地铁车辆辅助变流器谐波超标问题分析及改进

颜旭

（株洲中车时代电气股份有限公司， 湖南株洲 412001 ）

摘要：文章介绍了地铁辅助变流器逆变输出滤波电路设计，剖析了地铁辅助变流器试验电压谐波超标问题，并针对性提出有效的改善方案。改善后辅助变流器试验效果良好，未再出现试验电压谐波超标问题。

关键词：辅助变流器；滤波电路；电压谐波；地铁车辆

0 引言

辅助变流器是地铁车辆的重要组成设备之一，主要包括逆变器和蓄电池充电机。其中逆变器通常采用两电平逆变电路，由于逆变输出的PWM电压具有较高的du/dt，不仅会对外产生较大的电磁干扰，而且对负载的绝缘性能提出更高的要求。为了提升辅助变流器的性能，并满足地铁车辆相关电磁兼容标准中的传导骚扰要求，需要在辅助变流器逆变输出端增加滤波电路，将逆变器输出的PWM电压过滤为低谐波含量的准正弦波给车辆交流负载供电^[1]。

本文提出了一种由于试验台负载导致辅助变流器电压谐波超标的问题分析及优化方案。

1 主电路结构

现有地铁辅助变流器有工频辅助变流器和高频辅助变流器2种主电路结构，其中工频辅助变流器主电路结构如图1所示，其交流电压来源于DC/AC逆变器，经过工频变压器降压隔离后，逆变输出接LC滤波器，一般L由变压器漏感集成设计，C由电容器“三角形”连接。

图1 工频辅助变流器主电路结构

高频辅助变流器主电路结构如图2所示，与工频辅助变流器相比，主要多了DC/DC高频隔离环节，其交流电压来源于DC/DC后端的DC/AC逆变器，其逆变输出直接接LC滤波器，其中L为三相滤波电感，C由电容器“星形”连接。

图2 高频辅助变流器主电路结构

两种辅助变流器主电路结构不同，但LC滤波器设计思路相同，以下基于高频辅助变流器进行LC滤波器设计，以及试验谐波超标问题分析。

2 LC滤波设计

2.1 滤波原理

LC滤波器为常用的二阶低通滤波器，其特性为：频率远小于截止频率的低频交流电压，由于LC滤波回路表现为低阻抗，该部分低频交流电压可以无衰减的通过滤波器；而频率远高于截止频率的高频交流电压，由于LC滤波回路表现为高阻抗，该部分高频谐波电压以-40dB/dec的速度衰减，滤波器的设置可以有效滤除PWM电压中的高频成分，使辅助变流器交流输出电压满足地铁车辆交流负载供电品质要求^[1]。

2.2 设计原则

• 电压谐波约束：＜5%；

• 截止频率约束：10f_o≤f_c≤0.4f_s，f_o为基波频率，f_s为载波频率，f_c为截止频率；

• 电感压降约束：滤波电感的基波压降小于输出基波相电压的10%；

• 无功功率约束：滤波电容无功功率小于系统额定功率的15%；

2.3 参数设计

某辅助变流器要求输出功率P_o为120KVA，输出线电压V_o为380V，逆变器的载波频率f_s为4000Hz，输出电压基波频率f_o为50Hz。根据设计原则：
(1)

(2)

(3)

由式（2~3）得 ， ，标称电容值选择为 ，则由式（1）可知电感的选型范围为 ，权衡电感体积重量影响，电感值选择为350uH，输出电压谐波校核约为2.2%，满足设计要求。

3 问题分析

辅助变流器进行电压谐波测试为 且该电压谐波主要集中于 ，即输出电压谐波主要集中为第17次谐波，该谐波对应频率为850Hz。

调查中发现试验台阻抗负载为电感电阻串联连接，接辅助变流器三相交流输出后，其单相等效电路如图（3）所示。

图（3）单相等效电路

该等效电路导纳传递函数为：

该传递函数Bode图幅频特性曲线表明系统增加一个谐振点，并且该谐振点与辅助变流器输出LC滤波的截止频率、17次谐波频率（850Hz）接近，现场谐波超标主要是因为17次谐波频率落在等效电路谐振频率附近，导致17次谐波电流被增益，从而导致辅助变流器电压谐波测量值较谐波设计值偏大。分析试验台的串联电感电阻负载是导致本次辅助变流器测试谐波超标的原因。

3.1 优化方案

第一种为优化试验台阻抗负载为电感电阻并联连接；第二种为使阻抗负载与变流器构成的等效“LCL”电路谐振频率远离（大于）变流器的LC滤波电路的截止频率。实际选择第二种方案，优化后测试谐波为3%，符合设计要求。

4 结束语

辅助变流器交流输出滤波电路常见为三相LC滤波器，如负载采用LR串联设计，将与辅助变流器输出LC滤波电路构成LCL谐振网络电路，系统会增加一个谐振点，如果该谐振点落在辅助变流器某高次谐波上，可能会导致该辅助变流器该高次谐波被异常增益，从而导致输出电压谐波较实际设计值偏大，甚至超过5%谐波要求。同时在设计大功率变流器试验台阻抗负载宜采用电感与电阻并联连接方式，否则测量交流输出为LC滤波的变流器可能导致谐波测量值较谐波设计值偏大问题。

参考文献：

1. 陈湘, 熊煜宇, 王佳佳,等. 机车辅助变流器LC滤波器设计[J].大功率变流器技术，2017(1):64-67.