Abstract: In this paper, CRH380B EMU traction power supply system as the research object, adopt different carrier frequency when the rectifier of the network side harmonic analysis, in order to avoid a high harmonic amplitude, and put forward measures according to the generation mechanism of harmonic harmonic peak, which adopt different carrier frequencies for different vehicles with the same power supply arm. The harmonic distribution in different frequency bands, to avoid a superposition of harmonics, and finally through the Matlab simulation software, in the same power supply arm of two cars, three cars run parallel parallel verification run, prove the effectiveness of the harmonic peak measures.
Key words: CRH380B; Superposition of high order harmonics; Matlab
【中图分类号】TM461 【文献标识码】B 【文章编号】1561-0330（2019）01-0000-00
1 引言
近年来，我国经济蓬勃发展，社会逐步繁荣，我国的铁路交通运输事业也迎来了前所未有的历史机遇，高铁作为我国“新四大发明”之一，为我们的强国梦做出了卓越的贡献，是中国社会走向繁荣富强和彻底实现现代化的重要标志。在现代高铁网飞速发展的同时，高速动车组与牵引网的匹配性带来了新问题，牵引网作为一种非线性、不对称性、波动性很强的电力子系统，而动车组的牵引机车多为单相整流或逆变负荷，在运行过程中，由于多组动车组并行时参数匹配不合理、控制策略单一，会导致大量谐波注入牵引供电系统，引起电能质量下降，本文针对于高次谐波叠加问题，采取高次谐波错峰措施来防止某一次谐波幅值过高对网侧变压器和接触网造成影响。
CRH380B高速动车组是以CRH380BL为基础，针对高寒车运行环境作适应性优化，动车组是8辆编组，4动4拖，其牵引系统是基于25kV AC供电条件设计的，在一列4M4T编组的高速动车组CRH380B上，装设有2台主变压器和4台牵引变流器，主变压器装设在2车和7车上，牵引变流器分别装设在1车、3车、6车及8车上。牵引变流器的作用是将接触网25kV/50Hz的单相交流电经主变压器降压后输出的1850V/50Hz的单相交流电，经脉冲整流器输出稳定的直流电，再经牵引逆变器输出电压频率可调的三相交流电为三相异步电机供电。CRH380B牵引传动系统的单个牵引单元电气结构图如图1所示。
图1 CRH380B单个牵引单元主电路结构示意图
2 整流器的控制策略
CRH380B型动车组的整流器采用瞬态直接电流控制，通过电压电流双闭环控制实现整流环节的稳压、调压、实现单位功率因数以及工作状态的稳定转换目的，具有直流电压稳定性好、动态响应好、控制简单、能够有效抑制整流器输入侧谐波电流等优点，因此，在动车组中广泛采用瞬态直接电流控制策略，其控制框图如图2所示。
图2 瞬态电流控制原理图
其具体表达式如下：
CRH380B型动车组整流环节要实现的功能有：
①稳压：当电压给定值不变时，脉冲整流器输出电压应保持稳定 。
②调压：当电压给定值变化时，整流器输出电压应随之变化。
③工作状态的转换：整流器的工作状态应能随动车组的不同工况而改变，牵引工况时工作在整流状态，制动工况时工作在逆变状态。
④实现单位功率因数运行：牵引工况时，实现网侧电压、电流同相位；制动工况时，实现网侧电压、电流反相位，以达到减少网侧电流谐波的目的。
为了实现上述目标，CRH380B型动车组的整流器采用瞬态电流控制，它通过电压、电流双闭环控制实现上述控制目标，具有直流电压稳定性好、动态响应好、控制简单、能够有效抑制整流器输入侧谐波电流等优点。
CRH380B动车组牵引变流器的两电平脉冲整流器采用双极性SPWM调制，利用两个反相的正弦调制波与三角载波进行比较，得到的脉冲信号作为两桥臂功率管的开关信号。
图3 两电平脉冲整流器调制原理
根据傅里叶级数计算可得A相电压为：
B相电压为：
变流器输入端电压为：
整流器的电压平衡方程：
（6）
高速动车组牵引变流器网侧谐波电流主要为3次、5次、7次、9次等低频谐波分量和偶数倍开关频率附近的奇数次高频谐波分量。其低频谐波主要来自两个方面：一是由高速动车组牵引变流器中间直流环节两倍频脉动电压引入网侧的低频谐波电流，二是网侧输入电压、电流本身含有的低频谐波。对于低频谐波问题，不少文献从单相电压型四象限脉冲整流器低频谐波的产生机理入手，研究了低频谐波和瞬态电流控制的关系，提出了基于纹波电压前馈补偿的改进型瞬态电流控制算法、电压环中加入低通滤波器和陷波器的瞬态直接电流控制算法以及基于PR控制器的电流内环优化控制算法等 。基于纹波电压前馈补偿的改进型瞬态直接电流控制算法对由纹波电压造成的网侧电流低频谐波有一定的抑制作用，但无法抑制牵引网输入电流中的低频谐波。电压环中加入低通滤波器、陷波器的瞬态电流控制算法虽然能够抑制输入电流的低频谐波，但会给反馈信号带来一定的相移和信号延迟，使控制系统反应速度变慢，给系统的动态性能带来恶劣影响。电流内环采用PR调节器代替PI调节器的瞬态电流控制算法理论上能够抑制网侧低频谐波电流。
