电气化铁路牵引供电系统谐波分析与治理

张涛

【摘 要】With the development of high-speed railway, more and more higher harmonic generated from the traction pow-er supply brings pollution to power grid so that the harmonic governance problems have been increasingly serious. This paper introduces the basic concept of harmonics, generating mechanism, the load characteristics of high-speed railway and railway locomotive harmonic generation. On this basis, by using Fourier decomposition method, quantitative analy-sis, characteristic quantity analysis on harmonic content, total harmonic distortion rate and the containing rate of the nth harmonics is performed. Finally, such power system harmonic suppression measures as additionally set with power quali-ty analysis device, active, passive, and hybrid filter and equipped with static reactive compensation devices are put for-ward to effectively reduce the influence of the higher harmonic of high-speed railway to the power system in the future.%国家电气化铁路尤其是高速铁路的迅猛发展，牵引供电非线性负荷给电网带来高次谐波污染，文章介绍了电力系统谐波的基本概念、产生机理以及高速铁路负荷特性及铁路机车谐波的产生。在此基础上，采用傅里叶分解法对谐波进行定量分析，对谐波含量、谐波总畸变率和第n次谐波的含有率等特征量分析。给出了增设电能质量分析装置，增设有源、无源及混合滤波器，加装静止无功补偿装置等电力系统谐波抑制措施。文章分析结果对电气化铁路牵引供电系统谐波分析与治理具有重要的理论意义和实际工程应用参考价值。

【期刊名称】《高速铁路技术》 【年(卷),期】2015(000)002 【总页数】5页(P1-5)

【关键词】电气化铁路;高次谐波;谐波分析;谐波治理 【作 者】张涛

【作者单位】中铁工程设计咨询集团有限公司电化院，北京100055 【正文语种】中 文 【中图分类】U223.5+2

近年来随着科技的不断发展，电气化铁路迅速发展，以高次谐波为主的电能质量问题也随之日益突出，高速铁路接入电网的方式、电力电子元件应用及谐波治理方案等，将成为今后一段时期高速铁路运行及电力系统科研工作者的研究热点问题之一。因此，深入研究含有高速铁路的电力系统谐波问题具有重要的理论意义和实际工程应用价值。

本文首先介绍了电力系统谐波的基本概念、性质和主要度量指标，并指出了电力系统谐波研究的艰巨任务和重大意义。在此基础上，采用傅里叶分解法对谐波进行定量分析，谐波含量、谐波总畸变率和第n次谐波的含有率等特征量分析。最后，给出了有源、无源及混合滤波器，加装静止无功补偿装置等电力系统谐波抑制措施。本文分析结果对高速铁路的电力系统谐波准确认识与治理具有重要的理论意义和实际工程应用价值。

国际电工学术界定义的谐波概念是:谐波是一个正弦波分量的电气量，且具有一定的周期，其频率为基频的整倍数［5］。任何周期性的畸变波形都可用若干正弦波

形之和来表示。畸变波形可以分解为一系列频率为基频整倍数的理想正弦波形，而这些不同频率正弦波形的和称为傅里叶级数。畸变波形的傅里叶级数表示如图1所示。

谐波在工程实际中需明确下列几个问题: (1)间谐波和次谐波

一些用电负荷往往会通过特殊的不规则谐波电流，它们的频率不是基频的整数倍，其中高于基频的谐波分量称为次谐波;低于基频的谐波分量记为间谐波。 (2)谐波和暂态现象

电力系统暂态过程含有高频分量也是一种畸变波形，但是暂态现象和谐波是2个不同的概念，是2种不同的物理现象。电力系统受到扰动后，暂态波形呈现高频特性，而高频分量不属于谐波范畴，与系统的基频没有内在联系。按谐波定义来讲它是出现在稳态过程中的现象，高频分量的频率与基波频率成倍数关系。谐波的畸变波形是连续的，或至少持续几秒钟，而暂态现象则通常在很短的时间内甚至几个周期后就消失。暂态过程会出现系统的改变，比如系统的解列等状况。而谐波与负荷密切相关。 (3)陷波现象

当负荷含有换流装置时，发生换相会导致电压波形出现换相凹陷即陷波现象，这种畸变虽然也是周期性的，但不属于谐波范畴。

与一般的电气化铁路相比，我国客运专线高速动车组运行时具有一些新的特征: (1)牵引动力所产生的高负荷

高速动车组机车行驶速度快，因此牵引负荷是高速移动的，负荷电流变化剧烈，最大负荷电流很大。同时是以铁路钢轨与大地为导体的单相移动负荷，当一个供电臂有几列列车同时运行时，馈线电流可以到达600～800 A。当时速超过300 km时，列车运行需要的功率会超过20 MW。

