高速铁路牵引供电系统谐波及其传输特性研究何得发
发表时间：2018-09-12T09:13:56.800Z 来源：《电力设备》2018年第13期作者：何得发[导读] 摘要：随着高速铁路的高速度、大容量、高密集网络化发展，高速机车引起的牵引网谐波放大、谐振问题越发严峻。
（中国铁路青藏集团有限公司西宁供电段青海省西宁市 810006）
摘要：随着高速铁路的高速度、大容量、高密集网络化发展，高速机车引起的牵引网谐波放大、谐振问题越发严峻。从牵引网谐波放大倍数的角度考察谐振以及谐波放大特性。这对于防治实际的谐波危害、选择合适的滤波方案有较大的实用参考价值。本文分析了高速铁路牵引供电系统谐波及其传输特性。
关键词：高速铁路；牵引供电系统谐波；传输特性；
高速铁路牵引供电系统与电力系统相比具有负荷移动、方式多变等特点，加之牵引网多条线路间互感、分布电容的存在，使分析牵引网谐波电流传输特性也越发变得复杂。
一、高速铁路牵引供电系统谐波传输特性分析
牵引供电系统由外部电源、牵引变电所、牵引网和电力机车组成。外部电源系统为牵引供电系统提供高压电源，其电压等级为110 kV 或者220 kV。目前我国普通电气化铁路大多接入110 kV 电网，而高速客运专线则接入220 kV 电网。牵引网为一平行多导体传输线，由于导体数目较多，如果对所有导体建模，这样必然会增加模型建立的难度，因此在建立模型时可根据牵引网空间分布以及导体参数计算出牵引网电气参数，然后利用导线合并方法，将承力索、加强线等效到接触线中，将钢轨合并为一条导线。复线AT 牵引网系统几何结构复杂，它由接触线、承力索、负馈线、保护线、钢轨、埋地线等组成。牵引网导线数目较多，如果在计算时都考虑进去，那将会使计算变得十分困难。引入多导体传输线模型，对导线数目进行合并简化，最终可以简化成一个五导线的等值电路。牵引网是一个RLC 分布的多导体传输系统，考察谐波传输时，根据电力传输线稳态方程和等值电路，对电力机车的两侧的分布参数电路分别采用T 型等效电路。机车离牵引变电所越远，谐波电流的放大倍数越大。机车注入谐波电流在牵引网上的传输特性和谐振频率主要受牵引网长度、系统阻抗(包括电源阻抗和牵引变压器阻抗)、牵引网分布参数、机车位置等的影响。当机车向牵引网注入的谐波频率等于或接近于牵引网的谐振频率时谐波放大明显和发生谐振。根据所建机车仿真模型，当机车输出功率变化时，由于基波和谐波电流的变化不同步，这就使不同输出功率下谐波电流含量的变化较大。电流谐波畸变较牵引工况下要高出许多，从电压、电流相位分析，再生制动的功率因数也较小。再生制动技术广泛应用于动车组制动，若有多机车处于不同运行工况时，再生制动所产生的能量将会被牵引下的机车利用，这些不良的电能对高速列车的受流以及变流过程会产生极其不利的影响。再生制动工况下的谐波治理应引起高度关注。动车组在高速运行中，其运行状态受线路条件、过分相、天气、列车员控制等条件的影响，机车运行过程中牵引负荷不断变化，从而导致机车的牵引电流有较大的波动。高次谐波集中在开关频率的偶数倍附近；但在牵引工况下，随着机车功率的降低，同一频率的谐波含量增大，再生制动工况下，随着机车再生功率的增加，同一频率的谐波含量也有增大的趋势接触网是牵引变电所和电力机车交换电能的主要通道，而承力索、加强线及地埋线等也会对其线路参数的计算产生一定的影响。在建立模型时可将承力索、加强线按多导体传输线电感矩阵法[1 0]等效到接触线中，将地埋线等效到钢轨中，这种简化并不影响模型的精度。选取多个1 km的分布式参数线路建立整个牵引网的电路模型，其模型更接近于实际，这样对不同牵引网长度下的谐波传输特性的仿真分析更加准确。机车在再生制动情况下和下坡减速运行时虽降低了功率的消耗，但同时也带来大量亟待解决的谐波问题，合适的机车滤波、机车变流器的改善都是行之有效的解决方案。当机车位于某一位置的瞬间，可看作是静止的，根据实际的机车运行调度可以及时预知牵引网发生谐振的位置以及谐波放大情况，这有利于延长牵引变压器的服役寿命和提高容量利用率，也对减少或者避免谐振带来的危害有十分重要的意义。
