高速動(dòng)車(chē)組網(wǎng)側(cè)諧波含量放大現(xiàn)象的分析＊

黃 金，陸 陽(yáng)，張 波

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所，北京100081）

隨著京滬高速鐵路的開(kāi)通，設(shè)計(jì)速度350km／h的新一代高速動(dòng)車(chē)組大規(guī)模投入應(yīng)用。動(dòng)車(chē)組在投入運(yùn)用之前進(jìn)行了大量的型式試驗(yàn)和科學(xué)研究試驗(yàn)，驗(yàn)證高速動(dòng)車(chē)組運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性的同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了許多控制軟件的漏洞并得到及時(shí)更正，保證了高速動(dòng)車(chē)組運(yùn)營(yíng)質(zhì)量。2011-01-09試驗(yàn)過(guò)程中，兩列高速動(dòng)車(chē)組在同一供電臂區(qū)間運(yùn)行時(shí)，其中一列動(dòng)車(chē)組主斷無(wú)法閉合，或閉合后自動(dòng)跳開(kāi)，嚴(yán)重影響動(dòng)車(chē)組的正常運(yùn)行。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，確定該問(wèn)題是由于網(wǎng)側(cè)諧波含量過(guò)大導(dǎo)致網(wǎng)壓瞬時(shí)值過(guò)高引起的。

本文通過(guò)對(duì)動(dòng)車(chē)組脈沖整流器諧波特性的理論分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析事故發(fā)生的原因。最終認(rèn)為是由于諧波源動(dòng)車(chē)組脈沖整流器載波移相控制邏輯出現(xiàn)錯(cuò)誤導(dǎo)致了網(wǎng)側(cè)高次諧波被放大，接觸網(wǎng)電壓被注入大量高次諧波成分，引起同一供電臂下其他動(dòng)車(chē)組監(jiān)測(cè)的瞬時(shí)網(wǎng)壓過(guò)大導(dǎo)致了過(guò)壓保護(hù)。在此基礎(chǔ)上動(dòng)車(chē)組生產(chǎn)廠(chǎng)家調(diào)整四象限脈沖整流器載波移相控制邏輯，成功解決了同一供電臂下兩列動(dòng)車(chē)組不能同時(shí)運(yùn)行的問(wèn)題，保證了試驗(yàn)的正常進(jìn)行。

1 動(dòng)車(chē)組網(wǎng)側(cè)諧波特性分析

1.1 單脈沖整流器諧波分布理論分析

對(duì)于單個(gè)脈沖整流器來(lái)說(shuō)，其控制方式采用雙閉環(huán)控制［1］。電壓外環(huán)采用PI控制器使得實(shí)際的直流側(cè)電

壓Ud跟蹤直流側(cè)電壓給定值，從而保持直流側(cè)電壓穩(wěn)定。電流內(nèi)環(huán)主要使實(shí)際的網(wǎng)側(cè)電流iN跟蹤給定的網(wǎng)側(cè)電流，實(shí)現(xiàn)單位功率運(yùn)行。的幅值和頻率通過(guò)PI電壓外環(huán)控制器和鎖相環(huán)（PLL）得到。由此分析，在電壓外環(huán)PI控制器中，由于實(shí)際直流側(cè)電壓有2次紋波，則其輸出的幅值表達(dá)式也含有2倍電網(wǎng)頻率的分量，將其與鎖相環(huán)采樣得到的與電網(wǎng)同頻率的正弦信號(hào)相乘，得到網(wǎng)側(cè)電流的給定值，其中必然含有3次諧波，實(shí)際網(wǎng)側(cè)電流跟蹤給定的網(wǎng)側(cè)電流，則最終實(shí)際網(wǎng)側(cè)電流iN就含有較大3次諧波。與上述分析相同，iN中的3次諧波通過(guò)整流器后，必然會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)電流iN含有5次諧波，依次類(lèi)推，從理論分析上可以得出，網(wǎng)側(cè)電流中3，5，7，9，11等奇次諧波含量較大。

該型動(dòng)車(chē)組脈沖整流器的開(kāi)關(guān)頻率為1 250Hz，則載波比N=1 250／50=25。由于采用單極性SPWM調(diào)制，三角載波與正弦調(diào)制波相比較來(lái)產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其具有對(duì)稱(chēng)性，則網(wǎng)側(cè)電流含有的偶次諧波含量較低，主要以奇次諧波為主。

