牽引供電系統諧波特性測試分析及抑制方案研究

王延青

摘 要：目前，交-直-交型動車組帶來的高次諧波問題日益凸顯，不但導致牽引供用電品質惡化，而且對沿線鋪設的通信電纜產生干擾，直接影響鐵路運輸安全。因此，本文對典型線路牽引供電系統和機車諧波特性進行現場測試，總結牽引變電所和動車組諧波分布特征。在此基礎上，為了降低諧波影響，提出使用高通濾波器的解決方案，并通過仿真驗證該方案的有效性。

關鍵詞：牽引供電系統;高次諧波;抑制方案

中圖分類號：U223.63文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2018）32-0122-03

Analysis the Impact and Solution of the High-order Harmonic

in Traction Power Supply System

WANG Yanqing

（Electrification Department， China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.，Xian Shaanxi 710043）

Abstract： At present， the problem of high-order harmonics caused by AC-DC-AC EMUs has become increasingly prominent， which not only deteriorates the quality of traction power supply， but also interferes with the communication cables laid along the lines， directly affecting the safety of railway transportation. Therefore， this paper conducted field test on typical traction power supply system and locomotive harmonic characteristics， and summarized the harmonic distribution characteristics of traction substation and EMU. On this basis， in order to reduce the harmonic effect， a solution using high-pass filter was proposed， and the effectiveness of the solution was verified by simulation.

Keywords： traction power supply system;high-order harmonic;suppression scheme

為了滿足大功率牽引的需求，中國推廣應用基于交-直-交變流技術的高速動車組和電力機車，主要包括CRH系列、HXD系列等。與傳統的交-直型電力機車相比，由于其采用PWM控制技術和大功率電力電子開關器件（IGBT、IGCT等），交直交型電力機車具有不同的諧波電流頻譜特性，主要表現為高次諧波頻譜更寬、高次諧波含量顯著[1-3]。近年來，不少電氣化區段都發生了高次諧波電流引起的諧振現象，如京哈線、京津城際、合武客專等，不但造成了牽引供電設備的過電壓和過電流燒損，而且引起了信號系統中軌道電路高次諧波干擾問題，嚴重威脅牽引供電系統和信號系統的運行安全，對鐵路正常運輸秩序產生了不良影響[4，5]。

本文對某條高速鐵路的諧波分布情況進行現場測試，解析了牽引變電所和動車組諧波分布特征，并結合測試結果，分析牽引回流對信號電纜的影響機理。最后，為了降低影響，提出了使用高通濾波器解決高次諧波問題。

1 牽引供電系統諧波特性分析

1.1 牽引變電所諧波電流分布

圖1至圖3為某牽引變電所一次側三相電壓綜合諧波畸變率分布。

表1為牽引變電所電壓綜合畸變率的95%概率值和最大值統計結果。可見，該所三相電壓諧波總畸變率不滿足國標規定（95%概率大值為2%）。

圖4為牽引變電所一次側電壓畸變最嚴重的C相頻譜特性。從圖4可以看出，30～50次諧波電壓含量顯著。

1.2.1 牽引工況。圖5為牽引工況時網壓、網流的波形。

圖6為牽引工況時，牽引網電流頻譜。從圖6可知，30～50次諧波頻段諧波電流含量顯著。

1.2.2 制動工況。圖7為制動工況時的網壓、網流波形。

2 高次諧波抑制措施

為了降低牽引供電氣產生的諧波對電力系統的危害，需要對其進行治理。對牽引供電系統來說，在濾除高次諧波方面，目前采用最為廣泛的是高通濾波器[6，7]。

二階高通濾波器由電感L、電阻R和電容C構成。拓撲結構如圖9所示。

在高頻下，二階高通濾波器的濾波效果與一階濾波器的效果類似。并聯電感L的存在，一方面可以與電容C構成特定諧波下的單調諧通路;另一方面，可以減少電阻R在基波下的有功功率損失。

對于二階高通濾波器，h次諧波下的阻頻特性表達為：

[ZFilter=-jXch+jRhXlR+jhXL=RhXL2R2+hXL2+jR2hXLR2+hXL2-XCh]? ? ? ? ? ? （1）

其流過的電流為：

[IFh=UhZFilterh]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

電阻器R中的電流為：

[IRh=XLhR2+X2LhIFh]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

在MATLAB仿真平臺上構建上述牽引供電系統和濾波器模型，以CRH1型動車組為例，仿真結果如圖10和圖11所示。從圖上可知，高通濾波器能將高次諧波濾除，使諧波畸變率減小。目前，可以在牽引所、AT所或分區所的T母線和F母線處安裝濾波器。但是，為了提高濾波器的濾波效果，牽引變電所是首選位置。為了確認不同濾波器安裝位置對濾波效果的影響，需要核實測量點，其中牽引變電所二次側T母線和F母線是首選位置，這是因為其直接與一次側系統相連。

3 結語

交-直-交型機車引起的高次諧波問題已經對電力系統的安全運行產生了嚴重影響。本文對典型高速鐵路的諧波分布情況進行現場測試，解析牽引變電所和動車組諧波分布特征。為了減小高次諧波對電力系統的影響，提出使用高通濾波器的解決方案，為工程應用提供依據。

參考文獻：

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