基于同步檢測法的高速鐵路牽引網(wǎng)諧波抑制研究

曹　陽

(遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，遼寧 錦州 121000)

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基于同步檢測法的高速鐵路牽引網(wǎng)諧波抑制研究

曹陽

(遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，遼寧 錦州 121000)

摘要：高速鐵路牽引供電系統(tǒng)易產(chǎn)生復(fù)雜多變的諧波，從而引起負(fù)序無功現(xiàn)象。諧波危害不僅嚴(yán)重影響了鐵路系統(tǒng)的正常運(yùn)營,同時破壞了地方電力系統(tǒng)的正常供電。研究高速鐵路牽引供電系統(tǒng)綜合補(bǔ)償技術(shù), 提高供電可靠性和供電效率，切實(shí)保證電氣化鐵路的供電質(zhì)量,具有理論與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。針對上述問題，分析了高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和供電方式，根據(jù)負(fù)載正常和故障狀態(tài)下運(yùn)行的情況，研究了牽引供電當(dāng)中諧波產(chǎn)生的原因和特點(diǎn)。建立了高速鐵路AT牽引供電網(wǎng)諧波模型，提出了基于電壓同步檢測的有源濾波檢測與控制的研究方案,得到的結(jié)論為改善電氣化鐵路有源綜合補(bǔ)償技術(shù)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高速鐵路，同步檢測法，牽引網(wǎng)，有源濾波器

1電氣化鐵路諧波

1.1　牽引供電網(wǎng)和供電方式

電氣化鐵路一般由三個重要部分組成，分別是接觸網(wǎng)、牽引變電所和電力機(jī)車,三者相輔相成。從關(guān)聯(lián)性和功能結(jié)構(gòu)上，接觸網(wǎng)和牽引變電所一起被劃歸到了供電裝置，而供電裝置與電力機(jī)車則組成了電氣化鐵路系統(tǒng)。其中，牽引供電網(wǎng)是由接觸網(wǎng)、變壓器、電力線路、軌道和回流線共同構(gòu)成的電能輸送途經(jīng)。從其用途和功能上定性分析，饋電線就好比是電網(wǎng)里的導(dǎo)線，是連接接觸網(wǎng)與牽引變電所的中間環(huán)節(jié), 牽引用電能可以通過饋電線由牽引變電所轉(zhuǎn)換，再傳送給接觸網(wǎng)。接觸網(wǎng)是牽引電力機(jī)車動力的最主要來源，其安裝在電氣化鐵道線路的上方，是與路基有一定間距的鏈形或單導(dǎo)線的輸電網(wǎng)絡(luò)。牽引電力機(jī)車是流動性負(fù)載，其能量是通過受電弓和接觸網(wǎng)間的滑動摩擦獲得的。在牽引供電網(wǎng)當(dāng)中,軌道不單起到列車的支撐作用，同時它還是完成電路閉合作用的通道，其與接觸網(wǎng)組成220 kV的牽引供電路徑。

牽引網(wǎng)供電方式，根據(jù)目前我國電氣化供電系統(tǒng)特點(diǎn)，按照結(jié)構(gòu)形式一般歸納為4種，即直接供電方式、直供帶回流供電方式、BT供電方式和自耦變壓器供電方式。直接供電的方式成本低、結(jié)構(gòu)簡單，通過接觸網(wǎng)實(shí)現(xiàn)牽引變電所向電力機(jī)車供電,然后經(jīng)鋼軌及大地形成回流再返回到牽引變電所[1]。直接供電得益于簡單的電路結(jié)構(gòu)，需要較少的設(shè)備,建設(shè)也相對方便。但是,由于接觸網(wǎng)在空中能夠激發(fā)強(qiáng)大的磁場,嚴(yán)重干擾附近的電力、通信、廣播設(shè)施，所以目前還較少使用這種供電方式。現(xiàn)在,我國大多數(shù)鐵路線路還是采用加回流線的直供方式。AT供電方式利用并聯(lián)自耦變壓器的方法,可以適應(yīng)高速、大功率電力機(jī)車的運(yùn)行,同時又能利于減少接觸網(wǎng)對于通信線的電磁影響。AT供電方式的電路由牽引軌道、變電所、AT變壓器、懸掛、饋線等組成。AT供電將整個供電區(qū)劃分為若干個小區(qū)間(AT區(qū)段)，形成了多個網(wǎng)孔的供電網(wǎng)絡(luò)。接觸懸掛是去路，正饋線是回路，根據(jù)懸掛上的電流抵消正饋線上的電流以消除電磁感應(yīng)的影響,這種供電方式能夠有效地解決對通信線的干擾。

