京滬高鐵固鎮(zhèn)變電所直掛式高壓有源濾波器測(cè)試分析

劉勝勛，饒洪偉，沈建紅，徐春利，鄧振民

0 引言

隨著我國(guó)電氣化鐵路的快速發(fā)展，鐵路運(yùn)輸在大眾日常出行和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中有著不可替代的作用，不同類型的機(jī)車負(fù)荷對(duì)牽引網(wǎng)造成不同的影響，傳統(tǒng)的交-直型電力機(jī)車主要產(chǎn)生3、5、7 次等諧波，且諧波電流含量較高[1]；交-直-交型動(dòng)車組機(jī)車雖然低次諧波含量有所減少，但是高次諧波成分增加，容易引起牽引供電系統(tǒng)發(fā)生諧振，進(jìn)而導(dǎo)致諧波電流增大，燒毀電氣設(shè)備[2]。究其原因，機(jī)車負(fù)荷具有非線性和波動(dòng)性，導(dǎo)致大量負(fù)序和諧波電流注入到公共電力系統(tǒng)中，從而引起三相電壓不平衡和其他電能質(zhì)量問題，這些問題嚴(yán)重影響電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全運(yùn)行[3]。因此，對(duì)牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行諧波綜合治理非常必要。

通過前期的大量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、收集諧波數(shù)據(jù)，根據(jù)負(fù)荷特性和各種諧波含量，決定在京滬高速鐵路沿線選取具有代表性的牽引變電所進(jìn)行諧波綜合治理試點(diǎn)工程，通過加裝有源濾波器和高通阻波無源濾波器進(jìn)行諧波治理[4]。最終選定固鎮(zhèn)牽引變電所，并在該所兩供電臂T-N 間分別裝設(shè)高壓有源濾波裝置，高壓有源濾波器采用直接并聯(lián)在接觸網(wǎng)的方式。

1 直掛式高壓有源濾波器

1.1 設(shè)備介紹

高壓有源濾波器主要由進(jìn)線開關(guān)柜、啟動(dòng)柜、6 組功率單元柜、控制柜和箱體組成，進(jìn)線27.5 kV電源通過變電所開關(guān)柜、戶外桿上隔離開關(guān)和進(jìn)線戶外電抗器直接為裝置提供一次電源，不需要降壓處理，相當(dāng)于并聯(lián)在接觸網(wǎng)，因此稱為直掛式高壓有源濾波器，其結(jié)構(gòu)布置如圖1 所示。

圖1 直掛式高壓有源濾波器結(jié)構(gòu)布置圖

進(jìn)線開關(guān)柜采用斷路器，負(fù)責(zé)27.5 kV 電源并網(wǎng)接入裝置。啟動(dòng)柜采用斷路器并聯(lián)電阻器，負(fù)責(zé)軟啟動(dòng)為功率單元充電。功率單元部分由6 組相同的功率柜組成，每組功率柜放置9 級(jí)功率模塊，通過將各功率模塊級(jí)聯(lián)組成高壓APF（有源電力濾波器）功率回路?？刂乒癫捎? 臺(tái)自主研發(fā)的ICP 控制箱并聯(lián)，1 臺(tái)為主控制器，負(fù)責(zé)采樣、上位機(jī)通信、主控制環(huán)運(yùn)算；另外2 臺(tái)為從控制器，負(fù)責(zé)均壓控制運(yùn)算。主、從控制器之間和功率模組與ICP之間均通過光纖通信方式連接。

1.2 技術(shù)方案設(shè)計(jì)

經(jīng)過前期理論計(jì)算、模擬仿真及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、主要元器件選型、絕緣設(shè)計(jì)、控制回路軟件算法設(shè)計(jì)等方面，提出最優(yōu)的APF 裝置設(shè)計(jì)方案。

