袁博

【摘要】    截止到2018年8月，在京津城际，“复兴号”CR400AF、CR400BF动车组已完全取代“和谐号”CRH系列动车组。在复兴号初步投运之际，对其两种车型进行测试，掌握其电气负荷特性及其对牵引供电系统电能质量的影响是非常有必要的。本文先简述京津城际牵引供电系统和动车组交直交型牵引传动系统，然后分析京津城际重联运行的CR400AF、CR400BF动车组和地面变电所的各电气量同步监测数据，给出了电压和电流有效值、总谐波畸变率。本文基于实测数据评估了两种型号的“复兴号”动车组在实际线路上重联运行的性能，为今后相应车型在高速铁路全面投入使用时的牵引供电专业设计和运维人员提供了实用参考。

【关键词】    负荷特性    电能质量    CR400AF    CR400BF    实测数据

引言

350km/h速度等级的“复兴号”动车组有CR400AF、CR400BF两个车型，与CRH380A（L）/B（L）等既有车型，在电气负荷特性上，例如负荷大小、谐波频谱方面存在一定的差异。当新型的动车组重联运行时，其大容量、高速度等特点对所在线路牵引供电系统供电能力、车网匹配特性提出了新的要求。

因此，对实际线路运行的新车型开展车网同步测试，再基于实测数据评估其运行性能很有必要，这也将为今后牵引供电系统的设计和运维人员提供实用的参考。

对于电力机车（包括动车组）电气负荷特性的研究，不论是交直型还是交直交型，国内外都有不少研究成果，为本文对新车型的研究提供了方法参考。文献[1]建立了一种交直型电力机车在牵引工况下的数学模型，利用牛顿一拉夫逊法进行迭代求解，得出电力机车的谐波电流。文献[2]根据机车不同的运行方式建立机车模型，提出利用Laguerre多项式的逼近函数进行电力机车谐波电流估计。文献[3]对高速机车以额定功率运行时谐波的动态特性进行了计算和分析，采用双傅立叶级数和Bessel函数推导出PWM整流器谐波电压的计算式。

文献[4]在建立交直交型动车组Simulink仿真模型的基础上，研究了动车组在再生制动时产生的谐波规律。文献[5]以MATLAB/SimulinkK软件为平台，对CRH2型动车组在不同牵引工况和不同网压下整流器网侧电流的变化规律进行了分析与总结。文献[6]利用Matlab/Simulink建立通用的高速动车组与牵引网的联和仿真模型，对高速动车组的不同工况和不同出力下的谐波特性进行了仿真分析。

以上研究均是采用数学解析法与计算机仿真，其中数学解析法的数学推导过程较为复杂，数学公式难以表述列车在不同工况下的谐波的变化情况，其结果可能与实际运行数据存在较大的误差;计算机仿真方法则没有数学解析法的复杂推导过程，但由于实际列车参数等细节，特别是控制参数很难精确掌握，导致其结果与实际结果仍存在一定的差距;而通过实测法，可以直观准确的得到列车运行数据，通过对实测数据的统计分析，寻找各电气量的变化规律是一种可行的分析途径。

本文借鉴实测法的方式，即通过对京津城际CR400AF与CR400BF动车组展开的实地测试，给出两种型号动车组分别重联运行时不同工况不同速度等级下的运行数据，并对其电气负荷特性作出分析评估。

一、系统简介

1.1京津城际牵引供电系统

京津城际铁路全长约117km，起始于北京南站，终止于天津站。全线设武清和亦庄两座变电所，AT分区所和变电所之间设AT所，设计最高行车速度为350km/h。

京津城际铁路除北京南站与动车组走行线外，正线全部采用单相50Hz、交流2*25kV全并联AT供电方式，图1给出了全并联AT供电方式结构图，全线牵引变电所、AT分区所、AT所按无人值班设计。

全并联AT供电方式[7]是在变电所出口处和每个自耦变压器处将上下行牵引网的接觸线（T）、钢轨（R）和负馈线（F）通过横连线进行了连接，全并联AT供电方式与不并联的AT供电方式相比，减小了牵引网的阻抗、减小了电压损失、降低了钢轨电位、降低了对通信线路的干扰。

牵引变压器是牵引变电所的核心设备，京津城际铁路沿线的亦庄和武清牵引变电所各有4台220kV/2*27.5kV牵引变压器，其接线形式为VX接线，如图2所示。

VX接线形式的牵引变压器的原边电流IA，IB，IC，与副边电流IT1，IF1，IT2，IF2的关系为：

VX接线形式的牵引变压器主要应用于AT供电方式下，变压器二次侧分为接触线T和正馈线F两个绕组，绕组中间接地。

1.2动车组电气原理

1.2.1动车组牵引传动系统简介

“复兴号”CR400AF和CR400BF动车组均为4动4拖设计，分为2个动力单元，每2节动车为1个动力单元，共用一台牵引变压器。整列车配置两台受电弓分别位于3车与6车。

