CN114629334A - 一种基于牵引变压器集成lcl的高频谐波谐振抑制系统 - Google Patents

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刘裕兴
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Abstract

本发明公开了一种基于牵引变压器集成LCL的高频谐波谐振抑制系统，设置于列车的牵引传动系统中，包括集成LCL牵引变压器和并联滤波电容；集成LCL牵引变压器包括两个铁心柱及对称分布于两个铁心柱的2N个绕组单元；每个绕组单元包括1个网侧绕组、1个牵引绕组和1个滤波绕组；每个绕组单元的各绕组采用层式圆筒型结构绕制于铁心柱上，且由内向外依次为：牵引绕组、滤波绕组、网侧绕组；2N个网侧绕组并联后通过受电弓和轮轨与牵引网相连，2N个牵引绕组分别与2N个网侧变流器相连，2N个滤波绕组串联后与并联滤波电容相连。本发明不需要额外增加滤波电感，且只需一个滤波电容，在获得良好滤波效果的同时降低滤波系统的设备数量、体积和成本。

Description

一种基于牵引变压器集成LCL的高频谐波谐振抑制系统
技术领域
本发明属于轨道交通牵引传动系统领域，特别涉及一种基于牵引变压器集成LCL的高频谐波谐振抑制系统。
背景技术
发展电气化轨道交通是实现“碳达峰”、“碳中和”的有效途径。而提升轨道交通车-网耦合电气系统的电能质量是保证系统安全稳定运行和降低能源损耗的重要环节。
大功率电气化轨道交通列车，如高速铁路、城际铁路、货运铁路等，广泛采用交-直-交型牵引传动系统。其系统构成主要包括受电弓、牵引变压器、网侧变流器、中间直流环节、牵引逆变器和牵引电机。其中，牵引变压器用于降低电压等级，并且充当等效网侧电感；网侧变流器采用四象限PWM控制和载波移相技术，用于提供稳定的直流输出电压、网侧近似单位功率因素、以及较低的网侧谐波含量。
虽然通过PWM控制和载波移相技术可以有效抑制低次谐波，但是无法避免地产生开关频率及其倍频附近的特征谐波。这部分特征谐波虽然在量值上不大，但是会对列车相关系统带来一系列危害。一方面，高频段谐波感应到通讯及信号系统可能产生干扰。另一方面，谐波感应会引起电气设备振动和发热。另外，更严重的情况是高频谐波进入牵引网可能触发谐波谐振。谐波谐振不仅会加剧上述危害，还会引起牵引网过电压，导致保护系统误动作，严重影响列车系统正常运行。
目前，为了抑制车载变流器产生的高频谐波和阻止谐波进入牵引网引起的谐波谐振，主要的技术方案有两类。一类是基于牵引变电站的方案，即在牵引变电站安装无源或有源滤波器。但是该方案由于安装位置电压等级较高，导致滤波设备安装容量和成本都较大。而且，在实际情况中，同一牵引变电站往往为多台和多类型列车供电。站内滤波装置在处理多种类型的谐波源时调谐和设计十分困难。另外站内滤波装置也无法消除列车之间谐波的相互影响。另外一类则是从源头处减小谐波，即车载方案。车载方案可以通过优化网侧变流器控制方法和加装车载滤波器来实现。谐波优化控制方法往往需要实时在线检测系统参数，计算过程较复杂，对数字处理器运算性能要求较高，因此在大功率工业应用中的普及率不高。而车载滤波器方案不仅能从源头对谐波进行抑制，而且在安装容量和设计难度上都比站内滤波方案更具优势。近年来，LCL型网侧变流器被越来越多地应用到列车牵引传动系统中，体现出了良好的综合性能。然而，在大功率列车中应用时，根据负载需求必须配置多个网侧变流器。以4个网侧变流器的情况为例，在已经利用牵引变压器漏电感的情况下，需要额外增加4个滤波电感和4个滤波电容。在列车安装环境中，降低车载LCL型网侧变流器滤波系统的体积和重量具有重要意义。
发明内容
针对上述LCL型网侧变流器系统的不足，本发明提出了一种基于牵引变压器集成LCL的高频谐波谐振抑制系统，不需要额外增加滤波电感，且只需要一个滤波电容，在获得良好滤波效果的同时降低滤波系统的设备数量、体积和成本。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于牵引变压器集成LCL的高频谐波谐振抑制系统，设置于列车的牵引传动系统中，包括集成LCL牵引变压器和并联滤波电容；
所述集成LCL牵引变压器包括第一铁心柱、第二铁心柱，以及对称分布设置于第一铁心柱和第二铁心柱上的2N个绕组单元；
每个绕组单元包括1个网侧绕组、1个牵引绕组和1个滤波绕组；每个绕组单元的网侧绕组、滤波绕组和牵引绕组，采用层式圆筒型结构绕制于铁心柱上，且牵引绕组位于最内层，网侧绕组位于最外层，滤波绕组位于中间层；
所述绕组单元的个数2N与牵引传动系统中的网侧变流器的数量相同；2N个网侧绕组并联后通过受电弓和接地轮轨与牵引网相连，2N个牵引绕组分别与2N个网侧变流器对应相连，2N个滤波绕组串联后与并联滤波电容相连。
进一步的，每个绕组单元中的滤波绕组，其等效阻抗值为零。
进一步的，通过调整网侧绕组、滤波绕组和牵引绕组的绕组参数，来调整滤波绕组的等效阻抗值。
进一步的，可调整的绕组参数包括滤波绕组的电阻材料和/或箔绕方式。
进一步的，根据列车负载设置绕组单元的个数2N，N可以取值为1、2或3。
有益效果
本发明提供一种基于牵引变压器集成LCL的高频谐波谐振抑制系统，为抑制车载变流器产生的高频谐波的传播以及防止车-网耦合系统发生谐波谐振提供了一种新型技术方案。本发明系统由一台集成LCL牵引变压器和一个并联滤波电容组成，充分利用牵引变压器的等值漏阻抗形成网侧等值滤波电感、牵引侧等值滤波电感、滤波测等值零电感通道，并与并联滤波电容共同组成了LCL型滤波器。与传统L型滤波相比，本发明具有更好的谐波抑制效果。与传统的LCL型滤波相比，本发明通过采用层式圆筒型结构设置各绕组单元的网侧绕组、牵引绕组和滤波绕组，只需要稍微增加牵引变压器的辐向尺寸，但是大大减少了额外滤波电感和滤波电容的使用。因此本发明不仅具有LCL型滤波系统良好的滤波效果，而且降低了滤波系统设备数量、空间占用，在列车等空间受限的应用场景具有突出优势。