1.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整體采用箱體結(jié)構(gòu)，便于安裝，減少占地面積，方便檢修。外殼采用雙層保溫結(jié)構(gòu)，隔熱保溫，適合當(dāng)?shù)丨h(huán)境應(yīng)用。箱體內(nèi)部加裝散熱風(fēng)扇，配自動(dòng)啟停裝置，可根據(jù)箱內(nèi)溫度自動(dòng)控制風(fēng)扇。功率單元柜是主要產(chǎn)熱部分，采用獨(dú)立散熱系統(tǒng)，將熱量直接散到戶外，避免熱量在箱內(nèi)積聚?？紤]雨水多潮氣大，每個(gè)柜體內(nèi)均裝有大功率加熱器，根據(jù)濕度大小自動(dòng)加熱除濕。

1.2.2 主要元器件選型

APF 功率單元采用51 個(gè)1700V-IGBT 功率模塊，形成級(jí)聯(lián)H 橋拓?fù)洌?700V-IGBT 橋臂結(jié)構(gòu)雜散、電感低，對(duì)母排、驅(qū)動(dòng)等輔助器件的設(shè)計(jì)要求及生產(chǎn)工藝要求低，工業(yè)應(yīng)用比較成熟；而功率單元的控制用電采用直接從直流母線經(jīng)開關(guān)電源提供，1 700 V 等級(jí)的開關(guān)電源技術(shù)成熟，可靠性更高。1700V-IGBT 功率模塊在很多項(xiàng)目中得到應(yīng)用驗(yàn)證。

1.2.3 絕緣設(shè)計(jì)

功率單元柜選用SMC 絕緣材料。SMC 材料吸水性低，絕緣強(qiáng)度高，耐電痕化指數(shù)（PTI）高，穩(wěn)定可靠，已在高壓電力電子產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用。模組對(duì)機(jī)殼最大耐壓為31.5 kV，所有模塊對(duì)地絕緣按35 kV 設(shè)計(jì)。

1.2.4 控制回路軟件算法設(shè)計(jì)

核心控制板采用DSP28377 芯片，單只芯片的計(jì)算能力強(qiáng)，同時(shí)，采用先進(jìn)的組網(wǎng)聯(lián)合運(yùn)算技術(shù)，APF 使用3 個(gè)核心控制板卡，整體計(jì)算能力得到了很大提高。主、從控制器和功率單元與ICP 之間均通過光纖通信方式連接。電流信號(hào)采集采用霍爾傳感器，可有效控制系統(tǒng)低頻和直流信號(hào)，減少干擾。信號(hào)線、控制線、電源線均采用屏蔽線纜，以排除干擾。均壓控制算法采用“瞬時(shí)均壓法”，即在一個(gè)控制周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)51 個(gè)功率模組電壓同時(shí)控制，避免了母線過壓現(xiàn)象。

2 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

在京滬高鐵固鎮(zhèn)變電所對(duì)兩臺(tái)5 MV·A/27.5 kV 高壓APF 產(chǎn)品進(jìn)行空載、無功補(bǔ)償和諧波補(bǔ)償運(yùn)行測(cè)試，并實(shí)現(xiàn)在3 種不同功能下連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。在各功能穩(wěn)定運(yùn)行期間，對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，摘錄典型工況下高壓APF 產(chǎn)品投運(yùn)前后的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1 APF 未并網(wǎng)

APF 產(chǎn)品未并網(wǎng)期間，觀測(cè)機(jī)車負(fù)載電流變化情況，通過采集數(shù)據(jù)波形可觀測(cè)到負(fù)載電流存在暫態(tài)嚴(yán)重畸變、高頻諧波振蕩等復(fù)雜工況[5]。

2.1.1 負(fù)載電流高頻振蕩

負(fù)載電流存在21 次以上高頻諧波振蕩，會(huì)影響APF 的正常運(yùn)行。圖2 所示為負(fù)載存在高頻諧波工況波形及FFT 分析。

圖2 負(fù)載存在高頻諧波工況分析

2.1.2 負(fù)載電流畸變

負(fù)載機(jī)車切入瞬間和暫態(tài)電流畸變瞬間，電流低頻諧波較大且存在較大直流偏移，易引起牽引網(wǎng)電壓的波動(dòng)，進(jìn)而影響APF 的穩(wěn)定運(yùn)行。圖3 所示為負(fù)載切入暫態(tài)工況波形及FFT 分析。

