高速磁浮牵引变流系统网侧高次谐波分析与治理.pdf

创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 26 期高速磁浮牵引变流系统网侧高次谐波分析与治理类延霄，孙健博，郑景文，段薇*（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111）高速磁浮列车以高速、节能、安全、舒适和环保等优点备受社会关注，牵引供电系统作为磁浮交通核心关键系统，是磁浮车辆及地面所有设备的动力来源1-2。图 1 为时速 600 km 高速磁浮牵引供电系统示意图，牵引供电系统自 110 kV 电网取电，经主变压器、输入开关柜、输入变压器后，变换为 3 kV 网压供给高功率牵引变流单元；高功率牵引变流单元接收电机控制单元的指令，对输出电压的幅值、相位、频率进行实时调节，经输出变压器、输出开关柜、定子开关站，分段对高速磁浮列车所在的长定子直线电机供电，从而实现对高速磁浮列车牵引力的有效控制，使高速磁浮列车严格地按照运行控制系统设定的路程-速度曲线高速、安全、舒适地运行。为满足高性能电机驱动要求，高功率牵引变流单元采用背靠背三电平中点钳位拓扑，相较于两电平拓扑，三电平拓扑具有开关管电压应力小、电磁干扰小等优点3-5。单套高功率牵引变流单元由 2 台共用直流母线的变流器组成，变流器整流输入端与输入变压器相连，输入变压器联接组类型为 Yy 和 Yd11，变流器逆变输出端与输出变压器相连，经输出变压器，2 台三电平逆变器具有直接模式（Direct Mode，DM）和变压器模式（Transformer Mode，TM）2 种输出模式。以三电平有源中点钳位（Active Neutral-Point-Clamped，AN原PC）型变流器为例，高功率牵引变流单元拓扑结构如图 2 所示。因高功率牵引变流单元采用脉宽调制技术，在运行过程中，不可避免地产生谐波，为评估谐波对 35 kV牵引供电网的影响，在高速磁浮交通系统调试线应用摘要：高速磁浮牵引供电系统采用大功率背靠背三电平中点钳位型变流器，在整流过程中网侧不可避免产生谐波，为评估谐波对 35 kV 牵引供电网的影响，开展现场实际测试。经测试，启动整流后 35 kV 网压波形发生畸变，并伴随过电压。为此，搭建三电平中点钳位整流仿真模型，分析网测谐波分布特点，对 35 kV 网侧异常开展机理分析。为解决上述问题，提出谐波治理方法，优化整流控制策略，经实际验证，所提方法可有效避免高次谐波谐振现象，减小整流网侧谐波对牵引供电网的影响。关键词：高速磁浮；牵引供电；整流谐波；谐波谐振；治理中图分类号院TM461文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤26-0007-08Abstract:High-speed maglev traction power supply system adopts high-power back-to-back three-level mid-point clampconverter,which inevitably produces harmonics in the process of rectification.In order to evaluate the impact of harmonics on 35 kVtraction power supply network,field tests are carried out.After testing,after starting the rectifier,the 35 kV network voltagewaveform is distorted,accompanied by overvoltage.For this reason,the simulation model of three-level midpoint clamp rectifier isbuilt,the harmonic distribution characteristics of network measurement are analyzed,and the mechanism of 35 kV grid sideabnormality is analyzed.In order to solve the above problems,the harmonic control method is proposed and the rectifier