1.2　電氣化鐵道諧波原因及危害

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)，把電氣量中正弦波的分量規(guī)定為諧波。由此可知，諧波頻率必然是基波的整數(shù)倍，也就是說諧波次數(shù)可以是個正整數(shù)。眾所周知，目前電力系統(tǒng)一般采用的額定頻率是50 Hz, 如果是n次諧波，那么n次諧波為50nHz。研究非正弦變量波形普遍使用傅立葉變換，利用數(shù)學(xué)的方法把非正弦波分解成為基波、直流分量及一系列整數(shù)倍基波頻率的頻率。而定性分析諧波的特征，一般則是研究總畸變率和諧波含有率，同樣也可以分析諧波含量。

諧波的原因有很多，理想狀態(tài)是電壓和電流都是正弦波，但是實(shí)際生活當(dāng)中波形經(jīng)常會被諧波干擾而導(dǎo)致非正弦畸變，其主要原因是因?yàn)榉钦邑?fù)載大量存在于電力系統(tǒng)當(dāng)中。電氣化鐵路系統(tǒng)當(dāng)中的電力機(jī)車本身有許多特點(diǎn)，尤其是跟其他非線性負(fù)荷相比有許多不同點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際需要和供電要求，機(jī)車本身是單相整流負(fù)荷，具有輸出功率大、波動性強(qiáng)的特點(diǎn)。電力列車在行駛當(dāng)中的啟動、制動、惰行、提速等各種運(yùn)行狀態(tài)，以及面對同機(jī)操作、轉(zhuǎn)彎半徑、環(huán)境條件、線路斜度等情況和供電區(qū)間中列車數(shù)量的變化，都會導(dǎo)致供電負(fù)荷隨機(jī)波動。在地方電力系統(tǒng)中，相對于其他一般負(fù)荷,高鐵電力牽引負(fù)載則包含滯后性、非線性、隨機(jī)波動性、非正弦性的特點(diǎn)。而由高鐵電力牽引荷載誘發(fā)的諧波則更加具有其特殊性，歸納起來分為隨機(jī)變化性、穩(wěn)態(tài)非線性、相位滯后性、高壓滲透性[2]。

目前，電力系統(tǒng)中的諧波污染危害相當(dāng)嚴(yán)重，影響著國民生產(chǎn)的正常進(jìn)行，它直接誘使供電系統(tǒng)的電壓和電流波形發(fā)生畸變,降低供電質(zhì)量，危害電力系統(tǒng)的供配電設(shè)備，是導(dǎo)致大量故障發(fā)生和電壓電流波形異變的主要原因之一。按照危害對象劃分為以下幾類：

1)危害供配電線路類；

2)危害發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、電子元器件、通信和電力電纜類；

3)影響自動控制類；

4)危害人體健康類。

在鐵路沿線，電氣化鐵路牽引網(wǎng)包含若干個牽引變電所,為保證供電可靠性需要雙電源供電,在變電所內(nèi)一般經(jīng)過電力變壓器降低為27.5 kV，再通過接觸網(wǎng)向電力機(jī)車供電。眾所周知，目前我國大部分電力機(jī)車都是采用25 kV的單向工頻交流電壓,經(jīng)過橋式整流電路的全波整流以后才能夠驅(qū)動牽引電動機(jī),在變電所、接觸網(wǎng)、鋼軌和大地相互間形成回路的前提下運(yùn)行。由于電氣化鐵路使用大量非線性器件，導(dǎo)致了鐵路供電系統(tǒng)本身就變成了一個諧波源,若諧波電流太大,就會損失額外的功率,最終影響到電力系統(tǒng)中交流電動機(jī)的運(yùn)行特性。諧波污染日趨嚴(yán)重，已經(jīng)成為影響電力系統(tǒng)的主要原因之一[3]。

