袁博

【摘要】? ? 截止到2018年8月，在京津城際，“復興號”CR400AF、CR400BF動車組已完全取代“和諧號”CRH系列動車組。在復興號初步投運之際，對其兩種車型進行測試，掌握其電氣負荷特性及其對牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響是非常有必要的。本文先簡述京津城際牽引供電系統(tǒng)和動車組交直交型牽引傳動系統(tǒng)，然后分析京津城際重聯(lián)運行的CR400AF、CR400BF動車組和地面變電所的各電氣量同步監(jiān)測數(shù)據(jù)，給出了電壓和電流有效值、總諧波畸變率。本文基于實測數(shù)據(jù)評估了兩種型號的“復興號”動車組在實際線路上重聯(lián)運行的性能，為今后相應車型在高速鐵路全面投入使用時的牽引供電專業(yè)設計和運維人員提供了實用參考。

【關(guān)鍵詞】? ? 負荷特性? ? 電能質(zhì)量? ? CR400AF? ? CR400BF? ? 實測數(shù)據(jù)

引言

350km/h速度等級的“復興號”動車組有CR400AF、CR400BF兩個車型，與CRH380A（L）/B（L）等既有車型，在電氣負荷特性上，例如負荷大小、諧波頻譜方面存在一定的差異。當新型的動車組重聯(lián)運行時，其大容量、高速度等特點對所在線路牽引供電系統(tǒng)供電能力、車網(wǎng)匹配特性提出了新的要求。

因此，對實際線路運行的新車型開展車網(wǎng)同步測試，再基于實測數(shù)據(jù)評估其運行性能很有必要，這也將為今后牽引供電系統(tǒng)的設計和運維人員提供實用的參考。

對于電力機車（包括動車組）電氣負荷特性的研究，不論是交直型還是交直交型，國內(nèi)外都有不少研究成果，為本文對新車型的研究提供了方法參考。文獻[1]建立了一種交直型電力機車在牽引工況下的數(shù)學模型，利用牛頓一拉夫遜法進行迭代求解，得出電力機車的諧波電流。文獻[2]根據(jù)機車不同的運行方式建立機車模型，提出利用Laguerre多項式的逼近函數(shù)進行電力機車諧波電流估計。文獻[3]對高速機車以額定功率運行時諧波的動態(tài)特性進行了計算和分析，采用雙傅立葉級數(shù)和Bessel函數(shù)推導出PWM整流器諧波電壓的計算式。

文獻[4]在建立交直交型動車組Simulink仿真模型的基礎(chǔ)上，研究了動車組在再生制動時產(chǎn)生的諧波規(guī)律。文獻[5]以MATLAB/SimulinkK軟件為平臺，對CRH2型動車組在不同牽引工況和不同網(wǎng)壓下整流器網(wǎng)側(cè)電流的變化規(guī)律進行了分析與總結(jié)。文獻[6]利用Matlab/Simulink建立通用的高速動車組與牽引網(wǎng)的聯(lián)和仿真模型，對高速動車組的不同工況和不同出力下的諧波特性進行了仿真分析。

以上研究均是采用數(shù)學解析法與計算機仿真，其中數(shù)學解析法的數(shù)學推導過程較為復雜，數(shù)學公式難以表述列車在不同工況下的諧波的變化情況，其結(jié)果可能與實際運行數(shù)據(jù)存在較大的誤差;計算機仿真方法則沒有數(shù)學解析法的復雜推導過程，但由于實際列車參數(shù)等細節(jié)，特別是控制參數(shù)很難精確掌握，導致其結(jié)果與實際結(jié)果仍存在一定的差距;而通過實測法，可以直觀準確的得到列車運行數(shù)據(jù)，通過對實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，尋找各電氣量的變化規(guī)律是一種可行的分析途徑。

本文借鑒實測法的方式，即通過對京津城際CR400AF與CR400BF動車組展開的實地測試，給出兩種型號動車組分別重聯(lián)運行時不同工況不同速度等級下的運行數(shù)據(jù)，并對其電氣負荷特性作出分析評估。

一、系統(tǒng)簡介

1.1京津城際牽引供電系統(tǒng)

京津城際鐵路全長約117km，起始于北京南站，終止于天津站。全線設武清和亦莊兩座變電所，AT分區(qū)所和變電所之間設AT所，設計最高行車速度為350km/h。

京津城際鐵路除北京南站與動車組走行線外，正線全部采用單相50Hz、交流2*25kV全并聯(lián)AT供電方式，圖1給出了全并聯(lián)AT供電方式結(jié)構(gòu)圖，全線牽引變電所、AT分區(qū)所、AT所按無人值班設計。

全并聯(lián)AT供電方式[7]是在變電所出口處和每個自耦變壓器處將上下行牽引網(wǎng)的接觸線（T）、鋼軌（R）和負饋線（F）通過橫連線進行了連接，全并聯(lián)AT供電方式與不并聯(lián)的AT供電方式相比，減小了牽引網(wǎng)的阻抗、減小了電壓損失、降低了鋼軌電位、降低了對通信線路的干擾。

牽引變壓器是牽引變電所的核心設備，京津城際鐵路沿線的亦莊和武清牽引變電所各有4臺220kV/2*27.5kV牽引變壓器，其接線形式為VX接線，如圖2所示。

VX接線形式的牽引變壓器的原邊電流IA，IB，IC，與副邊電流IT1，IF1，IT2，IF2的關(guān)系為：

VX接線形式的牽引變壓器主要應用于AT供電方式下，變壓器二次側(cè)分為接觸線T和正饋線F兩個繞組，繞組中間接地。

1.2動車組電氣原理

1.2.1動車組牽引傳動系統(tǒng)簡介

“復興號”CR400AF和CR400BF動車組均為4動4拖設計，分為2個動力單元，每2節(jié)動車為1個動力單元，共用一臺牽引變壓器。整列車配置兩臺受電弓分別位于3車與6車。