controlstrategy is optimized.It is proved that the proposed method can effectively avoid the phenomenon of high-order harmonicresonance and reduce the influence of harmonics on the traction power supply network.Keywords:high-speed maglev;traction power supply;rectifying harmonics;harmonic resonance;control基金项目：山东省重点研发计划（重大科技创新工程）（2020CXGC010202）；超高速磁浮交通技术路径战略研究（2022-XBZD-20-02）；青年人才托举工程（2021QNRC001）第一作者简介：类延霄（1991-），男，硕士，工程师。研究方向为高速磁浮牵引供电。*通信作者：段薇（1995-），女，硕士，助理工程师。研究方向为高速磁浮牵引供电。DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.26.0027-2023 年 26 期创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application现场开展实测。经测试，变流器运行时，35 kV 网侧出现电压波形畸变、过电压等异常。为分析异常原因，优化变流器谐波特性，本文以图 2 中的三电平 ANPC 整流器为对象，首先对三电平整流器的拓扑结构和控制策略进行分析，并通过仿真阐述整流侧谐波分布情况。然后，对实测过程中 35 kV 网侧的异常现象开展原因分析，从理论角度分析整流侧高次谐波的影响。最后，提出整流侧高次谐波治理方法，经实际验证，所提方法可有效抑制高次谐波谐振现象，减小网侧高次谐波对牵引供电网络的影响。图 1时速 600 km 高速磁浮牵引供电系统示意图1牵引供电网现场实测在不同运行工况下，对 35kV 网侧电压、同一 35 kV母线上设备的工作情况开展实测，测试设备为 WT1800功率分析仪、泰克示波器、高压差分探头和电流探头等。1.135 kV 网侧电压35 kV 网侧电压的测点为输入开关柜电压互感器的二次侧，不同运行工况下的网侧电压波形及频谱特性如图 3 所示。1.1.1未启动整流由图3（a）可知，未启动整流时，35kV网侧电压波形正弦性良好，谐波含量较低，各次谐波主要集中在3、5、7次，总谐波失真（Total Harmonic Distortion，THD）为 0.6%左右。1.1.2启动整流、未启动逆变由图 3（b）可知，启动整流、未启动逆变时，35 kV 网图 2高功率牵引变流单元拓扑结构发电站输电线路变压器发电站变压器输电线路主变压器制动能量回馈牵引控制系统牵引功率系统控制指令输入开关柜输入变压器 高功率牵引变流器 输出变压器输出开关柜定子开关站位置速度信息高速磁浮列车牵引电能长定子直线电机8-创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 26 期侧电压波形畸变严重，基波中含有高次谐波成分，THD为 8%左右，在各次谐波中，29、31 次谐波含量较高。1.1.3启动整流、启动逆变由图 3（c）可知，启动整流、启动逆变时，35 kV 网侧电压波形仍存在严重畸变，THD 为 6%左右，含量较大的谐波频次与仅启动整流工况一致，可知，在轻载运行工况下，整流谐波情况与变流器本身负荷大小无明显的相关性。1.2同一母线其他设备在高功率牵引变流单元运行期间，对同一 35 kV母线上动力轨不控整流机组开展了实测。整流后的直流电压波形如图 4 所示。由图 4 可知，牵引变流器启动整流后，畸变的 35 kV 网压对不控整流机组也产生了影响，导致直流波形畸变严重，电压变化率大幅增加，触发动力轨直流牵引馈线保护。此外，同一 35kV 母线上 35kV/0.4kV 动力变压器所带的有源滤波装置亦发生了模块故障，设备退出运行。综上可知，由于高功率变流器整流器工作引起的电压谐波及波动严重干扰到高速磁浮地面供电系统的正常工作，需及时排查故障原因，制定处理解决措施。