高速动车组网侧谐波含量放大现象的分析＊

黄 金，陆 阳，张 波

（中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081）

随着京沪高速铁路的开通，设计速度350km／h的新一代高速动车组大规模投入应用。动车组在投入运用之前进行了大量的型式试验和科学研究试验，验证高速动车组运行安全性和稳定性的同时，也发现了许多控制软件的漏洞并得到及时更正，保证了高速动车组运营质量。2011-01-09试验过程中，两列高速动车组在同一供电臂区间运行时，其中一列动车组主断无法闭合，或闭合后自动跳开，严重影响动车组的正常运行。通过对试验数据的分析，确定该问题是由于网侧谐波含量过大导致网压瞬时值过高引起的。

本文通过对动车组脉冲整流器谐波特性的理论分析，结合现场试验数据，分析事故发生的原因。最终认为是由于谐波源动车组脉冲整流器载波移相控制逻辑出现错误导致了网侧高次谐波被放大，接触网电压被注入大量高次谐波成分，引起同一供电臂下其他动车组监测的瞬时网压过大导致了过压保护。在此基础上动车组生产厂家调整四象限脉冲整流器载波移相控制逻辑，成功解决了同一供电臂下两列动车组不能同时运行的问题，保证了试验的正常进行。

1 动车组网侧谐波特性分析

1.1 单脉冲整流器谐波分布理论分析

对于单个脉冲整流器来说，其控制方式采用双闭环控制［1］。电压外环采用PI控制器使得实际的直流侧电

压Ud跟踪直流侧电压给定值，从而保持直流侧电压稳定。电流内环主要使实际的网侧电流iN跟踪给定的网侧电流，实现单位功率运行。的幅值和频率通过PI电压外环控制器和锁相环（PLL）得到。由此分析，在电压外环PI控制器中，由于实际直流侧电压有2次纹波，则其输出的幅值表达式也含有2倍电网频率的分量，将其与锁相环采样得到的与电网同频率的正弦信号相乘，得到网侧电流的给定值，其中必然含有3次谐波，实际网侧电流跟踪给定的网侧电流，则最终实际网侧电流iN就含有较大3次谐波。与上述分析相同，iN中的3次谐波通过整流器后，必然会导致网侧电流iN含有5次谐波，依次类推，从理论分析上可以得出，网侧电流中3，5，7，9，11等奇次谐波含量较大。

该型动车组脉冲整流器的开关频率为1 250Hz，则载波比N=1 250／50=25。由于采用单极性SPWM调制，三角载波与正弦调制波相比较来产生PWM驱动信号，其具有对称性，则网侧电流含有的偶次谐波含量较低，主要以奇次谐波为主。

由于开关频率远远大于调制波频率，则在一个开关周期内，可以认为调制信号为一恒定量。网侧电流在一个开关周内变化为5次，则可以认为网侧电流含有两倍开关频率左右的谐波，由上分析，电流只含有奇次谐波，则高次谐波主要分布在：2N±1、2N±3、2N±5等谐波。由于载波比N=25，则高次谐波主要分布在43，45，47，49，51，53，55次等。

图1 三电平脉冲整流器网侧电流频谱分布（仿真结果）

图1为一个三电平脉冲整流器的网侧电流谐波特性仿真结果，系统的开关频率为1 250Hz。由于可以看出低次谐波主要分布在3，5，7，9次，高次谐波主要分布在两倍开关频率左右的43，45，47，49，51，53，55次，验证了上述分析的正确性。

1.2 多重化整流器的载波移相分析

在电力牵引交流传动系统中，由于大功率的开关器件开关频率较低，为了提高系统的容量和减小网侧输入电流的谐波含量，通常脉冲整流器采用多重化技术。多重化技术的原理是通过变压器耦合的方式将多个相同结构的整流单元按串联或并联的方式组合而成。对于多重化脉冲整流器的调制，采用载波移相技术，其原理是各单元整流器采用共同的调制波，将各单元整流器的三角载波相位相互依次错开一个相同的相位角π／N′（N′为整流器的单元数），然后利用PWM技术中的波形生成方式和载波移相技术中的移相叠加得到阶状波，这样做的好处是可以使脉冲整流器输入电流的高次谐波互相错开，并在变压器一次侧电流的谐波总量中使部分谐波相互抵消［2］。