由于開(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于調(diào)制波頻率，則在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，可以認(rèn)為調(diào)制信號(hào)為一恒定量。網(wǎng)側(cè)電流在一個(gè)開(kāi)關(guān)周內(nèi)變化為5次，則可以認(rèn)為網(wǎng)側(cè)電流含有兩倍開(kāi)關(guān)頻率左右的諧波，由上分析，電流只含有奇次諧波，則高次諧波主要分布在：2N±1、2N±3、2N±5等諧波。由于載波比N=25，則高次諧波主要分布在43，45，47，49，51，53，55次等。

圖1 三電平脈沖整流器網(wǎng)側(cè)電流頻譜分布（仿真結(jié)果）

圖1為一個(gè)三電平脈沖整流器的網(wǎng)側(cè)電流諧波特性仿真結(jié)果，系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率為1 250Hz。由于可以看出低次諧波主要分布在3，5，7，9次，高次諧波主要分布在兩倍開(kāi)關(guān)頻率左右的43，45，47，49，51，53，55次，驗(yàn)證了上述分析的正確性。

1.2 多重化整流器的載波移相分析

在電力牽引交流傳動(dòng)系統(tǒng)中，由于大功率的開(kāi)關(guān)器件開(kāi)關(guān)頻率較低，為了提高系統(tǒng)的容量和減小網(wǎng)側(cè)輸入電流的諧波含量，通常脈沖整流器采用多重化技術(shù)。多重化技術(shù)的原理是通過(guò)變壓器耦合的方式將多個(gè)相同結(jié)構(gòu)的整流單元按串聯(lián)或并聯(lián)的方式組合而成。對(duì)于多重化脈沖整流器的調(diào)制，采用載波移相技術(shù)，其原理是各單元整流器采用共同的調(diào)制波，將各單元整流器的三角載波相位相互依次錯(cuò)開(kāi)一個(gè)相同的相位角π／N′（N′為整流器的單元數(shù)），然后利用PWM技術(shù)中的波形生成方式和載波移相技術(shù)中的移相疊加得到階狀波，這樣做的好處是可以使脈沖整流器輸入電流的高次諧波互相錯(cuò)開(kāi)，并在變壓器一次側(cè)電流的諧波總量中使部分諧波相互抵消［2］。

由于同一列動(dòng)車(chē)組不同整流器間的三角載波互相錯(cuò)開(kāi)90°，多臺(tái)整流器的輸入電流高次諧波的峰頂和峰谷正好錯(cuò)開(kāi)，使電流的高次諧波相互抵消一部分，在變壓器一次側(cè)可以得到更接近正弦波的電流波形。實(shí)際上，所抵消高次諧波的頻率分布在兩倍開(kāi)關(guān)頻率左右。圖2和圖3分別為牽引變壓器二次側(cè)兩個(gè)繞組的電流頻譜分布的定性仿真結(jié)果。圖4為牽引變壓器一次側(cè)電流的頻譜分布仿真結(jié)果。仿真結(jié)果證明，通過(guò)載波移相技術(shù)能夠很好的消除一次側(cè)電流分布在兩倍開(kāi)關(guān)頻率左右的高次諧波，即相當(dāng)于提高系統(tǒng)兩倍的等效開(kāi)關(guān)頻率。

圖2 牽引變壓器二次側(cè)繞組1的電流iN1的頻譜分布

圖3 牽引變壓器二次側(cè)繞組2的電流iN2的頻譜分布

圖4 牽引變壓器一次側(cè)繞組電流的頻譜分布

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)過(guò)程中，由于條件限制無(wú)法監(jiān)測(cè)動(dòng)車(chē)組所有動(dòng)力單元的網(wǎng)側(cè)電氣參數(shù)，因此選取單個(gè)動(dòng)力單元的兩組脈沖整流器作為測(cè)試對(duì)象。在無(wú)法取得總網(wǎng)流的情況下，本文以網(wǎng)側(cè)電壓諧波含量分析為基準(zhǔn)，二者的定性分布情況基本相同。圖5為諧波源動(dòng)車(chē)組單個(gè)動(dòng)力單元脈沖整流器主電氣線(xiàn)路接線(xiàn)圖，該型動(dòng)車(chē)組脈沖整流器為二極管鉗位型（NPC）三電平脈沖整流器。