渊a冤未启动整流工况渊b冤启动整流尧未启动逆变工况渊c冤启动整流尧启动逆变工况图 335 kV 网侧电压及频谱特性9-2023 年 26 期创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application渊a冤牵引变流器未启动整流渊b冤牵引变流器启动整流图 4不控整流机组实测波形2网侧异常原因分析针对 35 kV 牵引供电网实测异常，首先，搭建三电平 ANPC 整流器仿真模型，分析其拓扑结构、控制策略、整流侧谐波分布。然后，开展异常原因分析，分析整流侧谐波的影响。2.1三电平 ANPC 整流器2.1.1拓扑结构对于图 2 所示高功率牵引变流单元，因 2 台共用直流母线的变流器拓扑结构一致，故以其中 1 台整流器为例进行分析，单台三电平 ANPC 整流器主电路结构简图如图 5 所示。图中：Vg为电网电压矢量；Lg为网侧等效电感；Rg为网侧等效电阻；Vc为整流器输入端电压矢量；C1、C2为直流母线电容；Vdc为直流母线电压。以单相为例，ANPC 相电压及对应的开关状态（Sx1、Sx2、Sx3、Sx4、Sx5、Sx6，x=a，b，c）见表 1。由表 1 可知，在相电压为零电平时，有 4 种冗余开关状态，因此开关切换方 式 相 对 于 二 极 管 中 点 钳 位（Neutral-Point-Clamped，NPC）拓扑更加多样，功率器件损耗更加均衡。表 1ANPC 相电压及开关状态2.1.2控制策略以单位功率因数和直流母线电压稳定为控制目标，在同步旋转坐标系下，将同步旋转坐标系的 d 轴固定在电网电压矢量方向上，则有 vgq=0。考虑整流器与逆变器主回路拓扑结构一致，选用逆变输出电流为正，即整流器向电网回馈能量电流方向为正，则电网电压定向 d-q-0 坐标系下的整流器数学模型为。（1）根据式（1），设计前馈解耦控制策略，即网侧变换器端电压 v*cd和 v*cq为式（2）形式时，可实现整流器电流的解耦控制。，（2）式中：Kpi为电流环 PI 调节器比例增益；Tii为电流环 PI 调节器积分时间常数；i*gd、i*gq分别为 d 轴和 q 轴电流参考值。图 5三电平 ANPC 整流器主电路结构简图 相电压 Sx1 Sx2 Sx3 Sx4 Sx5 Sx6 Vdc/2 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1-Vdc/2 0 0 1 1 1 0 gdcdgdg gdgg gqggqcqg gqgg gdgddddivvR iL iLtivR iL iLtww*iicdpigdgdgdg gdgg gqii*iicqpigqgqg gqgg gdii1()()1()()T svKiivR iL iT sT svKiiR iL iT sww01002003004005006007008009000100200300400500600700800900385380375370365420410400390380370直流电压-未启动整流直流电压-启动整流Sx1Sx2Sx3Sx4Sx6Sx5时间/s时间/sVcVg10-创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 26 期图 6基于 PI 控制的电网电压定向整流器矢量控制图 7三电平 ANPC 整流器仿真模型由此，建立基于 PI 控制的电网电压定向矢量控制系统，其结构如图 6 所示。图中，V*dc为直流侧参考电压，电压控制外环仍然采用 PI 控制算法，其中 Kpv和Tiv分别为电压环 PI 调节器比例增益与积分时间常数，电流反馈和电流 PI 调节器构成内环；为实现 d 轴和 q轴电流的解耦，提高系统的抗扰动能力，图 6 中引入了整流器电流和电网电压作为前馈补偿，该部分为图6 中虚线框所围；输出的参考电压 v*cd与 v*cq经过 d-q-0 至A-B-C 坐标变换得到 v*cA、v*cB、v*cC，最后在 PWM 调制下，通过调节网侧功率变换器端电压，实现直流稳压及网侧电流的相位控制。2.1.3网侧谐波分布基于 2.1.1、2.1.2 节所述拓扑和控制策略，搭建图7 所示 ANPC 整流器仿真模型：网侧线电压有效值为3 kV；直流母线目标电压为 5 kV；Lg、Rg为输入变压器参数，不包含主变电站至牵引变电站的馈电参数。直流母线电压波形如图 8 所示。由图 8 可知，直流母线电压稳定在 5 000 V，与目标值一致。整流 A 相输入电流频谱特性如图 9 所示。由图 9可知，整流电流谐波成分是集中分布在开关频率整数倍附近的边带谐波，且由于贝塞尔函数的衰减作用，频带频率越高，谐波含量越小。对于单套高功率牵引变流单元而言，输入变压器原边 35 kV 侧的谐波成分及含量，为 2 台共用直流母线整流器共同作用的结果。