关键词：牵引供电区段；车网耦合系统；谐波抑制

1  引言

谐波电流使牵引网供电线路电能损耗增大，使动车组电气部件和牵引供电系统运行状态异常甚至发生谐波过电压损坏用电设备的现象，造成继电保护和自动装置异常启动、电源系统跳闸，避雷器击穿、列车升弓等问题^[1-2]，从而影响了高速铁路的正常运营。随着动车组的速度不断加快，运行功率的加大，行车密度随之增加，因此对于牵引供电系统中的谐波问题应该更加重视。

2  牵引供电区段建模

高铁牵引供电系统由外部电源、牵引变电所（包括分区所、开闭所、AT所等）及牵引网（包括馈线、接触网、钢轨、保护线、综合地线等）组成的供电系统^[3]，本文所研究的哈大高铁西四牵引供电区段采用全并联AT供电方式，主要包括西四牵引变电所、古城子AT所、四中AT所、新力分区所。哈大高铁牵引供电区段系统结构图如图1所示。

图1  哈大高铁牵引供电区段系统结构图

牵引变电所由两台二次侧带中间抽头的单相牵引变压器构成的V/x接线牵引变压器，二次侧分别与牵引母线连接，馈线由两组牵引母线分别向两侧的供电臂供电，变压器二次侧的两个绕组中点以及钢轨均与N母线连接^[4]。AT变压器其一次侧绕组与接触线T线和馈线F线连接，AT变中点与钢轨相连，使得接触网与钢轨间的电压稳定在27.5kV，可视为绕组匝数比为1:1的双绕组变压器。外部电源、牵引变、AT变参数如表1所示。

根据哈大高铁西四牵引供电区段的实际情况，供电臂长度为40km，分别在14km、25km处有一座AT所，在40km处有一座分区所。AT牵引网中包含众多传输导线，作为多导体传输线系统对其进行精确建模是准确分析牵引供电系统谐波情况的关键。

西四牵引供电区段变电所、AT所、分区所之间由多导体传输线路连接，全并联AT供电牵引网结构复杂，可将其看作一个由纵向串联元件和横向并联元件组成复合链式电路^[5-6]。由于牵引变电所、AT所、分区所与列车等横向并联元件之间的距离较短，可用牵引网多导体传输线路型等效电路和牵引网多导体传输线链式模型，根据实际线路参数，对牵引网的上、下行阻抗矩阵、分布电容矩阵等参数进行计算建模。

3  CRH380BG牵引传动系统谐波产生机理及建模

CRH380BG的主电路由网侧高压电器、牵引变压器、牵引变流器（包括四象限整流器、中间直流电路、逆变器）和牵引电机组成。动车组从接触网接收27.5kV/50Hz的单相工频交流电经主断路器传送到牵引变压器降压，变压器的二次侧输出41850V的电压。该1850V的交流电由牵引变流器单元内部的四象限斩波器转换为3100V~3600V的中间直流电^[7]。中间直流电通过PWM逆变器将电能转化为变压变频（VVVF）的三相交流电向牵引电机供电。由于动车组的中间直流环节中存在着直流滤波电容器、LC二次谐振电路等，使得电动机产生的谐波在流过中间直流环节时被削弱，只有一小部分可以注入到牵引网中，因此动车组网侧谐波电流主要来自于牵引变流器。
3.1  牵引变流器低次谐波电流产生机理

3.2  牵引变流器高次谐波电流产生机理    

 

    

根据CRH380BG型动车组牵引传动系统结构及主要参数，用Matlab/Simulink仿真工具对CRH380BG型动车组建立模型，牵引传动系统其整流器-逆变器-电机联合仿真模型如图2所示。

图2  CRH380BG牵引传动系统联合仿真模型

4  CRH380BG-牵引供电区段车网耦合系统仿真分析

图3  车网系统谐波模型

牵引供电系统与动车组牵引传动系统，相互之间存在着较强的电气耦合关系，建立CRH380BG动车组-西四牵引供电区段车网耦合数学模型，并采用Matlab/Simulink仿真工具对其进行联合仿真，并分析谐波电流特性。

图4  动车组-牵引供电系统联合仿真

4.1  CRH380BG动车组动态运行时牵引网谐波电流仿真分析                                                                                                                

图5  牵引变电所馈线侧谐波电流含量

图5中红、蓝、黄、淡蓝、紫、绿色分别表示动车组运行于距离牵引变电所0km、10km、20km、30km、40km处牵引变电所馈线侧谐波电流。CRH380BG动车组位置发生变化时，各次谐波电流的放大趋势基本相同，且无论动车组在牵引网上的位置如何变化，牵引变电所馈线侧的谐波主要分布在小于2500Hz和4000~5000Hz两个频带内，且均在35、37、39次及95~105次（奇次）谐波含量较大；CRH380BG动车组与牵引变电所相距越远时，牵引变电所馈线侧谐波电流含量越大，当动车组位于牵引网末端时达到最大。
4.2  CRH380BG动车组再生制动工况下牵引网谐波电流仿真分析

高速动车组在实际运行过程中运行工况多变，动车组不同运行工况将会影响到牵引网的谐波分布，对其再生制动工况下谐波电流分布进行分析。

图6  牵引网馈线侧谐波电流分布

图6中红、蓝、黄、淡蓝、紫、绿色分别表示动车组处于再生制动工况时距牵引变电所0km、10km、20km、30km、40km处馈线侧谐波电流。牵引网谐波电流总畸变率最高达13.12%，无论是含量还是谐波总畸变率均比CRH380BG动车组运行于牵引工况时大得多，动车组以再生制动工况运行时对牵引网的谐波电流影响更大。