牽引供電系統(tǒng)為單相工頻25kV交流電，車頂?shù)氖茈姽瓕㈦娔芙?jīng)牽引變壓器供給四象限整流器，四象限整流器將單相交流電整流成直流電，再由逆變器輸出三相交流電，供給牽引電機為機車輸出動力。

圖3為“復興號”動車組單個動力單元牽引傳動系統(tǒng)簡化示意圖，其采用交直交型主電路結(jié)構(gòu)，牽引傳動系統(tǒng)主要由受電弓、主斷路器、牽引變壓器、整流器、中間直流環(huán)節(jié)、牽引逆變器、三相異步交流電機等組成，四象限整流器的性能表現(xiàn)決定了整個牽引傳動系統(tǒng)的電氣特性。

1.2.2四象限整流器簡介

參照PWM調(diào)制[9]的原理，進行PWM調(diào)制，就可以在四象限整流器橋臂的交流側(cè)產(chǎn)生正弦調(diào)制的電壓波形，波形中含有與三角載波有關(guān)頻率的高次諧波，但這些高次諧波只會使交流電流產(chǎn)生很小的脈動。如果忽略這種脈動，當正弦信號的頻率和電源頻率相同時，交流電流為頻率與電網(wǎng)頻率相同的正弦波。

忽略PWM諧波成分，四象限整流器網(wǎng)側(cè)等效電路如圖4所示。

整流器交流側(cè)回路KVL方程：。方程式中為電網(wǎng)電動勢，為電網(wǎng)電流，為調(diào)制電壓，LN為牽引變壓器二次側(cè)漏感，RN二次側(cè)漏阻，由此可知，當以電網(wǎng)電動勢為參考時，通過控制交流電壓，即可實現(xiàn)PWM整流器的四象限運行。

二、動車組電氣負荷特性分析

2.1試驗安排

為滿足實際運營線路的大運量，高速度要求，要求試驗中CR400AF與CR400BF動車組運行方式均為兩列8編組列車重聯(lián)運行，在京津城際分別進行不同速度等級下的往返試驗（北京南站-天津站），線路上沒有其他車型運行，并在受電弓相應的車廂監(jiān)測列車的網(wǎng)壓和網(wǎng)流;同時在鐵路沿線的牽引變電所監(jiān)測北京方向的母線電壓和各饋線電流。

2.2電壓，電流有效值及電壓THD

下面給出不同速度等級下，CR400AF和CR400BF動車組重聯(lián)運行時車上網(wǎng)壓，網(wǎng)流有效值及網(wǎng)壓THD曲線和地面變電所所監(jiān)測的母線電壓，饋線電流以及T線電壓THD曲線，如圖5-6。

根據(jù)圖5-6給出的行車過程中動車組及地面變電所實測數(shù)據(jù)，可知：

1.CR400AF和CR400BF重聯(lián)動車組在不同等級下，車頂網(wǎng)壓波動均較小，在26.0-27.5kV范圍，CR400AF重聯(lián)動車組其中一列的最大取流在450A水平，CR400BF重聯(lián)動車組其中一列的最大取流在418A水平;

2.兩種車型車頂網(wǎng)壓畸變程度較小，網(wǎng)壓THD大部分時間處在1%-4%范圍，CR400AF?？空緯r可達到40%，CR400BF?？刻旖蛘緯r可達到5%，少數(shù)THD突出的散點為過分相數(shù)據(jù);

3.兩種車型在行車試驗階段地面變電所母線電壓波動較小，在25.7-27.5kV范圍，未出現(xiàn)因車網(wǎng)高次諧波諧振引起的網(wǎng)壓大幅上升的情況，在行車至相應供電臂時，T線電壓總諧波畸變率集中在1.5%-5.5%之內(nèi)，并且比較集中，并未出現(xiàn)高次諧波引起的諧振過電壓現(xiàn)象。

三、結(jié)論

本文介紹了京津城際的牽引供電系統(tǒng)的構(gòu)成以及交直交型動車組的牽引傳動系統(tǒng)的工作原理，根據(jù)測試獲得的車網(wǎng)同步監(jiān)控數(shù)據(jù)，給出了列車和地面變電所的電壓電流有效值，總諧波畸變率，對CR400AF與CR400BF動車組重聯(lián)運行的電氣負荷特性作出了評估，得出CR400AF與CR400BF動車組分別重聯(lián)運行時，牽引網(wǎng)電能質(zhì)量良好。

參? 考? 文? 獻

[1]李建華，豆鳳梅，夏道止.韶山Ⅳ型電力機車諧波電流的分析計算[J].電力系統(tǒng)自動化，1999（16）：10-13.

[2]王剛，楊洪耕.基于Laguerre多項式的電力機車諧波電流估計[J].電力自動化設備，2006（06）：44-47.

[3]郭蕾，李群湛，劉煒，解紹鋒.額定功率下高速機車諧波特性的仿真分析[J].西南交通大學學報，2009，44（06）：835-840.

[4]李騫. CRH_2型動車組再生制動仿真及諧波分析[A]. 全國電壓電流等級和頻率標準化技術(shù)委員會.第六屆電能質(zhì)量國際研討會論文集[C].全國電壓電流等級和頻率標準化技術(shù)委員會：全國電壓電流等級和頻率標準化技術(shù)委員會秘書處，2012：7.

[5]呂大霖，余健明.CRH2型動車組諧波電流仿真分析[J].西安理工大學學報，2012，28（04）：484-487.

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