4 牵引负荷谐波叠加
目前研究机车谐波叠加主要有三种方法：解析法、仿真法和实测法。解析法采用概率学和统计学理论，求得随机电流概率密度函数，得到谐波叠加指数，运用函数解析式求出牵引负荷谐波叠加结果。仿真法采用MATLAB/PSCAD等仿真软件，建立供电臂下牵引负荷仿真模型，观察理想情况下谐波叠加情况，对于谐波分析具有一定的指导意义。实测法对牵引网不同馈线处的谐波全天候测量记录，在大量实测数据的基础上用电能质量评估软件分析谐波的统计特性。
对于同一牵引供电臂下两列CRH380B动车组混跑，两个谐波源使得牵引负荷随机动性较大，谐波相位呈现离散性。不同谐波源产生的同次谐波在叠加时，因其相位差异而采取不同的叠加方法。若2个同次谐波的相位相差较小时，可直接按同相关系线性相加，但若其相位差大于90°，则叠加时的合成值可因两者部分相消而减小。根据经验得出谐波电压和电流叠加法则，
次谐波合成电压可用下式表示：
（8）
5 仿真分析
对于CRH380B型动车组的脉冲整流器，采用瞬态直接电流控制策略，包括电压外环和电流内环，从上文理论分析中可知，网侧电流中低次谐波以3、5、7、9、11等奇次谐波含量较大，因为该动车组脉冲整流器的开关频率为1250HZ，则载波比N=1250/50=25。由于开关频率远大于调制波频率，则在一个开关周期内可以认为调制信号为一恒定量，当对整流器采取二重化并联以后，其网侧电流二倍开关频率处谐波相互抵消，谐波只存在四倍开关频率处，如图4所示。在同一供电臂下，两列机车以额定功率并联混跑时其网侧谐波情况如图5所示。
图4 脉冲整流器的网侧电流谐波 图5 两列车组额定功率下并联网侧谐波含量
由图5可知，当两列机车额定功率下并联混跑时，其网侧谐波含量THD=2.23%，谐波含量虽然能满足整车网侧谐波THD
3%的技术要求，但是两车产生的谐波已经在网侧进行了迭加，由于两列车载波频率都为1250Hz，其在网侧会产生相同的谐波，根据上文谐波电流的迭加公式，在网侧会造成某一特定次谐波过大，容易引起接触网的震荡。由图5知，97次谐波迭加现象明显。当考虑到车站内其他处于整备状态时的列车，如果也采取1250Hz的载波频率，又会造成某些特定次迭加。如果同一供电臂下再有其他动车组运行时，其10次附近谐波继续迭加，若再考虑到同一供电臂下有其他整备车处于整备状态时，其高次谐波含量幅值更加突出，这种情况容易造成高次谐波的越线，会造成高次谐波的大量迭加，影响牵引网电能质量、容易引起接触网谐振、影响其他车辆的正常运行等等。
当对于同一线路上运行的动车组和牵引变电所处于整备状态的动车组变流器都采取相同的载波频率，各车网侧高次谐波经过线性叠加后谐波含量已经超过网侧谐波含有率的标准，造成了某一特定高次谐波的越线。为了抑制网侧电流的高次谐波，避免某一次高次谐波的叠加，本文提出避免高次谐波叠加的高次谐波错峰措施：其网侧高次谐波分布于二倍、四倍开关频率处，对于两组动车组整流器设置不同的载波频率，其中一列车整流器开关频率设置为1250Hz，另一列动车组整流器载波频率设置为750Hz，当这辆列车处于同一供电臂下并联混跑时，虽然整车网侧谐波畸变率略有增加，但是能够有效的避免了二倍、四倍开关频率附近的高次谐波的叠加。接下来将仿真两列车、三列车并联时采取高次谐波措施时网侧高次谐波分布。
（1）同一供电臂下，当两车以额定功率并联运行时，搭建仿真模块如图6所示，车1变流器载波频率设置为1250Hz，其载波比为N=1250/50=25，由上文仿真结果可以看出高次谐波分布在97次，网侧谐波含量THD=2.09%；车2变流器载波频率设置为75050Hz，其载波比为N=750/50=15，由上文仿真结果可以看出最高次谐波分布在49次，网侧谐波含量THD=2.29%。其仿真结果如图6所示。
图6 两车并联封装模型 图7 同一供电臂下两车并联网侧谐波FFT
（2）同一供电臂下，当三列车以额定功率并联运行时，搭建仿真模块如图8所示，车1变流器载波频率设置为1250Hz，其载波比为N=1250/50=25，由上文仿真结果可以看出高次谐波分布在97次，网侧谐波含量THD=2.09%；车2变流器载波频率设置为750Hz，其载波比为N=750/50=15，车3变流器载波频率设置为1400Hz，其载波比为N=1400/50=28，由上文仿真结果可以看出最高次谐波分布在49次，网侧谐波含量THD=2.29%。其仿真结果如图9所示。
图8 三车并联封装模型 图9 三车并联网侧谐波FFT
6 结论
由图7与图5对比可知，当采取高次谐波错峰措施时，虽然网侧THD含量略有上升，但高次谐波次数进行了分散分布，避免了某一次的叠加，这样反馈到网侧的高次谐波幅值不会越限，能够减少牵引网的故障几率。由图9可知，对于同一供电臂下的三列车分别采取750Hz、1250Hz、1400Hz的载波频率，其网侧高次谐波分别分布于60次、100次、112次等四倍开关频率处，通过采取高次谐波错峰措施，能够避免单一高次谐波的叠加，最大程度上增加同一供电臂下并联混跑车辆的数量。
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作者简介：
关博 (1992，12，27-) 男 硕士研究生 大连交通大学电气信息学院 研究方向为牵引供电技术.
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