圖3 負(fù)載切入暫態(tài)工況分析

2.2 APF 空載運(yùn)行

APF 空載運(yùn)行指APF 直掛牽引網(wǎng)不進(jìn)行無功補(bǔ)償及諧波補(bǔ)償，功率消耗僅用于穩(wěn)定直流母線電壓，此時(shí)APF 輸出的補(bǔ)償電流很小。APF 空載測(cè)試目的主要是測(cè)試APF 可在各種惡劣工況下可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2.1 負(fù)載暫態(tài)變化

負(fù)載電流暫態(tài)變化過程中，APF 可穩(wěn)定運(yùn)行。負(fù)載暫態(tài)變化時(shí)電壓/電流波形如圖4 所示（圖形經(jīng)局部放大處理）。

圖4 負(fù)載暫態(tài)變化時(shí)電壓/電流波形

2.2.2 負(fù)載大功率高頻振蕩

負(fù)載大功率運(yùn)行期間，存在23、25、27 次等高頻諧波電流振蕩，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓畸變。在此工況下，APF 可正常運(yùn)行。圖5 所示為負(fù)載大功率高頻振蕩工況下波形分析。

圖5 負(fù)載大功率高頻振蕩工況分析

2.3 APF 無功補(bǔ)償

APF 直掛牽引網(wǎng)開啟無功補(bǔ)償功能，主要測(cè)試APF 可在各種惡劣工況下可靠穩(wěn)定運(yùn)行，并有效補(bǔ)償負(fù)載產(chǎn)生的無功消耗，補(bǔ)償?shù)淖畲笙拗禐?82 A。下文分析典型工況下APF 穩(wěn)定運(yùn)行情況。

2.3.1 無機(jī)車運(yùn)行

無機(jī)車運(yùn)行期間，檢測(cè)到負(fù)載電流存在較小無功電流，經(jīng)過APF 補(bǔ)償后，電網(wǎng)電流很小。圖6所示為無機(jī)車運(yùn)行狀況下電流波形（局部放大處理）及電網(wǎng)電流、APF 補(bǔ)償電流和負(fù)載電流無功分量的幅值。由此可以看出，APF 可對(duì)負(fù)載中的無功分量進(jìn)行有效補(bǔ)償。

圖6 無機(jī)車運(yùn)行工況分析

2.3.2 負(fù)載小功率波動(dòng)

負(fù)載存在小功率波動(dòng)時(shí)，APF 可進(jìn)行快速跟蹤補(bǔ)償，保證電網(wǎng)電流中的無功分量近似為零。圖7所示為負(fù)載小功率波動(dòng)工況下電流波形（局部放大處理）及電網(wǎng)電流、APF 補(bǔ)償電流和負(fù)載電流無功分量的幅值。由此可以看出，APF 可對(duì)負(fù)載中的無功分量進(jìn)行有效補(bǔ)償。

圖7 負(fù)載小功率波動(dòng)工況分析

2.3.3 負(fù)載大功率波動(dòng)

負(fù)載存在大功率波動(dòng)時(shí)，APF 可進(jìn)行快速跟蹤補(bǔ)償，保證電網(wǎng)電流中的無功分量近似為零。圖8所示為負(fù)載大功率波動(dòng)時(shí)電流波形（局部放大處理）及電網(wǎng)電流、APF 補(bǔ)償電流和負(fù)載電流無功分量的幅值。由此可看出，APF 可對(duì)負(fù)載中的無功分量進(jìn)行有效補(bǔ)償。

圖8 負(fù)載大功率波動(dòng)工況分析

2.4 APF 諧波補(bǔ)償

APF 直掛牽引網(wǎng)開啟諧波補(bǔ)償功能，主要測(cè)試APF 可在各種惡劣工況下可靠穩(wěn)定運(yùn)行，并有效補(bǔ)償負(fù)載產(chǎn)生的諧波，當(dāng)負(fù)載諧波頻次很多且各次諧波分量幅值很大時(shí)，諧波補(bǔ)償率會(huì)減小至APF 容量允許范圍內(nèi)。下文分析典型工況下APF 穩(wěn)定運(yùn)行情況。

