基于同步检测法的高速铁路牵引网谐波抑制研究

曹　阳

(辽宁铁道职业技术学院 电气工程系，辽宁 锦州 121000)



基于同步检测法的高速铁路牵引网谐波抑制研究

曹阳

(辽宁铁道职业技术学院 电气工程系，辽宁 锦州 121000)

摘要：高速铁路牵引供电系统易产生复杂多变的谐波，从而引起负序无功现象。谐波危害不仅严重影响了铁路系统的正常运营,同时破坏了地方电力系统的正常供电。研究高速铁路牵引供电系统综合补偿技术, 提高供电可靠性和供电效率，切实保证电气化铁路的供电质量,具有理论与实际应用价值。针对上述问题，分析了高速铁路牵引供电系统的结构和供电方式，根据负载正常和故障状态下运行的情况，研究了牵引供电当中谐波产生的原因和特点。建立了高速铁路AT牵引供电网谐波模型，提出了基于电压同步检测的有源滤波检测与控制的研究方案,得到的结论为改善电气化铁路有源综合补偿技术提供了理论依据。

关键词：高速铁路，同步检测法，牵引网，有源滤波器

1电气化铁路谐波

1.1　牵引供电网和供电方式

电气化铁路一般由三个重要部分组成，分别是接触网、牵引变电所和电力机车,三者相辅相成。从关联性和功能结构上，接触网和牵引变电所一起被划归到了供电装置，而供电装置与电力机车则组成了电气化铁路系统。其中，牵引供电网是由接触网、变压器、电力线路、轨道和回流线共同构成的电能输送途经。从其用途和功能上定性分析，馈电线就好比是电网里的导线，是连接接触网与牵引变电所的中间环节, 牵引用电能可以通过馈电线由牵引变电所转换，再传送给接触网。接触网是牵引电力机车动力的最主要来源，其安装在电气化铁道线路的上方，是与路基有一定间距的链形或单导线的输电网络。牵引电力机车是流动性负载，其能量是通过受电弓和接触网间的滑动摩擦获得的。在牵引供电网当中,轨道不单起到列车的支撑作用，同时它还是完成电路闭合作用的通道，其与接触网组成220 kV的牵引供电路径。

牵引网供电方式，根据目前我国电气化供电系统特点，按照结构形式一般归纳为4种，即直接供电方式、直供带回流供电方式、BT供电方式和自耦变压器供电方式。直接供电的方式成本低、结构简单，通过接触网实现牵引变电所向电力机车供电,然后经钢轨及大地形成回流再返回到牵引变电所[1]。直接供电得益于简单的电路结构，需要较少的设备,建设也相对方便。但是,由于接触网在空中能够激发强大的磁场,严重干扰附近的电力、通信、广播设施，所以目前还较少使用这种供电方式。现在,我国大多数铁路线路还是采用加回流线的直供方式。AT供电方式利用并联自耦变压器的方法,可以适应高速、大功率电力机车的运行,同时又能利于减少接触网对于通信线的电磁影响。AT供电方式的电路由牵引轨道、变电所、AT变压器、悬挂、馈线等组成。AT供电将整个供电区划分为若干个小区间(AT区段)，形成了多个网孔的供电网络。接触悬挂是去路，正馈线是回路，根据悬挂上的电流抵消正馈线上的电流以消除电磁感应的影响,这种供电方式能够有效地解决对通信线的干扰。

1.2　电气化铁道谐波原因及危害

根据国际标准，把电气量中正弦波的分量规定为谐波。由此可知，谐波频率必然是基波的整数倍，也就是说谐波次数可以是个正整数。众所周知，目前电力系统一般采用的额定频率是50 Hz, 如果是n次谐波，那么n次谐波为50nHz。研究非正弦变量波形普遍使用傅立叶变换，利用数学的方法把非正弦波分解成为基波、直流分量及一系列整数倍基波频率的频率。而定性分析谐波的特征，一般则是研究总畸变率和谐波含有率，同样也可以分析谐波含量。

谐波的原因有很多，理想状态是电压和电流都是正弦波，但是实际生活当中波形经常会被谐波干扰而导致非正弦畸变，其主要原因是因为非正弦负载大量存在于电力系统当中。电气化铁路系统当中的电力机车本身有许多特点，尤其是跟其他非线性负荷相比有许多不同点，根据实际需要和供电要求，机车本身是单相整流负荷，具有输出功率大、波动性强的特点。电力列车在行驶当中的启动、制动、惰行、提速等各种运行状态，以及面对同机操作、转弯半径、环境条件、线路斜度等情况和供电区间中列车数量的变化，都会导致供电负荷随机波动。在地方电力系统中，相对于其他一般负荷,高铁电力牵引负载则包含滞后性、非线性、随机波动性、非正弦性的特点。而由高铁电力牵引荷载诱发的谐波则更加具有其特殊性，归纳起来分为随机变化性、稳态非线性、相位滞后性、高压渗透性[2]。