由于同一列动车组不同整流器间的三角载波互相错开90°，多台整流器的输入电流高次谐波的峰顶和峰谷正好错开，使电流的高次谐波相互抵消一部分，在变压器一次侧可以得到更接近正弦波的电流波形。实际上，所抵消高次谐波的频率分布在两倍开关频率左右。图2和图3分别为牵引变压器二次侧两个绕组的电流频谱分布的定性仿真结果。图4为牵引变压器一次侧电流的频谱分布仿真结果。仿真结果证明，通过载波移相技术能够很好的消除一次侧电流分布在两倍开关频率左右的高次谐波，即相当于提高系统两倍的等效开关频率。

图2 牵引变压器二次侧绕组1的电流iN1的频谱分布

图3 牵引变压器二次侧绕组2的电流iN2的频谱分布

图4 牵引变压器一次侧绕组电流的频谱分布

2 试验结果分析

试验过程中，由于条件限制无法监测动车组所有动力单元的网侧电气参数，因此选取单个动力单元的两组脉冲整流器作为测试对象。在无法取得总网流的情况下，本文以网侧电压谐波含量分析为基准，二者的定性分布情况基本相同。图5为谐波源动车组单个动力单元脉冲整流器主电气线路接线图，该型动车组脉冲整流器为二极管钳位型（NPC）三电平脉冲整流器。

图5 谐波源动车组单个动力单元主电气线路接线图

图6 2011－01－09谐波源动车组网侧电压波形

图6为2011-01-09该型动车组监测到的网压波形。从试验结果来看，网压瞬时值含有大量谐波成分，图中网压最大瞬时值接近70kV。这对网压有严格要求的动车组来说，长时间高瞬时值的网压必然会引起高压系统的过压保护，甚至导致避雷器等高压设备的击穿。

对该电压瞬时值做谐波分析，得到图7的网压谐波分布。从结果看出，相对正常情况下的网侧谐波含量，2011-01-09试验过程中，网侧电压在该型动车组脉冲整流器两倍开关频率、4倍开关频率左右的高次谐波被放大，直接影响到注入网侧电压的谐波总量，导致了网压瞬时值过大。从网压谐波分析结果来看，谐波分布的相对位置与理论分析相同，但部分频次谐波幅值发生了较大变化。低次谐波含量未有明显增加，在理想的可控范围内；高次谐波含量明显增加，远远超出了脉冲整流器的设计控制范围。按照理论分析，载波移相控制后的脉冲整流器应尽可能的抑制两倍开关频率及4倍开关频率处的高次谐波含量，由此推测动车组运行过程中，单脉冲整流器的控制程序不存在漏洞，造成网侧电压谐波含量增加的原因在于多整流器载波移相出现了逻辑问题。

图7 2011－01－09试验网压谐波分析

图8为试验过程中动车组不同牵引变压器原边电流。从图中看出，各变压器原边电流间并无明显移相错位情况，图中几个动力单元的输入电流接近重合（考虑采集设备同步问题后）。试验结果证明动车组运行中脉冲整流器移相控制策略的逻辑发生错误或功能缺失。各脉冲整流器产生的高次谐波没有被消除反而被放大叠加，导致了网侧谐波含量增加，网压瞬时值变大。

图8 动车组不同动力单元牵引变压器原边电流

4 结束语

通过对动车组脉冲整流器工作时网侧谐波分布的分析，结合现场试验数据，定性的分析了动车组试验过程中网侧谐波含量过大的现象，有针对性的找出了问题的原因。通过动车组生产厂家对脉冲整流器控制软件的复查和确认，发现由于中央控制单元和牵引变流器启动的时间差异，导致该型动车组多台牵引变流器间未错开一定角度顺序开启。2011-01-16动车组生产商对脉冲整理器控制逻辑进行了修改，增加启动延时和信号确认，保证了各四象限变流器的均匀错相，使网侧谐波大为减少，从而验证了理论分析的正确性。

［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.