附图说明
图1为本发明系统及其所处牵引传动系统示意图；
图2为N等于1时集成LCL牵引变压器截面绕组排布方式示意图；
图3为N等于2时集成LCL牵引变压器截面绕组排布方式示意图；
图4为集成LCL牵引变压器绕组单元等值电路及车-网耦合系统谐波分析电路；
标号说明：1-集成LCL牵引变压器、2-并联滤波电容、3-牵引接触网、4-受电弓、5-接地轮轨、6-网侧变流器、7-直流环节和牵引负载、8-网侧绕组、9-牵引绕组、10-滤波绕组。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，对本发明的技术方案作进一步解释说明。
如图1所示，一种基于牵引变压器集成LCL的高频谐波谐振抑制系统，包括集成LCL牵引变压器1和并联滤波电容2；其所处牵引传动系统还包括牵引接触网3、受电弓4、接地轮轨5、2N个网侧变流器6、直流环节和牵引负载7；
所述集成LCL牵引变压器绕组包括2N个网侧绕组8、2N个牵引绕组9、和2N个滤波绕组10；绕组个数2N与牵引传动系统中网侧变流器个数相同，其中N的取值根据列车负载情况可以取整数1、2或3；
所述的2N个网侧绕组并联后通过受电弓和接地轮轨与牵引网并联；所述的2N个牵引绕组分别与2N个网侧变流器并联，网侧变流器直流端口接直流环节和牵引负载；所述的2N个滤波绕组串联后与所述的并联滤波电容相连。
如图2所示，为N等于1时集成LCL牵引变压器截面的绕组排布方式示意图，网侧绕组、牵引绕组和滤波绕组个数均为2；所述的网侧绕组、牵引绕组、和滤波绕组对称分布于第一铁心柱和第二铁心柱，其中牵引绕组位于靠近铁心柱的最内层，高压绕组位于最外层，各个滤波绕组分别位于对应的网侧绕组和牵引绕组中间；每一组靠近的高压绕组、滤波绕组和牵引绕组构成一个绕组单元，如图2中有左右两个绕组单元。
每个绕组单元中的网侧绕组、牵引绕组和滤波绕组，均采用层式圆筒型结构，绕组间漏磁耦合主要为轴向漏磁耦合(辐向的漏磁也是存在的，但是比轴向的漏磁要小很多，大概相差一个数量级)，使得不同绕组单元之间的漏磁耦合相比于同一绕组单元内绕组的漏磁耦合非常小，避免谐波在不同绕组单元中相互传递；另外这样的排布有利于等值零阻抗的设计。
如图3所示，为N等于2时集成LCL牵引变压器截面绕组排布方式示意图，网侧绕组、牵引绕组和滤波绕组个数均为4。N等于3时的绕组排布方式可依次类推。
在本发明中，每个绕组单元中的滤波绕组，其等效阻抗值均为零。以下对滤波绕组的等效阻抗值的调整方式进行解释说明：
如图4所示，为折算到网侧的一个绕组单元的等值电路及车-网耦合系统谐波分析电路。图4中，Cf1代表连接到滤波绕组1的等值电容Zcf1＝1/jωCf1；Lgtf1、Ltgf1、Lfgt1分别代表网侧绕组、牵引绕组和滤波绕组的等值电感，相应的等值阻抗为Zgtf1＝jωLgtf1、Ztgf1＝jωLtgf1、Zfgt1＝jωLfgt1，等值阻抗与各绕组之间短路阻抗关系为：
Zgtf1＝(Zg1-t1+Zg1-f1-Zt1-f1)/2
Ztgf1＝(Zg1-t1+Zt1-f1-Zg1-f1)/2
Zfgt1＝(Zt1-f1+Zg1-f1-Zg1-t1)/2
其中Zg1-t1、Zf1-t1和Zf1-g1为短路阻抗，可以通过调整变压器绕组尺寸参数来调整。因此，根据上述等值阻抗与各绕组之间的短路阻抗关系式可知，本发明滤波绕组的等值阻抗是可以在数值上等于零的。
本实施例中，滤波绕组的等效阻抗设计为0，包含两个要素：(1)滤波绕组采用低电阻材料和箔绕方式，使得交流电阻越小越好，近似于零；(2)绕组等值电感等于零或近似于零。
由于本发明中滤波绕组采用等值零阻抗设计，因此要求Lfgt1和Zfgt1接近于零，使得本发明系统中的LCL滤波系统由网侧等值电感、连接到滤波绕组的等值电容、以及牵引侧等值电感组成。
以下再对本发明将各滤波绕组的等效阻抗值设计为零，以实现高频谐波谐振抑制的工作原理进行解释。
图4所示的车-网耦合系统谐波分析电路中，Zg代表牵引网的等效阻抗，该阻抗在系统谐振频率下达到峰值。当网侧变流器产生的谐波包含谐振频率附近分量，会引起系统谐波谐振。Uab1代表网侧变流器的交流测电压,也就是由PWM控制下变流器开关动作产生的谐波电压源。对于频率为ωr的高频谐波，Uab1传递到网侧的谐波电压可表示为：
Figure BDA0003593949400000041
当高频谐波谐振发生时，牵引网等效阻抗Zg(ωr)达到最大值，且远大于网侧绕柱的等值阻抗Zgtf1(ωr)，因此上述公式右边中的
Figure BDA0003593949400000042
接近于1；且滤波电容等值阻抗ZCf1(ωr)远小于牵引测等值阻抗Ztgf1(ωr)，因此上述公式右边中的
Figure BDA0003593949400000051
接近于0。因此网侧谐波电压Ug(ωr)接近于零，可见本发明方法有效阻止了高频谐波传递到网侧，避免了谐波谐振的发生。
以上实施例为本申请的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本申请总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本申请要求保护的范围之内。