11-2023 年 26 期创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application2.2谐振机理分析在高速磁浮交通系统调试线应用现场，110kV/35kV主变电站与牵引变电站分开建设，二者间存在一定距离，需考虑 35 kV 馈电参数，自 110 kV/35 kV 主变电站至牵引变流器的简化 T 型等效电路如图 10 所示。图10 中，因牵引变流器整流侧电流可控，故等效为受控电流源，Ih为牵引变流器整流侧的 h 次谐波电流；Zss为主变电站等效阻抗；ZT为馈电线路 T 型等效阻抗。图 10谐波影响简化分析电路对于特定的供电网络，不同频率下对应的阻抗值不同，但在特定频率下，对应的阻抗值存在峰值，该值远超过其他频率下的阻抗值，该峰值对应的频率即为供电网络的特征频率，该点对应的阻抗即为供电网络的特征阻抗6-9。基于 2.1.3 节整流电流谐波分布，当整流侧谐波电流频率对应特征频率时，此时供电网络阻抗呈现为特征阻抗，供电网络等效阻抗与谐波源将构成谐振回路，将发生谐波谐振，引起网侧电压畸变，使牵引网出现谐振过电压，引起设备烧损，谐振电压的幅值由谐波电流和特征阻抗的幅值乘积决定。综合上述理论分析和现场实测数据可知，在牵引变流器启动整流后，整流侧产生的谐波电流注入到牵引供电网络中，35 kV 供电网络出现了明显的高次谐波谐振现象，电压波形畸变严重，总谐波畸变率远超 GB/T 145491993 电能质量 公用电网谐波 要求，并出现了谐振过电压，该谐振对同一高压母线上设备造成了影响或损坏，严重威胁系统的安全稳定运行。3高次谐波谐振治理由前文分析可知，网侧高次谐波谐振影响重大，须对其进行综合治理。结合谐波谐振机理，抑制谐波谐振造成的过电压可通过谐波抑制的方法来实现，使谐波源不含谐振频率的谐波或给谐振频率次的谐波提供特殊流通路径，不使其流入系统。为此，存在以下方案。3.1整流策略优化由图 1 和图 2 可知，高速磁浮牵引供电系统存在多台整流器，属于“多重化”整流系统，通过对每台整流器设定不同的载波相位，其产生的谐波次数及分布虽然不会改变，但各次谐波的相位角将发生变化，利用该特点，各整流器产生的高次谐波量可互相抵消，使得35 kV 网侧总的谐波量大大减少，以消除整流电流中的供电网络特征频率次谐波电流，可有效避免高频谐振现象。此外，对于高压大功率变流系统，当负载较小时，其网侧电流较小，电流互感器采样效果很差，且无法有效提取特征频次，直接影响整流器控制性能。为此，可适当增加无功电流，以消除采用互感器采样效果对控制策略的影响。图 11 为采用上述方法优化后 35 kV 供电网实测波形，测试位置和方法与 1.1 节一致，测试工况为启动整流和逆变。对比图 3、图 11 可知，网侧电压质量明显改善，谐波含量大幅降低，THD 由 8%降为 3%，谐振现图 8直流母线电压波形图 9整流电流频谱分析谐波频次12-创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 26 期象被明显抑制。渊a冤 启动整流尧未启动逆变工况渊b冤 启动整流尧启动逆变渊加速阶段冤工况渊c冤 启动整流尧启动逆变渊匀速阶段冤工况渊d冤 启动整流尧启动逆变渊制动阶段冤工况图 1135 kV 网侧电压及频谱特性渊优化后冤3.2增设滤波装置根据增设滤波装置位置的不同，可分为在整流器前端就近增加滤波器，以及在 35 kV 高压网侧增加滤波器。该方法均需对硬件电路做改进，且由于 35 kV 高压网侧通常容量较大，相应滤波装置的体积和重量也会很大。3.3设备性能优化应用现场由于整流电路引起的网压波动及高频谐波，使得有源滤波装置的 IGBT 发生严重的击穿故障，影响到牵引变电站 AC400V 侧低压设备正常使用，在明确谐波特性和特殊应用场景的要求后，有源滤波柜厂家同时优化设备的高压耐压特性，有效提升了设备实际运行稳定性。综上所述，高次谐波综合治理时，可优先开展变流器调控策略的优化，后开展滤波装置的设计和安装。4结论磁悬浮列车采用大功率背靠背 ANPC 变流器，在整流过程中，网侧谐波电流会经输入变压器注入到牵引供电网络中，当谐波频次等于牵引供电网络特征频次时，会引发线路谐振现象，造成谐振过电压，影响变流器自身及同一高压母线上相关设备的安全稳定运行。文中对整流器谐波分布、谐振机理、谐振治理方法进行了详细分析，经实验验证，所采用的方法可有效避免高次谐波谐振现象，减小网侧谐波对牵引供电网络的影响。