(2)列车受电时间长且负载率高

高速动车在其运行过程中主要的阻力来自于空气阻力，而这种阻力是随着速度的提高不断增加的。同时，接触网持续向列车供电，列车所带的负载是持续存在的。 (3)高要求的越区供电能力

为了应对在供电过程中可能出现的特殊情况，例如牵引变电所因某种原因解列而退出整个供电系统，需要由其相邻的变电所越过这一故障区域向其供电。相应的，对于相邻的两变电所，其供电负荷增加了，就需要对越区供电能力有很高的要求。为了避免跨区供电对运输能力及列车速度的，需要牵引供电系统具有较大的容量。 (4)高速客运负荷区别于货运负荷的主要特性

铁路货物运输对列车的运力要求比较高，对其速度没有很高的要求。而相比货运，高速动车对供电质量的要求高很多，速度是一方面，同时还需要准时准点到达。众所周知，我国接触网的额定电压为25 kV，而列车全功率供电电压为22.5 kV。如果接触网电压达不到这个数值跑车的话，会导致运输质量大幅度降低，影响整个运输系统的秩序。

在我国电气化铁路发展早期，机车整流设备多采用单相晶闸管，同时前文分析了电气化铁路具有单相不对称波动负荷的特点，在机车运行过程中严重的非线性，向牵引供电系统注入了大量的高次谐波电流。因此，牵引供电网功率因数低(一般额定工况时在0.8左右)、谐波含量高。

如图2所示，我国传统的铁路供电模式是从牵引变电所供出的交流电经变压器降压整流，向车载的直流电机供电。对于电力机车的每个转向架，由单独的整流设备向其供电。由于直流电机是感性负荷，整流电压需经平波电抗器后再供给电机。同时，为了改善直流电质量，在换相电路中加入电抗器以抑制电流脉动。如果忽略换向重叠角，则交流电流波形是理想的方波，对应的高次谐波In的有效值是: 如图3所示是半控桥的高次谐波幅度和相位特性。从图3中可以看出，n等于1、

3、5、7、9的奇次谐波只在负荷稳态运行时产生，而偶次谐波则在暂态及涌流情况下产生。而根据实测奇次谐波电流占负荷电流的比重约为:20%～25%的3次谐波，10%～13%的5次谐波，6%～8%的7次谐波。可以看出谐波电流严重影响了牵引系统供电的质量，不利于机车的安全运行。

因此，为了克服上述电力机车的缺点，从20世纪60年始，德国、日本、美国等国家相继进行了交流传动电力机车的研发，到20世纪80年代国际上交流传动机车技术已经日渐成熟。国内的研究始于20世纪70年代，在2000年供商用的交流传动机车研制成功，“熊猫号”和“蓝剑”号先后投入使用。近年来，国内的研发水平不断提高，加上引进国外的先进技术，高速动车组已经大量投入使用。交直交型电力机车和动车组已经成为当前我国铁路客运的重要力量。其原理如图4所示。

CRH动车组、HXD电力机车对谐波含量大幅度降低，功率因数一般在0.95以上，实验数据也表明大多数高速列车会产生13、20、21、22、24次等高次谐波，频谱带较宽。由于电力机车负荷具有冲击性的特点，电压波动与闪变也伴随其产生。 电力系统正常的工作电压波形是一个频率为50 Hz的正弦波，它的数学表达式为: 式中:U——电压的有效值，其幅值为U; α——初相角;

ω——工频的角频率，ω=2πf; f——工频频率; t——工频周期。

由于非线性高速铁路牵引供电负荷的存在，电流、电压呈现畸变非正弦波形，对于满足狄里赫利条件的非正弦电压u(ωt)傅里叶级数分解为: 或者u(ωt)还可以写成如下形式: 式中cn、n和an、bn的关系为:

以上公式及定义是根据非正弦电压进行推导的，而对于非正弦电流上面的推导公式及定义也同样适用，只需将各式中u(ωt)变成i(ωt)即可。

在高速铁路的牵引供电系统中，由于非线性负荷的存在，即当电流流过与其电压不呈线性关系的负荷时，就会有谐波在系统中产生。其中高速铁路牵引供电负荷中晶闸管、各种整流装置是谐波的主要来源。常用谐波含量、谐波总畸变率和第n次谐波的含有率等特征量来衡量畸变波形偏离正弦波形的程度［9-10］。

所谓谐波含量，就是各次谐波的平方和开方。式(5)和式(6)分别为电压及电流的谐波量表达式:

谐波总畸变率分为电压总畸变率THDU和电流总畸变率THDI，可分别定义为: 式中:U1——基波电压有效值; I1——基波电流有效值。

HRUn和HRIn分别表示第n次谐波电压和电流含有率，其表达式分别为: 式中:Un——第n次谐波电压的有效值; In——第n次谐波电流有效值。 6.1 电气化铁路谐波的抑制措施

