高速磁浮牽引供電系統(tǒng)濾波技術(shù)分析

胡建平 湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院

高速磁浮牽引供電系統(tǒng)濾波技術(shù)分析

胡建平 湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院

磁懸浮系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得列車運(yùn)行的速度大大提高，不過(guò)磁浮列車在運(yùn)行過(guò)程中，其本身的牽引供電系統(tǒng)會(huì)向電網(wǎng)發(fā)射諧波，影響電網(wǎng)穩(wěn)定性以及供電質(zhì)量。對(duì)此，相關(guān)部門必須合理選擇濾波技術(shù)，做好諧波處理。本文結(jié)合磁浮系統(tǒng)諧波的特性，對(duì)LC濾波、有緣濾波等濾波技術(shù)進(jìn)行了分析。

高速磁浮 牽引供電系統(tǒng) 濾波技術(shù)

磁浮或者說(shuō)磁懸浮技術(shù)，是利用磁力來(lái)抵消重力，使得物體能夠懸浮起來(lái)，減少摩擦力，可以將列車的運(yùn)行速度提高到500km/h以上，而且在行駛過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生噪音和廢氣，也不會(huì)對(duì)軌道造成磨損。不過(guò)，對(duì)于電網(wǎng)而言，磁浮列車屬于大容量間歇性感性沖擊負(fù)載，運(yùn)行時(shí)會(huì)向產(chǎn)生大量諧波，嚴(yán)重影響電網(wǎng)供電質(zhì)量。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，鐵路部門應(yīng)該采取有效的濾波措施來(lái)消除負(fù)面影響。

1 磁浮系統(tǒng)的諧波特性

以上海磁浮列車牽引供電系統(tǒng)為例，采用了12脈波相控整流器，從理論上分析，整流器在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)持續(xù)向電網(wǎng)發(fā)射諧波，諧波次數(shù)為11、13、23……而實(shí)際上，由牽引變流器發(fā)射的諧波還包括了5次諧波和7次諧波，在沒(méi)有設(shè)置濾波裝置的情況下，5次諧波含量為4.6%，7次諧波含量為3.2%、11次諧波含量為6.1%，13次諧波含量則為4.9%。

2 LC濾波

作為一種比較常見(jiàn)的諧波抑制裝置，LC濾波器不僅可以有效濾除諧波，也能夠提供無(wú)功補(bǔ)償功能，因此在高壓大容量系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。從結(jié)構(gòu)上分析，LC濾波器包括了電容器和電抗器，兩者相互串聯(lián)，調(diào)諧在某個(gè)特定諧波頻率。在面對(duì)需要調(diào)諧的諧波時(shí)，濾波器為低阻抗，而在理論上，可以將調(diào)諧頻率位置的阻抗設(shè)計(jì)成零，確保其能夠?qū)π枰獮V除的諧波分量進(jìn)行吸收。

在面對(duì)牽引變流器釋放的諧波時(shí)，磁浮線運(yùn)營(yíng)單位在牽引供電系統(tǒng)中安裝了5次、7次、11次及以上諧波的LC濾波器，能夠切實(shí)將諧波控制在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)。不過(guò)在實(shí)際應(yīng)用中，LC濾波器存在一些問(wèn)題，一是電容本身會(huì)產(chǎn)生較大無(wú)功，在列車沒(méi)有運(yùn)行時(shí)，會(huì)形成動(dòng)態(tài)補(bǔ)償負(fù)擔(dān)；二是LC濾波器的存在，可能與外部供電系統(tǒng)引發(fā)諧振問(wèn)題。對(duì)LC濾波器的阻抗進(jìn)行掃描，發(fā)現(xiàn)其在4.8、6.9、11.5次諧波位置存在串聯(lián)諧振，較低的阻抗保證了良好的濾波效果，在5.1次和7.4次諧波位置存在并聯(lián)諧振，阻抗較大。因此，如果在并聯(lián)諧振點(diǎn)周邊存在諧波，則容易引發(fā)大諧波電壓，導(dǎo)致設(shè)備絕緣性能下降。不僅如此，在使用中，一旦LC濾波器內(nèi)容的電容電感元件老化，造成阻值變化，則會(huì)導(dǎo)致諧振頻率點(diǎn)向整數(shù)次移動(dòng)，牽引變流器發(fā)射的諧波可能在外部供電系統(tǒng)引發(fā)諧振。

3 有源濾波

有源濾波在原理上與LC濾波器存在很大的差異，主要是通過(guò)逆變器，向電網(wǎng)注入諧波電流，體育負(fù)載諧波電流的幅值相同但是相位相反，通過(guò)相互抵消來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波的目的。又或者通過(guò)大阻抗來(lái)避免諧波電流流向電源。在實(shí)際應(yīng)用中，有源濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同次數(shù)諧波電流的同時(shí)濾除，相應(yīng)速度快而且不會(huì)受到電網(wǎng)參數(shù)影響。高速磁浮牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行中產(chǎn)生的濾波屬于中壓大功率范圍，有源濾波器的實(shí)現(xiàn)方式有兩種：

