基于监测数据的高铁动车组谐波特性分析

第３３卷第３期

电力科学与技术学报

JOURNALOFEIECTRICPOWERSCIENCEANDTECHNOLOGY

Vol􀆰３３No􀆰３

Se􀆰２０１８p

２０１８年９月

基于监测数据的高铁动车组谐波特性分析

周胜军,谈　萌

()全球能源互联网研究院先进输电技术国家重点实验室,北京１０２２１１

摘　要:介绍京沪高铁电能质量在线监测系统,基于监测系统的长期监测数据,对京沪高铁动车组的功率和谐波特性进行分析研究.首先根据网侧数据分析牵引侧动车组不同牵引运行工况的功率变化特点,并按照牵引有功功率大小对动车组进行分类和谐波频谱特征提取.最后,以某车型动车组为例,对动车组在牵引、制动、启动等典型工况下产生的谐波含量进行分析.该文工作对高铁接入电网引起的电能质量问题分析和影响评估具有一定的参考价值.

关　键　词:京沪高铁;动车组;牵引功率;谐波分析

()中图分类号:TM９２２．３　　　　文献标志码:A　　　　文章编号:１６７３Ｇ９１４０２０１８０３Ｇ０１２８Ｇ０６

Harmoniccharacteristicsanalsisofelectricmultileunitsinyp

hihＧseedrailwaasedonthemonitorinatagpybgd

,ZHOUShenＧunTANMengjg

(,,)GlobalEnernterconnectionResearchInstituteChaninistrictBeiin０２２１１,ChinagyIgpgDjg１

,er．BasedonthelonＧtermmonitorinataelectricalloadsandharmoniccharacteristicsofelectricmultileunitspggdpofdifferenttractionmodesareanalzed．ThentheEMUisclassifiedonthebasisofthetractionpowertoextracttheiry,,,inallticalconditionssuchasthetractionbrakinstartinndetc．ThisresearchhasgreatsinificantfortheypggagowerqualitnalsisandimactassessmentinducedbhegridＧconnectedhihＧseedrailwa．pyaypytgpy:;;;Keordshihseedrailwaelectricmultileunits(EMU)tractionpowerharmonicanalsisgpypyyw

,harmonicsectrumfeatures．FinallacertainteofEMUistakenasanexamletoanalzetheharmoniccontentspyyppy(,EMU)intheBeiinＧShanhaihihＧseedrailwareinvestiated．FirstltheEMUspowervarinharacteristicsjgggpyagygc

:AbstractThepowerqualitonitorinstemofBeiinＧShanhaihihＧseedrailwaisbrieflintroducedinthispaＧymgsyjgggpyy

年９月的运营里程已经超过２万k随着高铁的大m,规模建成投运,其接入电网引起的电能质量问题逐

近年来中国高速铁路发展非常迅速,截至２０１６电力机车主要采用交直交传动系统的CRH系列动

１]

,车组[包括C以及在此基础RH１~CRH３、CRH５,

渐成为铁路部门和电力部门共同关注的焦点.高铁

收稿日期:修回日期:修回日期:２０１６Ｇ１２Ｇ２８;２０１７Ｇ０６Ｇ２１;

()整流器,将从接触网上引ulsewidthmodulationp

上的其他改进型号,交直交型电力机车通过PWM

)基金项目:国家电网公司科技项目(GEIRIＧDLＧ７１Ｇ１７Ｇ００２

),:通信作者:周胜军(男,硕士,教授级高级工程师,主要从事电能质量和动态无功补偿技术的研究;１９６９ＧEＧmailcnerc＠１６３．com

第３３卷第３期

周胜军,等:基于监测数据的高铁动车组谐波特性分析

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入的单相交流电变成直流,然后再把直流逆变成频率和幅值均可调节的三相交流电供三相异步牵引电动机使用.与传统交直型电力机车相比其谐波特性

[]

而交直交型电１１、１３等奇次谐波电流含量较大２,

端布置于５通过电力通信网络实现３座系统变电站,监测终端与监测主站间的通讯和数据传输,首次实现对整条高铁的电能质量监测.具备以下特点:

)间隔为３s的数据采集与存储.１

为了反映高铁负荷的快速时变性,采用基于３s

有很大改善,交直型电力机车所产生的３、５、７、９、力机车的低频次谐波含量大大减小,但谐波频谱变

]３Ｇ５

.宽,高频次谐波含量有所增加[

时间间隔的数据采集、通信与存储,能够更加清晰地捕捉牵引侧电力机车的变化特征.

)相间功率的监测.２

/京沪高铁牵引站主变压器均采用V在v接线,

６Ｇ１０]

,和谐波特性开展了大量的研究[并有较多的文

国内外专家学者针对CRH系列动车组的负荷

献报道,所采用的方法大致可归纳为两类,一类是通过现场使用便携式仪器对动车组运行过程测试和统计,另一类是根据动车组的工作原理和电路拓扑进行建模和仿真.这些工作都是基于特定的外部条件下完成的,对于动车组谐波分析工作提供了基础,但前者受制于测试时间和铁路运行调度,后者并没有真实模拟电力机车的完整运行过程(例如机车的过电分相过程),而且电力机车的负荷和谐波特性受牵引站接入系统的短路容量、电网背景谐波以及电力机车运行的动态特性等多种因素的影响,因此这些研究成果并不具有普适性.

