻譜。

圖2　網側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，即功率發揮越大，功率因數越高（見圖3）。功率發揮超過5 MW時，功率因數達0.98以上。

圖3　功率因數與取用有功功率的關系

圖4為動車組網側電流總諧波畸變率、等效干擾電流與取用功率的關系曲線。網側電流有效值越大（牽引功率越大），網側電流總諧波畸變率越低。功率發揮超過5 MW時，網側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系

圖5　網側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側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，動車組網側電流突然變大，并保持在400 A上下波動，此時為恒功率制動。當速度減小到160 km/h后，隨著再生制動功率的減小，網側電流平穩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反饋能量，故功率因素是負的，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，即功率發揮越大，功率因數越高。功率發揮超過5 MW時，功率因數達0.98以上。

圖6　功率因數與取用有功功率的關系

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系

圖7為動車組制動過程中網流總諧波畸變率、等效干擾電流與取用功率的關系曲線。網流有效值越大（制動功率越大），網流總諧波畸變率越低。制動功率超過5 MW時，網流總諧波畸變率在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，即恒力矩區和恒功率區，如圖8所示。在恒力矩區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的。在高速區，因受電機電壓或功率所限，輸出功率基本不變，牽引力隨速度升高而呈雙曲線關系下降。恒功率區的起點大概為160 km/h。

5　結語

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

圖8　動車組牽引特性曲線

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