3.1 小容量三相逆變器并聯(lián)

主要是將多個(gè)容量較小的IGBT模塊并聯(lián)在一起，經(jīng)變壓器與供電母線連接。10kHHz的開(kāi)關(guān)頻率使得IGBT模塊能夠滿足有源濾波器的使用需求，而且模塊之間相互獨(dú)立，對(duì)諧波電流進(jìn)行分流，即使其中一個(gè)模塊出現(xiàn)問(wèn)題，其他模塊也可以保持正常運(yùn)作。在面對(duì)高頻諧波電流時(shí)，需要單獨(dú)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)濾波模塊。不過(guò)，這種方式由于需要經(jīng)過(guò)變壓器，會(huì)導(dǎo)致成本的增大以及響應(yīng)的延遲，器件本身發(fā)熱也會(huì)使得損耗增大。

3.2 H級(jí)僑聯(lián)

也稱CHB形式，將多個(gè)開(kāi)關(guān)頻率較低的H模塊級(jí)聯(lián)進(jìn)行移相控制，確保相位能夠錯(cuò)開(kāi)，以滿足有源濾波器的要求。CHB形式的優(yōu)勢(shì)在于損耗小，能夠減少對(duì)供電系統(tǒng)的擾動(dòng)，模塊化的設(shè)計(jì)為擴(kuò)展維護(hù)提供了方便，與電源直連的形式可以降低成本，提高效率及響應(yīng)速度。不過(guò)，在控制方面，CHB形式相對(duì)復(fù)雜和繁瑣。

4 IGCT大功率變流器諧波特性

借助不斷發(fā)展的科學(xué)技術(shù)以及長(zhǎng)期實(shí)踐得到的經(jīng)驗(yàn)，磁浮中心聯(lián)合委外單位，在IGCT的基礎(chǔ)上，研制了12脈波相控型7.5MVA大功率變流器。與GTO不同，IGCT的電流等級(jí)和耐壓等級(jí)更大，開(kāi)關(guān)頻率高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單且損耗較低，優(yōu)勢(shì)非常明顯。

在工作狀態(tài)，IGCT變流器會(huì)發(fā)射大量諧波，其中以高次諧波為主。相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，變流器諧波集中在11、13、23、25次的位置，也包含部分5次諧波和7次諧波。當(dāng)交流器空載運(yùn)行時(shí)，各次諧波的分布相對(duì)混亂，含量也更高。

5 APF試驗(yàn)情況

從IGCT變流器諧波特點(diǎn)出發(fā)，考慮母線負(fù)載類別，相關(guān)部門研制出了與20kV母線直掛的級(jí)聯(lián)式APF，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)磁浮列車荷載變化的動(dòng)態(tài)跟蹤，將動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間控制在了10ms以內(nèi)，能夠?qū)Υ鸥×熊囘\(yùn)行過(guò)程中的諧波電流進(jìn)行有效抑制，確保其滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

APF樣機(jī)中采用了星接法，通過(guò)N+2冗余模塊實(shí)現(xiàn)了28個(gè)功率模塊的串聯(lián)，再經(jīng)電抗器接入電網(wǎng)。樣機(jī)雖然相對(duì)簡(jiǎn)單，不過(guò)同樣經(jīng)過(guò)了出廠試驗(yàn)等檢驗(yàn)，性能可以保障。為了對(duì)其濾波性能進(jìn)行驗(yàn)證，在同濟(jì)大學(xué)高速磁浮試驗(yàn)線上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，主要目的是對(duì)IGCT變流器在運(yùn)行中產(chǎn)生的諧波進(jìn)行濾除?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)諧波電流如表1所示。

表1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)諧波電流

結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果分析，在進(jìn)行濾波前，IGCT變流器濾波的存在使得電壓畸變率達(dá)到1.7%，與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的2%的限值接近，而在濾波后，電壓畸變率為0.7%，電流諧波濾除率平均為65%左右，表明APF裝置可以滿足濾波要求。

不過(guò)，受試驗(yàn)條件限值，得到的試驗(yàn)結(jié)果實(shí)際上并不理想。由于試驗(yàn)線長(zhǎng)度有限，嚴(yán)重限值了變流器的負(fù)荷輸出，與有源濾波器一樣，在輸出上距離額定工況頗為遙遠(yuǎn)，加上基波與諧波電流幅值僅為8A左右，諧波電流的波動(dòng)較快，濾波難度較大。不僅如此，進(jìn)線側(cè)電流互感器變比折算到二次側(cè)，諧波電流在13mA左右，容易受噪聲干擾，影響補(bǔ)償效果。因此，想要確認(rèn)裝置的性能，需要在更好的環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)。

總而言之，在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的帶動(dòng)下，高速磁浮列車飛速發(fā)展，其牽引供電系統(tǒng)的諧波濾除也受到了越來(lái)越多的關(guān)注。相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)該立足實(shí)際需求，對(duì)濾波技術(shù)和濾波裝置進(jìn)行合理選擇，保證濾波效果，為高速磁浮技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供良好的保障。

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