笔者利用京沪高铁电能质量在线监测系统,通过对长期、海量监测数据的统计分析,研究高铁动车组的负荷特性和谐波频谱特征,并以实测数据为例分析了动车组在启动、牵引、制动等多种工作条件下的谐波含量,结论可为高铁客运专线的谐波问题研究提供参考.

　京沪高铁监测系统简介

京沪高铁线路途经北京、天津、河北、山东、安徽、江苏和上海等７座牵引站,

每座牵引站均由７省/市,全长２１３条独立１８k电m,

源全供线电设,共５４条供电线路,由５３座系统变电站供电.牵引供电系统正线采用单相工频,牵引变压器采用Vv接线型式２´２５k.

VAT供电方式为研究高铁牵引负荷的电能质量特性/,掌握高铁接入对电网电能质量的影响,开发建设了京沪高铁电能质量监测系统,对全线该系统采用分层分布式系统架构５４条２２０kV供电线路进行监测.,由监测主站、监测终端和通信网络组成,５４台监测终

电网侧的相间功率能够反映出牵引站.通过对网侧相间功率的实时监测２条供电臂上通过的功率,可以直接研究高铁负荷牵引侧的功率状况.

３

高铁负荷具有间歇性和波动性的特点)多触发条件的事件录波.,电力机

车启动、停车、过电分相时会产生冲击电流和谐波,该系统可设置冲击电流和谐波电流的实时监测与触发录波,记录各种工况下的暂态电流波形.

　动车组各牵引工况下的谐波特性

分析

．１　动车组牵引功率特征分析

运行于京沪高铁的动车组有车型,每种车型的外特性存在差异C,R很难将电网侧监H系列的多种

测数据与牵引侧的实际车型一一对号入座.为了实现从测试数据中对动车组进行分类与辨识,需要对监测数据进行筛选,提取动车组在供电臂上的用电特征.利用监测的功率数据,提取出单台动车组牵引运行工况下的功率曲线,某牵引站供电臂上通过列不同动车组时的有功、无功功率变化曲线分别如图１由图、２所示.

功功率相比无功功率要大得多１、２可知,在牵引工况下动车组产生的有,说明动车组运行过程的功率因数较高;从动车组驶过牵引供电臂的有功功率变化曲线可以看出行特征,进入牵引臂时刻和离开牵引臂时刻的有功３列动车组具有相似的运功率值很大,中间过程的功率较平稳,平均值约为进

入牵引臂时刻值的一半左右,变化形状如英文字母“特性H”,.

说明电力机车运行过程中具有明显的冲击２２３１２１３０

电　　力　　科　　学　　与　　技　　术　　学　　报２０１８年９月

车速等特点,对系统侧监测到的相间有功功率进行数据筛选和统计,得到以牵引有功功率区间划分出的动车组类型,如表１所示.

表１　按牵引有功功率划分的动车组类型

Table１　EMUtesaccordinotractionactivepowerypgt

图１　牵引侧有功功率变化曲线

Fiure１　Activepowervariationattractionsideg

类型１２３

有功功率/MW最大值

平均值

２０~２４１０~１２１０~１３５~７

４~６２~４

功率因数＞０．９９＞０．９９＞０．９９

动车组时速/(/)kmh()３００２５０２５０３００

编组方式１６８

()８１６

当动车组车速和　　从表１的统计结果可以看出,

编组方式不同,动车组在牵引供电臂上消耗的牵引有功功率差别较大,单台动车组短时最大牵引功率

图２　牵引侧无功功率变化曲线

Fiure２　Reactivepowervariationattractionsideg

在５~２动车组可以分为３类,４MW之间,３种类型为类型２的２倍,类型２为类型３的２倍.３种类型动车组在牵引臂上运行全过程的平均功率因数很高,大于０．９９.

在将动车组有功功率分类的基础上,可以进一

动车组的有功功率平均值近似呈倍数关系,类型１

２．２　动车组典型谐波频谱分析

通过对动车组牵引工况下有功功率特征的分析,不同类型的动车组可以按照驶过供电臂时的有功功率大小进行分类,并且同时考虑京沪高铁运动车组的２种实际情况:

)分别为２１２种不同的动车组车速,５０、３００

步对动车组牵引工况下的谐波特性进行分析,以山东段禹城牵引站为例,对各功率区间内动车组驶过供电臂的谐波数据进行统计分析,得到该牵引站内在运的动车组牵引工况下注入２２０kV电网的主要图３所示.可以看出,该牵引站内行驶的动车组按和B、但谐波频谱不C和D的车速与牵引功率相同,、、、、各次含有率一般不超过４３５２１２３２５次为主,％.谐波电流,如表２所示,对应的谐波电流频谱分别如照有功功率和谐波频谱可以分为６类,其中,类型A、同,每类的主谐波电流和含有率均不相同,主要以２

/由于牵引供电臂的长度已知,可以很容易得kmh,到２种时速动车组驶过供电臂的时间,作为区分动车组类型的一个明显特征;

同类型的２种编组动车组的有功功率近似为２倍关系.