随着我国高速铁路的迅猛发展，目前已经掌握并实施了一些相关的治理方案，其中颇有效果的有以下2种:

(1)严格执行谐波制定的国家标准，加强对谐波源的监测

变电所内设置一套电能质量分析系统，主要用于电气化铁路牵引变电所，具有电压、电流、有功功率、无功功率、有功电度、无功电度、谐波测量、序量分析、故障录波等功能，作为电能质量分析及统计记录设备。现已在京沪高速铁路、哈大客运专线、宁杭甬客运专线、杭长客运专线等国内客运专线中实施使用。 (2)加装静止无功补偿装置

在变电站牵引母线通过真空开关投入三次谐振滤波器补偿电路。补偿装置电路由串

联的电容器和电抗器组成，并接于主变压器的牵引绕组上，用晶闸管开关投切。此种方式其自身优点如下:

①变电站集中补偿，需要的补偿设备总容量较小，节省投资;可补偿接触网线路电感产生的无功功率;

②根据供电臂的无功电流而调整补偿量，变电站有较高的功率因数，流入电力网的无功电流与谐波电流相对较小。

但基于开关投切时间的随机性，投切时有很大的电流冲击与很高的过电压，易使开关与电容器损坏。目前此种治理方式已应用于南昆电气化铁路，并在不断的进行完善、改进。

6.2 电力系统谐波的抑制措施

电力系统中对于谐波的有效抑制方法为: (1)在谐波源的位置上装设滤波装置

目前利用滤波装置抑制谐波的方法被广泛运用到电力系统中，特别是含高速铁路的电力系统，滤波装置主要有以下几种: ①无源滤波器

简单的L、C滤波器是由电感元件、电容元件以及电阻元件组成。这种滤波器一般装设在谐波源的附近交流侧，由L、C元件构成谐振回路，当谐振频率与高次谐波电流频率相匹配时，可以阻止该高次谐波流入电网。其优点是:投资较小、维护方便、结构简单等。是目前谐波抑制以及无功补偿的主要措施。缺点是:滤波效果与系统阻抗特性有关;当碰到低频、高幅的谐波时会失去效用;工作状态会受温度漂移的影响。 ②有源滤波器

其原理是实时补偿谐波电流的方法，即利用可控半导体元件向电网注入幅度大小相等，相位相反的谐波电流，使电流中的谐波含量抵消。与无源滤波器相比，滤波效

果不受系统阻抗特性的影响。有源滤波器在可控性，快速响应方面特点突出，既能补偿各次谐波，抑制闪变现象，也能起到补偿无功功率的作用。随着科学技术的不断提高，有源滤波技术在电力系统中已被广泛使用，在改善电能质量方面起到了关键作用，有源滤波器的基本结构如图5所示。 ③混合滤波器

图6是典型的混合型有源电力滤波器原理图，混合滤波器是由无源L、C滤波器和有源电力滤波器组成。其中谐波源是负载，es为交流电源。其中无源滤波器进行谐波补偿，有源滤波器所起的作用是改善滤波器滤波特性，克服无源滤波器在电网中发生谐振的缺点。APF电路中指令电流运算电路用来检测谐波成分。电路跟踪控制电路对指令信号进行处理，控制驱动电路工作，补偿电流ic是由驱动电路产生，从而抵消了电流中的谐波成分。该装置对谐波补偿属于动态补偿，响应速度快，当谐波电流很大时，也不会发生过载现象，滤波效果不受系统阻抗特性的影响。 (2)电容器组的投入数量

在电力系统中并联电容器可以有效调节电压，校正功率因数。它对系统的阻频特性影响很大，当谐波注入后，在一定条件下电容器会对谐波起放大作用，损坏电气设备，严重时会危及人身安全。所以应电容器组的投入容量，在允许的条件下也可以投入串接的电抗器，避免谐波放大。 (3)增加换流装置的相数

换流装置是电力系统常见的谐波源之一，整流装置产生的谐波电流成分与脉动数p有关，h=kp± 1(k=1，2，3，…)。由于谐波电流与谐波次数成反比，因此，通过增加脉动数量来使整流装置产生谐波次数增大，这样可以大大降低谐波产生的谐波电流，消除了一系列频率较低、幅值高的谐波成分。

本文回顾了电气化铁路供电系统谐波的概念，在此基础上，阐述电气化铁路供电系统谐波产生的机理、谐波的定量分析、谐波的特征分析及谐波的抑制措施，对含高

速铁路的电力系统的谐波认识与处理均具有重要的指导意义。

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