二、高速铁路牵引供电系统谐波谐振抑制
高速铁路的飞速发展给国民经济带来了巨大的经济利益的同时也向公共电网注入了大量的谐波电流，谐波电流及谐振放大电流对电力系统和各种电气设备造成十分严重的危害，因此非常有必要对谐波进行治理。要得到显著的谐波抑制效果，需要从谐波源上入手。只有充分了解谐波产生的来源及机理，分析谐波的主要成分才能做到有的放矢，才能针对特定次谐波进行治理，防止或减小其对牵引供电系统的谐波及谐振危害。牵引供电系统参数满足一定条件时，相应次数的谐波便会发生谐振，产生的过电压和过电流危害牵引供电系统运行的安全性和稳定性。网侧变流器按照直流侧储存电能形式的不同可分为电流型网侧变流器与电压型网侧变流器。电流型网侧变流器直流侧储存能量的是电感元件，直流侧电感体积和重量都比较大，同时由于电感通过大电流，其损耗也比较大；而电压型网侧变流器直流侧储存电能的是电容元件，具有响应较快、体积小、成本低、容易实现的优点，因而目前许多工程项目都使用电压型变流器。目前，交直交电力传动机车上的变流器采用的是电压型变流器。网侧变流器控制方法根据是否将瞬态电感电流直接作为反馈量和被控制量，主要分为间接电流控制和直接电流控制两种控制方法。间接电流控制不直接控制网侧电流，而通过控制变流器的交流电压的幅值与相位间接控制电流。间接电流控制控制系统结构简单，成本较小，但由于没有交流电流反馈，电流环动态响应速度慢，对系统参数波动较敏感，己逐步被直接电流控制策略取代。直接电流控制引入了电流闭环控制，一般采用电压外环，电流内环的双闭环方式，具有控制精度高、动态响应快、交流电流与直流电压的稳定性好、交流电流的谐波含量小等优点。直接电流控制有瞬态电流控制、预测电流控制及滞环电流控制等，预测电流与瞬态电流控制算法较简单，实用方便，控制效果较好。现在交直交电力传动机车使用较多的控制策略是瞬态电流控制。在牵引变电所安装滤波装置，假如加装无源滤波器，由于牵引网额定电压是25kV，加装该类装置需额外配置降压变压器，使得成本大大提升；而加装有源滤波器，则需要更多设备，成本也很高，而在机车内的牵引变压器辅助绕组上加装滤波装置，能达到同样的谐波抑制效果且易于实现。对于这种方法，加装有源滤波器实现起来比较困难，而加装无源滤波器相对容易实现。滤波器的电感可用变压器的漏感代替，具有成本低，结构简单和运行稳定的优点。网侧变流器功率因数很高，在实际应用中能达到98％，不需要无功补偿，因此设计的滤波器无功功率应该尽量小，以减小对系统和变流器的影响。同时滤波器电路有功功率也应该尽量小，以提高电力机车的用电效率。
牵引网越长，谐振点越低，电压谐波畸变率也逐渐降低。同一供电臂上机车数量的增加会使系统侧电压谐波畸变率增大。机车谐波电流频谱分布趋势不随功率、运行工况(牵引、再生制动)而变化。但在牵引工况下，谐波含量随着机车功率的增加而降低；再生制动工况下，谐波含量随着机车返送的功率增加而增加。
参考文献：
[1]李群湛, 贺建闽. 牵引供电系统分析[M]. 成都: 西南交通大学出版社, 2017.