渊下转 17 页冤13-创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 26 期参考文献院1 KOURO S，MALINOWSKI M，GOPAKUNAR K，et al.Recent advances and industrial applications of multilevelconverters J.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2010，57（8）：2553-2580.2 DENG Z，ZHANG W，ZHENG J，et al.A high temperaturesuperconductingmaglev-evacuatedtubetransport（HTSMaglev-ETT）test system J.IEEE Transactions on AppliedSuperconductivity，2017（99）：1-13.3 BRUCKNER T，BERNET S，GULDNER H.The active npcconverter and its loss-balancing controlJ.IEEE Transactionson Industrial Electronics，2005，52（3），855-868.4 HU C，YUX H，HOLMES,D G，et al.An improved virtualspacevectormodulationschemeforthree-levelactiveneutral-point-clamped inverterJ.IEEE Transactions on PowerElectronics，2017，32（10）：7419-7434.5 YANG J，LEE F C.New modulation scheme for three-levelactive neutral-point-clamped converter with loss and stressreductionJ.IEEETransactionsonIndustrialElectronics，2015，62（9）：5468-5479.6LIUS，FEIL.Trainimpedancereshapingmethodforsuppressingharmonicresonancecausedbyvariousharmonic sources in trains-network systems with auxiliaryconverterofelectricallocomotiveJ.IEEEACCESS，2019，7：179552-179563.7 FEI L，LIU S，BO H L，et al.Harmonic resonance 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射线探伤室辐射影响研究，包括辐射屏蔽分析和辐射环境分析。研究表明，该探伤室及通道的屏蔽厚度均满足屏蔽设计要求，典型点位的剂量理论预测值均低于相应的约束值，最严重的辐射事故类别为一般辐射事故，因此该探伤室建设合理，可为今后同类的探伤室建设及其辐射环境监测提供参考。参考文献院1 朱姝，张鑫，钟春明.工业 X 射线探伤机在现场探伤作业中的辐射防护距离探讨J.湖南有色金属，2015，31（5）：65-67，80.2 姜维国，李春辉.核与辐射事故防范与安全战略措施研究J.环境科学与管理，2014，39（5）：1-4.3 俞君，万玲，娄云，等.X 射线探伤机房的辐射屏蔽设计J.首都公共卫生，2012，6（2）：75-77.4 工业 X 射线探伤室辐射屏蔽规范：GBZ/T 2502014S.北京：中国标准出版社，2014.5 从慧玲.实用辐射安全手册M.北京：原子能出版社，2005.6 YANJUN H,MOXUAN M,HONGXIA Y，et al.Assessment of cu原mulative cancer risk attributable to diagnostic X-ray radiation：alarge cohort studyJ.European Radiology，2022，33（3）：1-10.7 电离辐射防护与辐射源安全基本标准：GB 188712002S.北京：中国标准出版社，2002.8 邓晓钦，杜云武.四川省辐射事故等级评定与应急管理研究J.四川环境，2016，35（6）：123-131.渊上接 13 页冤17-