)分别为８、２２种不同的动车组编组,１６编组,

根据动车组的有功功率、运行时间、编组方式、

表２　京沪高铁禹城牵引站动车组类型统计

Table２　EMUtestatisticsoftheBeiinＧShanhaihihＧseedrailwauchenractionsubstationypjgggpyYgt

动车组类型

ABCDEF

牵引有功功率/kW最大值２０~２４２０~２４１０~１３１０~１３１０~１３５~７

平均值１０~１２１０~１２４~６４~６４~６２~４

功率因数＞０．９９＞０．９９＞０．９９＞０．９９＞０．９９＞０．９９

(/)编组方式时速/kmh

３００()２５０３００()２５０３００２５０２５０３００

１６()１６８()１６８１６８１６

主要谐波电流/A其他≤０．I０．５２,４３３＝

I２．７２、I１．４４、I１．７、I１．４２、I０．９３＝２＝５＝２３＝２５＝

I０．８９、I０．７５、I０．５１、I０．６５２５＝３＝２１＝２３＝I０．７７、I０．５９、I０．４８、I０．２８、I０．５２５＝２＝３＝２１＝２３＝

I１．５９、I０．５１、I０．６２、I０．５３＝５＝２３＝２５＝

I０．５６、I０．１９、I０．３９、I０．３７、I０．４、I０．３３２３＝３＝５＝１１＝２１＝２５＝

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图３　６类动车组谐波电流频谱

Fiure３　HarmoniccurrentsectrumsofEMUpg

３　其他工况下的谐波分析

在经过这些客站时其运行工况会发生改变,由牵引、制动、停车、启动等多个工况交替变换,产生的谐波受电力机车工况变化的影响存在较大的差别.因此,有必要对制动、启动等工况条件下的谐波含量进行分析.

型:动车组正常牵引、动车组再生制动、动车组停车侯客以及动车组启动工况.为了便于分析动车组在不同工况条件下的谐波特征,在监测数据中选取只有一列动车组运行且同时包含牵引、制动、停车、启动等工况的数据段,并按照工况情况进行数据整理和谐波分析.

以安徽桑涧牵引站测试数据为例进行说明.在,选定的时间段内(一列动车组先０８∶１３—０８∶３１)后驶过牵引站的２个供电臂,该时间段内对应的工

动车组进、出客站的主要运行工况包括４种类京沪高铁沿线共设置２动车组列车４座客运站,

况为“牵引—制动—停车待客—加速启动—匀速牵,引”为了方便数据显示和对比,将该动车组在２个)条件下的基波电流变化趋势如图４(所示,谐波含a()所示.e

量较大的２~５次谐波电流变化趋势如图４(b)~

对比各工况下基波电流和各次谐波电流值,可供电臂运行的数据合并在同一张图中显示.各工况

以得出该列动车组在此时段内的谐波特征:谐波电流最大,最大值约为１A左右,特征与表２中类型D相对应;

)制动工况.产生的谐波电流要比牵引工况高２

)牵引工况.基波电流最大值约为５１０A,５次

得多,２~５次等低频次谐波幅值均超过１A,２次谐波幅值最大接近３A;

)停车侯客工况.基本不从供电臂受电,基波３

)启动工况.与制动工况的谐波特征相似,主４

和谐波电流幅值可忽略;

要包含２~５次等低频次谐波,幅值均超过１A,２次谐波幅值最大超过３A;

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图４　基波及谐波电流变化曲线

)与牵引工况的谐波电流相比,再生制动和启　　５

动工况下的谐波电流值要严重的多,其谐波特征主要表现在２~５次谐波电流增大.

Fiure４　Fundamentalandharmoniccurrentvariationsg

大,短时超过牵引工况下谐波幅值的数倍.

中国高铁客运专线的时速、机车型号和编组方式基本相似,该文的研究和结论可为高铁接入电网引起的电能质量问题分析和影响评估提供参考.

４　结语

基于长期、海量监测数据,通过与高铁电力机车的编组方式、功率、车速、运行时间等特征的关联分析,得到了动车组的运行特性.动车组驶过供电臂时的牵引有功功率具有明显的冲击性,其变化曲线;如英文字母“按照牵引有功功率大小可将动车H”高铁动车组有多种车型,其牵引工况下谐波电流频各次谐波电流含有率不超过４％;动车组在制动、启

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Analsisonmainresultsofpowerqualitestofpoweryyt

组大致划分为３类,其平均有功功率约为２倍关系;谱特征各不相同,主要以２、３、５、２１、２３、２５次为主,动等工况下的谐波电流要比正常牵引工况下的谐波电流严重的多,主要表现在２~５次谐波电流幅值较

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