铁路牵引供电系统高次谐波谐振及抑制技术研究

铁路牵引供电系统高次谐波谐振及抑制技术研究
发布时间：2021-12-14T06:48:12.447Z 来源：《中国电气工程学报》2021年7期作者：张书锋
[导读] 目前，铁路牵引供电系统多采用异相供电方式，由于牵引供电系统中存在大量非线性
张书锋
中国铁路成都局集团有限公司党校（成铁大学）
摘要：目前，铁路牵引供电系统多采用异相供电方式，由于牵引供电系统中存在大量非线性、不平衡负载，该异相牵引供电方式会造成较为严重的电能质量问题，如负载电压中出现较高的谐波，以及出现严重的三相不对称等。

如若不对负载中的电能质量问题进行有效处理，畸变和不对称的电压势必会影响牵引供电系统中运行设备的可靠运行，也会影响到负荷的安全运行。

牵引供电系统为高速铁路的安全、可靠运行提供了电能保障，但在牵引供电系统继电保护中有一些细节方面存在不足，仍需要进行深化研究基于此，本篇文章对铁路牵引供电系统高次谐波谐振及抑制技术进行研究，以供参考。

关键词：铁路；牵引供电系统；高次谐波谐振；抑制技术
1高次谐波的产生
早在19世纪80年代，BWShore和PLKnight就预测了高次谐波的产生。

直到2001年Hentschel等人第一次在实验上利用高次谐波产生获得孤立的阿秒脉冲。

此后，关于高次谐波的研究逐渐受到越来越多的关注，这也使得通过高次谐波发射获得阿秒脉冲这一方法得到了巨大发展。

利用飞秒激光驱动惰性气体产生高次谐波来获得阿秒脉冲至今仍是最常使用的方法之一，所用驱动激光一般为峰值功率密度在1013～1015W/cm2量级的线偏振光。

多周期驱动激光所产生的高次谐波为分的梳齿状光谱，高次谐波的频率为驱动激光基频的基数倍。

可以看见典型的光谱具有显著的平台结构，即:在低阶次时高次谐波强度迅速下降，这是微扰区。

紧接着进入到强度几乎保持不变的平台区。

最后到了截止区，强度急剧下降。

现在广泛用于解释高次谐波发射机制的模型仍是Corkum于1993年提出的半经典三步模型。

三步模型顾名思义主要将高次谐波发射过程分为三个阶段。

第一阶段，强度能达到原子内部库仑场强度的激光脉冲与原子相互作用，使得原子核产生的库仑势发生畸变，势的一端降低，电子有一定概率穿过势垒而发生电离，并且电子逐渐远离母核(电子电离的机制与激光强度有关，主要分为多光子电离、阈上电离、隧穿电离和越垒电离)。

第二阶段，电离后的电子不再受到库仑势的作用，因此可看作是自由电子，电子在激光脉冲作用下被加速。

但是激光场是随着时间周期变化的。

当激光场反相时，一部分电子离母核越来越远，而另一部分电子受到反相后的激光场作用返回到母核附近。

第三阶段，返回母核附近的电子又有一定机会与母核发生复合或散射，若发生散射则产生一个高能电子，而若与母核复合则会发射出高能光子及高次谐波发射。

2牵引供电系统方案
(1)柔性连续牵引供电系统方案。

牵引变电所采用单相变压器，供电臂首端电分相处开关可调整为常闭状态，供电线分束上网，供电臂末端分区所处设置功率融通装置，实现两相邻供电臂间的功率平衡。

该方案牵引变电所变压器结构简单、可实现左右供电臂同相供电。

供电臂首端电分相处开关仅在越区供电时打开，配合供电线分束上网方向，实现不同供电方式的转换，缩小故障范围。

但需利用广域保护判断故障方向，还需结合电网潮流分布校核负序等电能质量问题。

若负序超标，可在牵引变电所内设置补偿装置。

只要两个牵引变电所的最大需量(即峰值功率)不在同一时刻出现，就可通过两个牵引变电所之间的能量调度，实现功率削峰填谷，即功率融通。

（2）主从控制策略。

PET输出侧主逆变器维持原有的控制策略不变，采用恒压恒频控制来维持输出电压稳定。

而从逆变器采用恒功率控制，可等效为电流源，并在从逆变器控制环中增加谐波电流控制环，图1为本文所提出的从逆变器控制策略框图。

图1中，io为负载电流，if为负载中的基波电流，ih为负载中的谐波电流。

谐波提取具体实现过程为：将采样得到的负载电流io经过基波abc/dq旋转坐标系下进行变换后送入到低通滤波器，然后经过基波dq/abc反变换后得到负载中的基波电流if，用io减去基波电流if就得到了负载中的谐波电流ih。

具体坐标变换过程如下：具体方法如下：将负载电流io通过基波旋转坐标变换后，基波电流分量转换为直流分量，而谐波分量则转换为6k次谐波，通过低通滤波器LPF滤波后，其中的谐波都被低通滤波器滤除掉，剩下的直流量就是基波分量在基波旋转坐标变换后得到的值，再将其经过基波旋转坐标逆变换即可得到负载电流中的基波电流分量if，用负载电流减去基波分量即得到了负载电流中的谐波电流分量ih，即负载中的谐波电流与基波电流被分离出来。

从逆变器的参考电流指令值选取如下：将负载电流中的基波电流分量if乘以一比例系数k1后与负载电流中的谐波电流ih叠加后作为从逆变器的参考指令值，并与从逆变器实际输出电流i2相比较，将所得到的差值送入到PI控制器得到调制波，与载波比较后产生PWM波去驱动相应的开关管。

3抑制效果
3.1单台机车运行
在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中建立牵引网模型、谐波源模型，通过仿真得到的牵引供电系统中含有１台机车时投入滤波器前后的１１０ｋＶ
系统侧电压、电流波形如图2、图3所示。

由图2和图3可知，滤波器投入后，电压、电流波形有了明显改善，牵引网处的电能质量有所提高。

投入滤波器前１１０ｋＶ系统侧畸变最严重的Ｂ相电压总谐波畸变率为５．２８％，而投入滤波器后为０．５０％。

由此可知，当系统中只有１台电力机车运行时，投入滤波器前的１１０ｋＶ系统侧母线电压畸变非常严重，电压谐波总畸变率高达５．９５％，远远大于标准限值２％；投入滤波器后，电压谐波总畸变率最大值降低为０．６６％，满足谐波标准要求，１１０ｋＶ系统侧电压质量得到明显改善。

3.2紧密运行
为验证混合无源滤波器的滤波特性，考虑紧密运行时的运行工况，４台列车按照每个供电区间４台列车与上、下行重、轻载列车各１台的分布规律，列车运行情况见表1，并将混合无源滤波器的在不同运行工况下的滤波效果记录在表2中。

由表2可知，当系统中有４台列车同时运行时，即使畸变最严重的Ｂ相的电压总谐波畸变率也能满足谐波限值要求，滤波器投入后无论是几台机车同时运行，都能达到较好的滤波效果。

由此说明混合无源滤波器的投入可有效抑制３次、５次低次谐波及高次谐波，降低系统侧各相电压的畸变率，改善系统侧电压质量。

结束语
综上所述，铁路牵引供电系统中存在的大量非线性负荷不仅会降低负载电压质量，也会影响到铁路牵引供电系统中对电能质量较为敏感的设备安全稳定运行。

基于此，提出了一种充分利用从逆变器剩余可用容量对电压谐波进行抑制的策略。

参考文献
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