目前，电力系统中的谐波污染危害相当严重，影响着国民生产的正常进行，它直接诱使供电系统的电压和电流波形发生畸变,降低供电质量，危害电力系统的供配电设备，是导致大量故障发生和电压电流波形异变的主要原因之一。按照危害对象划分为以下几类：

1)危害供配电线路类；

2)危害发电机、电动机、电子元器件、通信和电力电缆类；

3)影响自动控制类；

4)危害人体健康类。

在铁路沿线，电气化铁路牵引网包含若干个牵引变电所,为保证供电可靠性需要双电源供电,在变电所内一般经过电力变压器降低为27.5 kV，再通过接触网向电力机车供电。众所周知，目前我国大部分电力机车都是采用25 kV的单向工频交流电压,经过桥式整流电路的全波整流以后才能够驱动牵引电动机,在变电所、接触网、钢轨和大地相互间形成回路的前提下运行。由于电气化铁路使用大量非线性器件，导致了铁路供电系统本身就变成了一个谐波源,若谐波电流太大,就会损失额外的功率,最终影响到电力系统中交流电动机的运行特性。谐波污染日趋严重，已经成为影响电力系统的主要原因之一[3]。

2有源滤波器检测方法和控制策略

2.1　检测方法

2.1.1同步检测法

自动检测的核心是快速准确得到指令信号,所以影响补偿效果的关键是采用哪种检测方法来保证精确度和准确度。同步检测法是利用谐波补偿电压和电流分量,达到电压和电流波形幅值相同的一种补偿手段。最初,这种检测法只能适用于单相供电系统,改善供电质量维持较高的功率因数，提高单相电压和电流波形的一致性。依靠现代控制技术理论的研究与方法的改进,终于将同步检测法适用于电力系统非对称电路的谐波以及无功补偿方面。相对于传统的自适应、瞬时无功、神经网络等检测电流谐波的方式,同步检测法具有响应速度快、抗干扰能力强、配套设备简单等特点，能够根据不同补偿对象,采取对应的检测方法，目前电阻等效法的应用情况相对较少,功率等效法和电流等效法则适用广泛。

同步检测法(即等效电阻、等效电流、等效功率)，先设电力系统中电压ua、ub、uc，对应着电压幅值Ua、Ub、Uc，同理电流分别是ia、ib、ic，电流幅值Ia、Ib、Ic，总功率及三相瞬时功率P、Pa、Pb、Pc，则根据3种不同方法可以推导出：

(1)

(2)

(3)

利用同步检测法的最大优点和特点就是不管使用哪个同步检测算法,都能够快速并且准确地将基波量定位出来,以此为依据就能够做到谐波的无功补偿。同时，因为同步检测算法的核心都是把电压电流波形作为信号,根据一定的计算方法,做到电压和电流波形同相。所以，遇到三相电路是对称的时候,及快又准地检测到电压补偿分量，可是当电力系统三相不对称时,得到的结果中也可能含有少量的谐波。

2.1.2基于电流锁相的检测法

通过理论推导及分析现场实际可以看出,当供电系统中存在三相不对称负载时候，电流检测法检测到的无功分量和有功分量在一定程度上是存在误差的，因此当三相电压电流源发生畸变的时候,利用同步检测法得到的检测结果就会产生与其同次的谐波。为了克服以上问题,对传统同步检测法进行更新改进就总结出了基于电流锁相的同步检测法。设供电系统存在三相不平衡畸变电压，同理假设电压、电流变量，下标0、1、2表示零序、正序、负序，得出直流分量up、uq表达式为：

其中，k为谐波次数，θ为表示偏差，φ为初相角。根据上式推导出基波正序分量ua1、ub1、uc1：

(4)

得到基波电流分量 ia1、ib1、uc1：

(5)

2.1.3仿真分析

通过大量实验仿真验证了基于电流锁相检测法的准确性。

2.2　有源滤波器控制策略研究

有源综合补偿控制策略的好坏直接会影响无功补偿消除谐波的效果。只有针对性的采用合理的控制策略，才能保证有源滤波控制系统可以在快速、准确地在检测后获得正确的指令值，而后通过逻辑运算达到控制电力电子器件通断的目的。通过控制对换流器的操作,就可以令实际输出的补偿值快速准确地跟随指令信号,最终对牵引变电系统的谐波干扰做到有源补偿。在控制策略当中,有源综合补偿控制对象分别是4个IGBT组成的双桥臂单相电压整流器。

图1　同步检测法检测电压波形

图2　同步检测法检测电流波形

图3　实际值与检测值之间误差波形

2.2.1交流侧的电流控制

图4　补偿指令信号控制原理

在供电系统的交流侧，PWM补偿指令信号控制原理图如图4所示，控制系统先根据逻辑运算分析补偿指令和补偿电流,利用得出的PWM 信号控制电子元件组成的驱动电路，通过弱电控制强电的方法来驱动电力电子器件发生响应达到控制主电路的电流,最终实现有源补偿,从而完成抑制谐波的目的。电压型整流电路的控制方式有多种,其中主要有滞环控制法、方形载波控制法和自适应控制法。