Claims (6)

1.一种基于牵引变压器集成LCL的高频谐波谐振抑制系统，设置于列车的牵引传动系统中，其特征在于，包括集成LCL牵引变压器和并联滤波电容；
所述集成LCL牵引变压器包括第一铁心柱、第二铁心柱，以及对称分布设置于第一铁心柱和第二铁心柱上的2N个绕组单元；
每个绕组单元包括1个网侧绕组、1个牵引绕组和1个滤波绕组；每个绕组单元的网侧绕组、滤波绕组和牵引绕组，采用层式圆筒型结构绕制于铁心柱上，且牵引绕组位于最内层，网侧绕组位于最外层，滤波绕组位于中间层；
所述绕组单元的个数2N与牵引传动系统中的网侧变流器的数量相同；2N个网侧绕组并联后通过受电弓和接地轮轨与牵引网相连，2N个牵引绕组分别与2N个网侧变流器对应相连，2N个滤波绕组串联后与并联滤波电容相连。
2.根据权利要求1所述的高频谐波谐振抑制系统，其特征在于，每个绕组单元中的滤波绕组，其等效阻抗值为零。
3.根据权利要求2所述的高频谐波谐振抑制系统，其特征在于，通过调整网侧绕组、滤波绕组和牵引绕组的绕组参数，来调整滤波绕组的等效阻抗值。
4.根据权利要求3所述的高频谐波谐振抑制系统，其特征在于，可调整的绕组参数包括滤波绕组的电阻材料和/或箔绕方式。
5.根据权利要求1所述的高频谐波谐振抑制系统，其特征在于，根据列车负载设置绕组单元的个数2N。
6.根据权利要求5所述的高频谐波谐振抑制系统，其特征在于，N＝1、2或3。
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