牵引供电系统为单相工频25kV交流电，车顶的受电弓将电能经牵引变压器供给四象限整流器，四象限整流器将单相交流电整流成直流电，再由逆变器输出三相交流电，供给牵引电机为机车输出动力。

图3为“复兴号”动车组单个动力单元牵引传动系统简化示意图，其采用交直交型主电路结构，牵引传动系统主要由受电弓、主断路器、牵引变压器、整流器、中间直流环节、牵引逆变器、三相异步交流电机等组成，四象限整流器的性能表现决定了整个牵引传动系统的电气特性。

1.2.2四象限整流器简介

参照PWM调制[9]的原理，进行PWM调制，就可以在四象限整流器桥臂的交流侧产生正弦调制的电压波形，波形中含有与三角载波有关频率的高次谐波，但这些高次谐波只会使交流电流产生很小的脉动。如果忽略这种脉动，当正弦信号的频率和电源频率相同时，交流电流为频率与电网频率相同的正弦波。

忽略PWM谐波成分，四象限整流器网侧等效电路如图4所示。

整流器交流侧回路KVL方程：。方程式中為电网电动势，为电网电流，为调制电压，LN为牵引变压器二次侧漏感，RN二次侧漏阻，由此可知，当以电网电动势为参考时，通过控制交流电压，即可实现PWM整流器的四象限运行。

二、动车组电气负荷特性分析

2.1试验安排

为满足实际运营线路的大运量，高速度要求，要求试验中CR400AF与CR400BF动车组运行方式均为两列8编组列车重联运行，在京津城际分别进行不同速度等级下的往返试验（北京南站-天津站），线路上没有其他车型运行，并在受电弓相应的车厢监测列车的网压和网流;同时在铁路沿线的牵引变电所监测北京方向的母线电压和各馈线电流。

2.2电压，电流有效值及电压THD

下面给出不同速度等级下，CR400AF和CR400BF动车组重联运行时车上网压，网流有效值及网压THD曲线和地面变电所所监测的母线电压，馈线电流以及T线电压THD曲线，如图5-6。

根据图5-6给出的行车过程中动车组及地面变电所实测数据，可知：

1.CR400AF和CR400BF重联动车组在不同等级下，车顶网压波动均较小，在26.0-27.5kV范围，CR400AF重联动车组其中一列的最大取流在450A水平，CR400BF重联动车组其中一列的最大取流在418A水平;

2.两种车型车顶网压畸变程度较小，网压THD大部分时间处在1%-4%范围，CR400AF停靠站时可达到40%，CR400BF停靠天津站时可达到5%，少数THD突出的散点为过分相数据;

3.两种车型在行车试验阶段地面变电所母线电压波动较小，在25.7-27.5kV范围，未出现因车网高次谐波谐振引起的网压大幅上升的情况，在行车至相应供电臂时，T线电压总谐波畸变率集中在1.5%-5.5%之内，并且比较集中，并未出现高次谐波引起的谐振过电压现象。

三、结论

本文介绍了京津城际的牵引供电系统的构成以及交直交型动车组的牵引传动系统的工作原理，根据测试获得的车网同步监控数据，给出了列车和地面变电所的电压电流有效值，总谐波畸变率，对CR400AF与CR400BF动车组重联运行的电气负荷特性作出了评估，得出CR400AF与CR400BF动车组分别重联运行时，牵引网电能质量良好。

参  考  文  献

[1]李建华，豆凤梅，夏道止.韶山Ⅳ型电力机车谐波电流的分析计算[J].电力系统自动化，1999（16）：10-13.

[2]王刚，杨洪耕.基于Laguerre多项式的电力机车谐波电流估计[J].电力自动化设备，2006（06）：44-47.

[3]郭蕾，李群湛，刘炜，解绍锋.额定功率下高速机车谐波特性的仿真分析[J].西南交通大学学报，2009，44（06）：835-840.

[4]李骞. CRH_2型动车组再生制动仿真及谐波分析[A]. 全国电压电流等级和频率标准化技术委员会.第六届电能质量国际研讨会论文集[C].全国电压电流等级和频率标准化技术委员会：全国电压电流等级和频率标准化技术委员会秘书处，2012：7.

[5]吕大霖，余健明.CRH2型动车组谐波电流仿真分析[J].西安理工大学学报，2012，28（04）：484-487.

[6]何正友，胡海涛，方雷，张民，高仕斌.高速铁路牵引供电系统谐波及其传输特性研究[J].中国电机工程学报， 2011，31（16）：55-62.

[7]李芳菲. 基于机车实际功率模型的高铁牵引供电能力分析研究[D].石家庄铁道大学，2016.

[8]李倩. 高速铁路牵引变压器供电能力分析研究[D].石家庄铁道大学，2015.

[9]刘玉洁. 高速列车牵引传动系统直流电压脉动机理及影响的研究[D].北京交通大学，2010.