圖5 諧波源動(dòng)車(chē)組單個(gè)動(dòng)力單元主電氣線(xiàn)路接線(xiàn)圖

圖6 2011－01－09諧波源動(dòng)車(chē)組網(wǎng)側(cè)電壓波形

圖6為2011-01-09該型動(dòng)車(chē)組監(jiān)測(cè)到的網(wǎng)壓波形。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，網(wǎng)壓瞬時(shí)值含有大量諧波成分，圖中網(wǎng)壓最大瞬時(shí)值接近70kV。這對(duì)網(wǎng)壓有嚴(yán)格要求的動(dòng)車(chē)組來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)時(shí)間高瞬時(shí)值的網(wǎng)壓必然會(huì)引起高壓系統(tǒng)的過(guò)壓保護(hù)，甚至導(dǎo)致避雷器等高壓設(shè)備的擊穿。

對(duì)該電壓瞬時(shí)值做諧波分析，得到圖7的網(wǎng)壓諧波分布。從結(jié)果看出，相對(duì)正常情況下的網(wǎng)側(cè)諧波含量，2011-01-09試驗(yàn)過(guò)程中，網(wǎng)側(cè)電壓在該型動(dòng)車(chē)組脈沖整流器兩倍開(kāi)關(guān)頻率、4倍開(kāi)關(guān)頻率左右的高次諧波被放大，直接影響到注入網(wǎng)側(cè)電壓的諧波總量，導(dǎo)致了網(wǎng)壓瞬時(shí)值過(guò)大。從網(wǎng)壓諧波分析結(jié)果來(lái)看，諧波分布的相對(duì)位置與理論分析相同，但部分頻次諧波幅值發(fā)生了較大變化。低次諧波含量未有明顯增加，在理想的可控范圍內(nèi)；高次諧波含量明顯增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了脈沖整流器的設(shè)計(jì)控制范圍。按照理論分析，載波移相控制后的脈沖整流器應(yīng)盡可能的抑制兩倍開(kāi)關(guān)頻率及4倍開(kāi)關(guān)頻率處的高次諧波含量，由此推測(cè)動(dòng)車(chē)組運(yùn)行過(guò)程中，單脈沖整流器的控制程序不存在漏洞，造成網(wǎng)側(cè)電壓諧波含量增加的原因在于多整流器載波移相出現(xiàn)了邏輯問(wèn)題。

圖7 2011－01－09試驗(yàn)網(wǎng)壓諧波分析

圖8為試驗(yàn)過(guò)程中動(dòng)車(chē)組不同牽引變壓器原邊電流。從圖中看出，各變壓器原邊電流間并無(wú)明顯移相錯(cuò)位情況，圖中幾個(gè)動(dòng)力單元的輸入電流接近重合（考慮采集設(shè)備同步問(wèn)題后）。試驗(yàn)結(jié)果證明動(dòng)車(chē)組運(yùn)行中脈沖整流器移相控制策略的邏輯發(fā)生錯(cuò)誤或功能缺失。各脈沖整流器產(chǎn)生的高次諧波沒(méi)有被消除反而被放大疊加，導(dǎo)致了網(wǎng)側(cè)諧波含量增加，網(wǎng)壓瞬時(shí)值變大。

圖8 動(dòng)車(chē)組不同動(dòng)力單元牽引變壓器原邊電流

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)動(dòng)車(chē)組脈沖整流器工作時(shí)網(wǎng)側(cè)諧波分布的分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，定性的分析了動(dòng)車(chē)組試驗(yàn)過(guò)程中網(wǎng)側(cè)諧波含量過(guò)大的現(xiàn)象，有針對(duì)性的找出了問(wèn)題的原因。通過(guò)動(dòng)車(chē)組生產(chǎn)廠(chǎng)家對(duì)脈沖整流器控制軟件的復(fù)查和確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)由于中央控制單元和牽引變流器啟動(dòng)的時(shí)間差異，導(dǎo)致該型動(dòng)車(chē)組多臺(tái)牽引變流器間未錯(cuò)開(kāi)一定角度順序開(kāi)啟。2011-01-16動(dòng)車(chē)組生產(chǎn)商對(duì)脈沖整理器控制邏輯進(jìn)行了修改，增加啟動(dòng)延時(shí)和信號(hào)確認(rèn)，保證了各四象限變流器的均勻錯(cuò)相，使網(wǎng)側(cè)諧波大為減少，從而驗(yàn)證了理論分析的正確性。

［1］J.Arrillaga，A.Medina，M.Lisboa，M.A.Cavia，and P.Sanchez，“The harmonic domain.Aframe of reference for power system harmonic analysis.”IEEE Trans，Power Syst，vol.10，no.1，pp.433-440，1994.

［2］J.Shen and N.Butterworth.Analysis and design of a threelevel PWM converter system for railway-traction applications.Proceeding of International Electrical Engneering：E-lectric Power application，Vol.144，No.5，pp.357-371，Sep，1997.