2有源濾波器檢測方法和控制策略

2.1　檢測方法

2.1.1同步檢測法

自動檢測的核心是快速準(zhǔn)確得到指令信號,所以影響補(bǔ)償效果的關(guān)鍵是采用哪種檢測方法來保證精確度和準(zhǔn)確度。同步檢測法是利用諧波補(bǔ)償電壓和電流分量,達(dá)到電壓和電流波形幅值相同的一種補(bǔ)償手段。最初,這種檢測法只能適用于單相供電系統(tǒng),改善供電質(zhì)量維持較高的功率因數(shù)，提高單相電壓和電流波形的一致性。依靠現(xiàn)代控制技術(shù)理論的研究與方法的改進(jìn),終于將同步檢測法適用于電力系統(tǒng)非對稱電路的諧波以及無功補(bǔ)償方面。相對于傳統(tǒng)的自適應(yīng)、瞬時無功、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等檢測電流諧波的方式,同步檢測法具有響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、配套設(shè)備簡單等特點(diǎn)，能夠根據(jù)不同補(bǔ)償對象,采取對應(yīng)的檢測方法，目前電阻等效法的應(yīng)用情況相對較少,功率等效法和電流等效法則適用廣泛。

同步檢測法(即等效電阻、等效電流、等效功率)，先設(shè)電力系統(tǒng)中電壓ua、ub、uc，對應(yīng)著電壓幅值Ua、Ub、Uc，同理電流分別是ia、ib、ic，電流幅值Ia、Ib、Ic，總功率及三相瞬時功率P、Pa、Pb、Pc，則根據(jù)3種不同方法可以推導(dǎo)出：

(1)

(2)

(3)

利用同步檢測法的最大優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)就是不管使用哪個同步檢測算法,都能夠快速并且準(zhǔn)確地將基波量定位出來,以此為依據(jù)就能夠做到諧波的無功補(bǔ)償。同時，因?yàn)橥綑z測算法的核心都是把電壓電流波形作為信號,根據(jù)一定的計(jì)算方法,做到電壓和電流波形同相。所以，遇到三相電路是對稱的時候,及快又準(zhǔn)地檢測到電壓補(bǔ)償分量，可是當(dāng)電力系統(tǒng)三相不對稱時,得到的結(jié)果中也可能含有少量的諧波。

2.1.2基于電流鎖相的檢測法

通過理論推導(dǎo)及分析現(xiàn)場實(shí)際可以看出,當(dāng)供電系統(tǒng)中存在三相不對稱負(fù)載時候，電流檢測法檢測到的無功分量和有功分量在一定程度上是存在誤差的，因此當(dāng)三相電壓電流源發(fā)生畸變的時候,利用同步檢測法得到的檢測結(jié)果就會產(chǎn)生與其同次的諧波。為了克服以上問題,對傳統(tǒng)同步檢測法進(jìn)行更新改進(jìn)就總結(jié)出了基于電流鎖相的同步檢測法。設(shè)供電系統(tǒng)存在三相不平衡畸變電壓，同理假設(shè)電壓、電流變量，下標(biāo)0、1、2表示零序、正序、負(fù)序，得出直流分量up、uq表達(dá)式為：

其中，k為諧波次數(shù)，θ為表示偏差，φ為初相角。根據(jù)上式推導(dǎo)出基波正序分量ua1、ub1、uc1：

(4)

得到基波電流分量 ia1、ib1、uc1：

(5)

2.1.3仿真分析

通過大量實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證了基于電流鎖相檢測法的準(zhǔn)確性。

2.2　有源濾波器控制策略研究

有源綜合補(bǔ)償控制策略的好壞直接會影響無功補(bǔ)償消除諧波的效果。只有針對性的采用合理的控制策略，才能保證有源濾波控制系統(tǒng)可以在快速、準(zhǔn)確地在檢測后獲得正確的指令值，而后通過邏輯運(yùn)算達(dá)到控制電力電子器件通斷的目的。通過控制對換流器的操作,就可以令實(shí)際輸出的補(bǔ)償值快速準(zhǔn)確地跟隨指令信號,最終對牽引變電系統(tǒng)的諧波干擾做到有源補(bǔ)償。在控制策略當(dāng)中,有源綜合補(bǔ)償控制對象分別是4個IGBT組成的雙橋臂單相電壓整流器。