2.4.1 負(fù)載切入暫態(tài)

圖9 為負(fù)載切入暫態(tài)時(shí)電流波形（局部放大處理）、負(fù)載電流FFT 分析及電網(wǎng)電流FFT 分析。由此可看出，機(jī)車切入暫態(tài)瞬間，APF 可進(jìn)行快速跟蹤補(bǔ)償，電網(wǎng)電流低頻諧波分量得到有效抑制。

圖9 負(fù)載切入暫態(tài)分析

2.4.2 負(fù)載小功率

圖10 為負(fù)載小功率時(shí)電流波形（局部放大處理）、負(fù)載電流FFT 分析及電網(wǎng)電流FFT 分析。由此可看出，經(jīng)過APF 補(bǔ)償后，電網(wǎng)電流總諧波畸變率由36.27%減小至8.35%，電網(wǎng)電流中低次諧波分量得到有效抑制，但仍存在較多APF 補(bǔ)償能力之外的高次諧波分量。

圖10 負(fù)載小功率工況分析

2.4.3 負(fù)載動(dòng)態(tài)變化

圖11 為負(fù)載動(dòng)態(tài)變化時(shí)電流波形（局部放大處理）、負(fù)載電流FFT 分析及電網(wǎng)電流FFT 分析。由此可看出，經(jīng)過APF 補(bǔ)償后，電網(wǎng)電流總諧波畸變率由5.71%減小至1.44%，表明負(fù)載動(dòng)態(tài)變化時(shí)APF 可對(duì)負(fù)載電流低次諧波進(jìn)行有效抑制。

圖11 負(fù)載動(dòng)態(tài)變化工況分析

2.4.4 負(fù)載大功率穩(wěn)態(tài)

圖12 為負(fù)載大功率穩(wěn)態(tài)時(shí)電流波形（局部放大處理）、負(fù)載電流FFT 分析及電網(wǎng)電流FFT 分析。由此可看出，經(jīng)過APF 補(bǔ)償后，電網(wǎng)電流總諧波畸變率由2.3%減小至0.96%，表明負(fù)載大功率穩(wěn)態(tài)時(shí)APF 可對(duì)負(fù)載電流低次諧波進(jìn)行有效抑制。

圖12 負(fù)載大功率穩(wěn)態(tài)工況分析

3 結(jié)論

在京滬高鐵固鎮(zhèn)牽引變電所完成APF 設(shè)備的安裝調(diào)試，進(jìn)行空載穩(wěn)定運(yùn)行、無功補(bǔ)償運(yùn)行及諧波補(bǔ)償運(yùn)行等多項(xiàng)測(cè)試。測(cè)試表明，在運(yùn)行多種車型引起的復(fù)雜電網(wǎng)工況（如負(fù)載電流突變、負(fù)載高頻諧波振蕩以及電網(wǎng)閃變等）下，APF 設(shè)備可穩(wěn)定掛網(wǎng)長(zhǎng)期運(yùn)行。

（1）在大、小、空負(fù)載及負(fù)載劇烈變化等工況下，APF 可實(shí)現(xiàn)無功快速跟蹤補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)5 MVar無功正常吸收，有載運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

（2）在大、小、空負(fù)載及負(fù)載劇烈變化等工況下，APF 可實(shí)現(xiàn)諧波實(shí)時(shí)跟蹤抑制，可對(duì)電網(wǎng)電流2～13 次諧波進(jìn)行有效抑制，電網(wǎng)電流總諧波畸變率大幅降低至3%以內(nèi)，滿足國(guó)標(biāo)要求，并在96 h 有載運(yùn)行測(cè)試中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

（3）兩臺(tái)5 MV·A/27.5 kV 直掛式高壓有源濾波器功能完善、性能及關(guān)鍵指標(biāo)優(yōu)異，在高速鐵路牽引網(wǎng)的無功補(bǔ)償、諧波治理方面均取得了較好的效果。