4.3  CRH380BG动车组不同工况下牵引网谐波电流仿真分析

动车组行车速度快、发车间隔时间短，通常在同一供电臂上存在着多车同时运行的情况，动车组之间会产生交互影响的现象。在此对供电臂有两辆处于不同运行工况的CRH380BG动车组同时运行（即一辆CRH380BG动车组以再生制动工况运行于上行线路末端，另一辆CRH380BG动车组以牵引工况运行于下行线路16km处）时仿真分析牵引网馈线侧谐波电流分布情况。

图7  牵引网馈线侧谐波电流分布

图7中红、蓝、黄、淡蓝、紫、绿色分别表示一辆CRH380BG动车组以再生制动工况运行于上行线路末端，另一辆CRH380BG动车组以牵引工况运行于下行线路16km处时，距牵引变电所0km、10km、20km、30km、40km处馈线侧谐波电流。两列CRH380BG动车组作为双谐波源向牵引网注入谐波，所注入的谐波相互作用，与只有一列CRH380BG动车组以再生制动工况运行时牵引网各处谐波电流总的畸变率有所增大，仍为距离牵引变电所越远，谐波电流含量越小。
5  CRH380BG-牵引供电区段车网耦合系统谐波电流抑制策略

对于车网耦合系统的谐波抑制方法主要有：

（1）从源头上进行谐波抑制。通过改进机车的控制策略、谐波补偿及加装网侧滤波器来减小甚至滤除机车向牵引网注入的谐波电流；

（2）在牵引供电系统中装设无源、有源或混合滤波器等滤波装置，通过对所要滤除的谐波呈现低阻抗形成通道或通过补偿谐波达到抑制谐波的目的。牵引供电区段主要受35~39次及95~105次高次谐波的影响，因此针对西四牵引供电区段的谐波特征，主要对其高次谐波进行滤除。
5.1  牵引供电区段谐波电流抑制方案的提出

    针对西四牵引供电区段谐波抑制采用阻波高通滤波器的方案，该装置安装位置优选在供电区段末端的分区所内，在T-R和F-R线之间分别设置一组阻波高通滤波器。电气一次系统位置布置图如图8所示。

图8  电气一次系统位置布置图

图9  滤波器电气一次系统图

滤波器电气一次系统图如图9所示，图9中采用了一台单极真空断路器，2台单极隔离开关，1台电压互感器，3台电流互感器，1组电容器，1台电抗器，1组高压电阻器和常规放电线圈1套。电容器C采用集合式II型电容，额定电压为42kV（带1/2电压抽头），额定容量为2400kVar；电抗器L采用铁芯电抗器，设有0、共3个抽头，额定电压为29kV，额定容量为1600kVar；电阻器采用高压电阻，额定容量为80kW；放电线圈放电容量为5000kVar，一次额定电压为21kV，二次额定电压为100V，二次负荷额定容量为100VA。

5.2  谐波电流抑制方案的仿真分析

（1）动车组处于牵引工况时谐波电流抑制方案验证

动车组距离牵引变电所越远，牵引变电所馈线侧谐波电流畸变越严重，考虑最严重情况，动车组位于线路末端且处于满功率负荷。阻波滤波器投入前、后馈线侧电流波形如图10所示。满功率负荷阻波滤波器投入前后馈线侧谐波电流含量如图11所示：

图10 a、b分别为阻波滤波器投入前、后馈线侧电流波形

图11 满功率负荷阻波滤波器投入前后馈线侧谐波电流含量

（2）动车组处于再生制动工况时谐波电流抑制方案验证

动车组处于再生制动工况时，牵引变流器向牵引网反送大量谐波电流，此时谐波电流畸变最为严重，甚至放大数十倍，可能导致车网谐振现象。阻波滤波器投入前、后馈线侧电流波形如图12所示。满功率负荷阻波滤波器投入前后馈线侧谐波电流含量如图13所示。

     图12（a）与（b）可以看出，投入前动车组再生制动时馈线电流波形毛刺畸变较大，当投入阻波滤波器后，牵引网馈线电流呈现较好正弦性。

                                                              

图13 满功率负荷阻波滤波器投入前、后馈线侧谐波电流含量

    图13中黑色实心柱状为投入前（滤波前）馈线侧谐波电流含有率5%左右，黑色空心柱状为投入后（滤波后）馈线侧谐波电流含有率0.8%左右，高次谐波畸变率大幅度降低，低次谐波畸变率降低一半左右。

动车组再生制动工况比牵引工况时，牵引供电系统谐波电流波形毛刺大得多。投入阻波高通滤波器后，无论动车组处于牵引还是再生制动工况，牵引网馈线侧谐波电流含量大幅度减少，谐波电流得到明显改善。

表3 不同工况下阻波滤波器投入前后谐波电流抑制效果对比（满功率负荷）

6  结论    当动车组以满功率处于牵引工况时，谐波畸变率由4.31%变为1.38%；当动车组处于再生制动工况时，谐波畸变率由13.12%变为2.36%，且经过抑制后两种工况下牵引变电所馈线侧电流波形呈现良好的正弦性。由表3可以看出2000Hz（40次）、5000Hz（100次）附近的奇次谐波电流得到了抑制，且没有引入新的谐波，对基波电流也无影响。

理论上分析推导牵引供电系统高、低次谐波电流产生机理，建立了动车组-牵引供电系统联合仿真模型，对不同运行工况下牵引供电区段谐波电流特性进行仿真分析。提出采用阻波高通滤波器抑制CRH380BG动车组-西四牵引供电区段车网耦合系统的高次谐波电流，通过对CRH380BG动车组不同运行工况运行时牵引变电所馈线侧谐波电流抑制前后的仿真分析对比，仿真结果验证了给出谐波抑制方案的有效性，为实际应用提供了参考依据。