圖1　同步檢測法檢測電壓波形

圖2　同步檢測法檢測電流波形

圖3　實(shí)際值與檢測值之間誤差波形

2.2.1交流側(cè)的電流控制

圖4　補(bǔ)償指令信號控制原理

在供電系統(tǒng)的交流側(cè)，PWM補(bǔ)償指令信號控制原理圖如圖4所示，控制系統(tǒng)先根據(jù)邏輯運(yùn)算分析補(bǔ)償指令和補(bǔ)償電流,利用得出的PWM 信號控制電子元件組成的驅(qū)動電路，通過弱電控制強(qiáng)電的方法來驅(qū)動電力電子器件發(fā)生響應(yīng)達(dá)到控制主電路的電流,最終實(shí)現(xiàn)有源補(bǔ)償,從而完成抑制諧波的目的。電壓型整流電路的控制方式有多種,其中主要有滯環(huán)控制法、方形載波控制法和自適應(yīng)控制法。

滯環(huán)控制法的原理是以目標(biāo)指令值為中心,分別設(shè)置輸出上下限也就是滯環(huán)寬度，通過比較補(bǔ)償指令信號與補(bǔ)償電流,求出補(bǔ)償信號和補(bǔ)償電流的差值大于或小于某一特定值,來改變電力電子器件的動作,從而保證誤差值在一定范圍以內(nèi),實(shí)現(xiàn)對換流器的控制。方形載波控制法是常見的PWM脈沖控制法之一，在控制的過程中,利用反饋原理做到差值信號大于方形載波信號,控制電路就會響應(yīng)從而加大補(bǔ)償電流, 差值信號就會逐漸減小。同理，差值信號小于方波信號,控制電路會將補(bǔ)償電流變小,使差值信號逐漸加大,達(dá)到整個供電系統(tǒng)的補(bǔ)償。方波跟蹤控制的效果往往還取決于暫態(tài)響應(yīng)的控制系數(shù)，其核心就是控制好穩(wěn)態(tài)誤差值。自適應(yīng)控制法是現(xiàn)代控制方法之一，它是基于電流滯環(huán)控制而衍生出的新方法,伴隨著數(shù)字系統(tǒng)發(fā)展而逐漸推廣。因?yàn)樽赃m應(yīng)控制法需要大量的計(jì)算，所以對系統(tǒng)參數(shù)精度的要求較高，并且需要相應(yīng)的配置硬件,但是由于其控制開關(guān)頻率低、響應(yīng)動作速度快的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在很多場合應(yīng)用[4]。它的基本原理是以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在特定的周期內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣,利用復(fù)雜運(yùn)算分析，來預(yù)判下一周期的數(shù)據(jù)狀態(tài), 經(jīng)過排列組合就能夠?qū)崿F(xiàn)利用上一個周期來分析預(yù)測下一周期某一時刻的輸出，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)整好當(dāng)前的數(shù)據(jù)輸出,使得系統(tǒng)輸出總能跟隨指令數(shù)據(jù)。

2.2.2直流側(cè)電流控制

目前，控制系統(tǒng)直流側(cè)電壓普遍都是采用兩種方法：一種方法是外加直流源在直流側(cè)電容處做到單獨(dú)供電，另外一種方法通過控制整流橋路做到控制直流電壓[5]。前一種方法，控制精度高，控制效果有效,可是需要添加額外的電路系統(tǒng)以防止受到牽引供電系統(tǒng)的信號干擾,變相增加了安裝成本和額外的損耗,而且導(dǎo)致整個控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。后一種方法則是通過適當(dāng)?shù)目刂剖侄?，以滿足整個牽引變電系統(tǒng)對直流側(cè)電壓的要求。

3分析盤錦北牽引變電所諧波抑制方案

3.1　增加高次諧波過流保護(hù)裝置

為了保證對輸出饋線上的諧波進(jìn)行實(shí)時檢測、在線監(jiān)控、預(yù)警和保護(hù)，就需要額外增設(shè)高次諧波過流保護(hù)裝置,保證其能夠順利完成工作任務(wù)。在盤錦北變電所內(nèi)，添加高次諧波過流保護(hù)裝置,要求其具有測試電能質(zhì)量功能、系統(tǒng)遙視功能和保護(hù)控制模塊等。利用微機(jī)控制實(shí)時在線監(jiān)測高次諧波頻譜曲線和含量比例情況,該套裝置系統(tǒng)配備齊全的顯示和保護(hù)信號輸出信道,能起到高次諧波發(fā)生過流前的預(yù)警和發(fā)生后的保護(hù)功能,并且為調(diào)度排車提供依據(jù)。