滞环控制法的原理是以目标指令值为中心,分别设置输出上下限也就是滞环宽度，通过比较补偿指令信号与补偿电流,求出补偿信号和补偿电流的差值大于或小于某一特定值,来改变电力电子器件的动作,从而保证误差值在一定范围以内,实现对换流器的控制。方形载波控制法是常见的PWM脉冲控制法之一，在控制的过程中,利用反馈原理做到差值信号大于方形载波信号,控制电路就会响应从而加大补偿电流, 差值信号就会逐渐减小。同理，差值信号小于方波信号,控制电路会将补偿电流变小,使差值信号逐渐加大,达到整个供电系统的补偿。方波跟踪控制的效果往往还取决于暂态响应的控制系数，其核心就是控制好稳态误差值。自适应控制法是现代控制方法之一，它是基于电流滞环控制而衍生出的新方法,伴随着数字系统发展而逐渐推广。因为自适应控制法需要大量的计算，所以对系统参数精度的要求较高，并且需要相应的配置硬件,但是由于其控制开关频率低、响应动作速度快的优点，已经在很多场合应用[4]。它的基本原理是以数据采集系统为基础，在特定的周期内进行数据采样,利用复杂运算分析，来预判下一周期的数据状态, 经过排列组合就能够实现利用上一个周期来分析预测下一周期某一时刻的输出，从而实现调整好当前的数据输出,使得系统输出总能跟随指令数据。

2.2.2直流侧电流控制

目前，控制系统直流侧电压普遍都是采用两种方法：一种方法是外加直流源在直流侧电容处做到单独供电，另外一种方法通过控制整流桥路做到控制直流电压[5]。前一种方法，控制精度高，控制效果有效,可是需要添加额外的电路系统以防止受到牵引供电系统的信号干扰,变相增加了安装成本和额外的损耗,而且导致整个控制系统结构复杂。后一种方法则是通过适当的控制手段，以满足整个牵引变电系统对直流侧电压的要求。

3分析盘锦北牵引变电所谐波抑制方案

3.1　增加高次谐波过流保护装置

为了保证对输出馈线上的谐波进行实时检测、在线监控、预警和保护，就需要额外增设高次谐波过流保护装置,保证其能够顺利完成工作任务。在盘锦北变电所内，添加高次谐波过流保护装置,要求其具有测试电能质量功能、系统遥视功能和保护控制模块等。利用微机控制实时在线监测高次谐波频谱曲线和含量比例情况,该套装置系统配备齐全的显示和保护信号输出信道,能起到高次谐波发生过流前的预警和发生后的保护功能,并且为调度排车提供依据。

科学合理准确的计算和系统实验，才能够给高次谐波过流保护装置的预警和保护操作提供可靠的整定值。建立盘锦北牵引变电所馈线的接触网结构模型,适当配发各个接发站的列车数量频率，准确计算出牵引网各项参数尤其是固有谐振频率和高次谐波放大频段以及放大倍数,为高次谐波过流保护提供计算依据。

3.2　增加引入式复合滤波器

为了快速准确抑制高次谐波的传播，有效地实现有源补偿，就要选择合适的位置设置最小容量的复合滤波器。对实验数据进行分析计算，找出高次谐波源集中的场所和发生的特点,利用汇流后逆向寻找，得到谐波通路以及通过限压阻容回路释放掉主要谐波能量。为了实现谐波抑制在起始位置设置复合滤波器,这样不但可以就地抑制高次谐波而且可以减少接触网系统的高次谐波放大倍数,可以实现以最小容量旳复合滤波器达到抑制高次谐波的最佳效果。

4结语

随着国民经济快速增长和科学技术的革新，电气化铁路也取得了飞速发展，铁路运营规模和列车速度不断提高，电力机车的牵引功率也随之呈指数增加。这就不可避免地带来了一些问题，尤其是牵引供电系统给电网带来的污染日益严重。大量事实证明，谐波和负序会对地方电网造成非常不利的影响。所以，深化研究和剖析铁路牵引网对电力系统谐波及三相不平衡度的影响，同时合理科学地对谐波进行检测以及提出建设性预防方案，对治理铁路电能质量污染具有重大意义[6]。

参考文献

[1]胡崇岳.现代交流调速技术[M].北京:机械工业出版社，1998.

[2]盛彩飞.电力机车和动车组谐波电流的仿真研究[D].北京：北京交通大学,2012.

[3]冯晓云.电力牵引交流传动及其控制系统[M].成都：西南交通大学出版社,2012.

[4]郭蕾,李群湛.额定功率下高速机车谐波特性的仿真分析[J].西南交通大学学报,2009,44(6): 835-840.

[5]孟志强.高次谐波对牵引网保护的危苦及改进措施[J].电气化铁道,2013(2):131-134.

[6]李群湛.牵引供电系统分析[M].成都：西南交通人学出版社,2014.

(责任编辑佟金锴校对张凯)

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

作者简介：曹阳(1961-)，男，辽宁锦州人，副教授。

收稿日期：2015-03-24

中图分类号：TM922

文献标识码：A

文章编号：1673-1603(2015)02-0141-05

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