科學(xué)合理準(zhǔn)確的計(jì)算和系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，才能夠給高次諧波過流保護(hù)裝置的預(yù)警和保護(hù)操作提供可靠的整定值。建立盤錦北牽引變電所饋線的接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型,適當(dāng)配發(fā)各個接發(fā)站的列車數(shù)量頻率，準(zhǔn)確計(jì)算出牽引網(wǎng)各項(xiàng)參數(shù)尤其是固有諧振頻率和高次諧波放大頻段以及放大倍數(shù),為高次諧波過流保護(hù)提供計(jì)算依據(jù)。

3.2　增加引入式復(fù)合濾波器

為了快速準(zhǔn)確抑制高次諧波的傳播，有效地實(shí)現(xiàn)有源補(bǔ)償，就要選擇合適的位置設(shè)置最小容量的復(fù)合濾波器。對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，找出高次諧波源集中的場所和發(fā)生的特點(diǎn),利用匯流后逆向?qū)ふ?，得到諧波通路以及通過限壓阻容回路釋放掉主要諧波能量。為了實(shí)現(xiàn)諧波抑制在起始位置設(shè)置復(fù)合濾波器,這樣不但可以就地抑制高次諧波而且可以減少接觸網(wǎng)系統(tǒng)的高次諧波放大倍數(shù),可以實(shí)現(xiàn)以最小容量旳復(fù)合濾波器達(dá)到抑制高次諧波的最佳效果。

4結(jié)語

隨著國民經(jīng)濟(jì)快速增長和科學(xué)技術(shù)的革新，電氣化鐵路也取得了飛速發(fā)展，鐵路運(yùn)營規(guī)模和列車速度不斷提高，電力機(jī)車的牽引功率也隨之呈指數(shù)增加。這就不可避免地帶來了一些問題，尤其是牽引供電系統(tǒng)給電網(wǎng)帶來的污染日益嚴(yán)重。大量事實(shí)證明，諧波和負(fù)序會對地方電網(wǎng)造成非常不利的影響。所以，深化研究和剖析鐵路牽引網(wǎng)對電力系統(tǒng)諧波及三相不平衡度的影響，同時合理科學(xué)地對諧波進(jìn)行檢測以及提出建設(shè)性預(yù)防方案，對治理鐵路電能質(zhì)量污染具有重大意義[6]。

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(責(zé)任編輯佟金鍇校對張凱)

Study on Harmonic Suppression in High Speed Railway Traction

Network Based on Synchronous Detection Method

CAO Yang

(Department of Electrical Engineering,Liaoning Railway Vocational and Technical College,Jinzhou 121000,Liaoning Province)

Abstract：Along with the rapid growth of the rapid construction of high-speed railway and the national economic construction,more and more attention and concern are paid to the security and reliability of power supply and local power network of electrified railway traction power supply system.Due to the characteristics of high speed,heavy load and changing load,the harmonics in the railway traction power supply system are becoming complex which can cause the negative sequence reactive power harmonic interference phenomenon and lead to increasingly serious problem.The harm of harmonics not only seriously affects the normal operation of the railway system,but also destroys the normal power supply of local power system.Therefore,the study on the power compensation technology of high speed railway traction system to improve the reliability of power supply and power efficiency,and ensure the quality of power supply of electrified railway,has theoretical and practical value.Aiming at the above problems,the structure and power supply of high-speed railway traction power supply system were analyzed,and the causes and characteristics of harmonics were researched according to the loads in normal and fault condition of the traction power supply system.The harmonic model of the high-speed railway AT traction power supply network was established,and the research scheme of measurement and control of active power filter based on voltage synchronous detection was put forward in this paper.The conclusions would provide a theoretical basis for improving the comprehensive active compensation of electrified railway.

Key words：high speed railway;synchronous detection method;the traction network;active power filter

作者簡介：曹陽(1961-)，男，遼寧錦州人，副教授。

收稿日期：2015-03-24

中圖分類號：TM922

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-1603(2015)02-0141-05

DOI：10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.02.011