北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員方策,、吳命利，在2017年第12期《電氣技術(shù)》雜志上撰文,，基于京滬高鐵諧波綜合治理試點(diǎn)工程,，對(duì)周立營(yíng)牽引變電所及相關(guān)分區(qū)所進(jìn)行了電能質(zhì)量測(cè)試，分別測(cè)試了諧波治理裝置投入前與投入后的電壓電流數(shù)據(jù),。

對(duì)功率因數(shù),、諧波和負(fù)序等指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)計(jì)算，編寫了基于imc測(cè)試系統(tǒng)的電能質(zhì)量分析軟件,。通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比分析,，反映了周立營(yíng)牽引變電所及相關(guān)分區(qū)所安裝的諧波治理裝置對(duì)電能質(zhì)量的改善效果，對(duì)今后電氣化鐵路電能質(zhì)量治理具有參考意義,。

1 引言

電氣化鐵路屬于波動(dòng)性很大的單相整流負(fù)荷,，加上列車運(yùn)行的流動(dòng)性，在其運(yùn)行過(guò)程中,，會(huì)在電力系統(tǒng)產(chǎn)生諧波,、負(fù)序電流，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波形畸變,、三相電壓不對(duì)稱,，劇烈變化的負(fù)荷電流還會(huì)引起電網(wǎng)電壓波動(dòng)[1-5]。京滬高鐵是我國(guó)規(guī)劃的“四縱四橫”高速鐵路干線之一,，其對(duì)電網(wǎng)可能造成的影響自建設(shè)之初就引起電力部門的重視,。

鐵道部門和電力部門長(zhǎng)期以來(lái)一直對(duì)電鐵諧波限值存在分歧。為保障高速鐵路建設(shè),，原鐵道部與國(guó)家電網(wǎng)公司就電鐵外部電源問(wèn)題開展了大量的協(xié)調(diào)溝通工作,。2011年聯(lián)合印發(fā)的“關(guān)于印發(fā)《鐵道部、國(guó)家電網(wǎng)公司電氣化鐵路供電協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室第三次會(huì)議紀(jì)要》的通知”（計(jì)基函[2011]17號(hào)）中,，要求對(duì)京滬高鐵周立營(yíng),、王莊、固鎮(zhèn)3個(gè)電源相對(duì)較弱的牽引變電所進(jìn)行諧波治理試點(diǎn),。

由于各個(gè)不同車型的高速鐵路動(dòng)車組的諧波特性差異較大,，加上電力系統(tǒng)供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和負(fù)荷的復(fù)雜性，目前國(guó)內(nèi)高速鐵路均無(wú)可靠適用及成熟的諧波綜合治理技術(shù)和設(shè)備可供借鑒[6],。此次京滬高速鐵路的諧波綜合治理選在電源薄弱的變電所增設(shè)濾波裝置的方式實(shí)施,，依據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果確定治理方案和設(shè)備容量,。

這是國(guó)內(nèi)首次在高速電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)中開展電能質(zhì)量治理工程，對(duì)其投入效果的評(píng)估,，將對(duì)今后電氣化鐵路電能質(zhì)量治理的必要性評(píng)估和方案選擇具有一定的示范意義,。

2 測(cè)試說(shuō)明

2.1測(cè)試目的

通過(guò)京滬高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，分別測(cè)試諧波綜合治理設(shè)備投入前和投入后的運(yùn)行情況,，獲得牽引變電所,、分區(qū)所的負(fù)荷數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)負(fù)荷特性數(shù)據(jù),，測(cè)量變電所,、分區(qū)所加裝的濾波設(shè)備的電流數(shù)據(jù)，分析得出治理設(shè)備的濾波效果,。

2.2 測(cè)試設(shè)備

測(cè)試采用德國(guó)進(jìn)口的imc測(cè)試系統(tǒng)和北京交通大學(xué)開發(fā)的EMAP電氣綜合測(cè)試系統(tǒng),，所有的測(cè)量參數(shù)都基于通道單獨(dú)設(shè)置，測(cè)量數(shù)據(jù)可通過(guò)設(shè)備的顯示單元進(jìn)行顯示,，也可以通過(guò)TCP/IP協(xié)議連接PC,，以便進(jìn)行后期分析處理。

3 電能質(zhì)量相關(guān)指標(biāo)（略）

反映電能質(zhì)量?jī)?yōu)劣的指標(biāo)很多,，即使對(duì)于同一指標(biāo),，不同的標(biāo)準(zhǔn)中提出計(jì)算方法有時(shí)也不盡相同[7]。對(duì)電氣化鐵道來(lái)說(shuō),，最重要也是最常用的電能質(zhì)量指標(biāo)是總諧波畸變率和三相電壓不平衡度,，它們分別是由牽引負(fù)荷電流的諧波分量和負(fù)序分量引起的。根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)基于imc數(shù)據(jù)采集設(shè)備設(shè)計(jì)了的電能質(zhì)量分析軟件,。

4 周立營(yíng)變電所電能質(zhì)量

4.1諧波治理測(cè)試安排

此次諧波治理試點(diǎn)工程基于鐵路現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù),。按照相關(guān)牽引變電所、分區(qū)所電能質(zhì)量實(shí)測(cè)結(jié)果,，最終確定周立營(yíng)諧波治理方案,，采用APF+RLC并聯(lián)混合濾波兼補(bǔ)償負(fù)序的方案,。

牽引變電所兩供電臂T-N間分別設(shè)補(bǔ)償容量為10000kVA的有源濾波器,并按背靠背方式運(yùn)行,；在艾各莊和雙口兩分區(qū)所中T-N、F-N間設(shè)RLC二階高通濾波器,，電容器安裝容量為2′3600kVar,。表1為周立營(yíng)測(cè)試方案的實(shí)施概況。

表1 周立營(yíng)測(cè)試概況

4.2 全天測(cè)試數(shù)據(jù)分析

4.2.1 高壓側(cè)電能質(zhì)量

計(jì)算出周立營(yíng)測(cè)試時(shí)間內(nèi)全天平均功率因數(shù),，如表2所示,。

表2 日平均功率因數(shù)

變電所APF濾波器投入與不投入相比較，功率因數(shù)提高0.003,，分區(qū)所RLC濾波器投入后,，功率因數(shù)卻下降0.019,。表明APF濾波器對(duì)高鐵功率因數(shù)略有改善作用，但RLC濾波器增加較大容性無(wú)功,，導(dǎo)致過(guò)補(bǔ),，反使功率因數(shù)下降。

按每天統(tǒng)計(jì)周立營(yíng)變電所高壓側(cè)三相電壓總諧波畸變率,、不平衡度和負(fù)序電流最小值,、平均值、95%概率大值和最大值,。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示,。

表3 三相電壓總諧波畸變率(%)、電壓不平衡度(%)和負(fù)序電流(A)

在分區(qū)所RLC高通濾波器不投入狀態(tài)下,，投入變電所APF濾波器,，三相電壓諧波畸變率平均值分別下降0.03%、0.02%,、0.02%,，三相電壓諧波畸變率95%概率大值分別下降0.03%、0.02%,、0.01%,。在變電所APF濾波器不投入狀態(tài)下，投入分區(qū)所RLC高通濾波器,，三相電壓諧波畸變率反而有些許升高,。

變電所APF濾波器和分區(qū)所RLC高通濾波器同時(shí)投入時(shí)，三相電壓諧波畸變率無(wú)明顯變化,。表明變電所APF濾波器對(duì)濾除諧波降低總諧波畸變率有作用,，但分區(qū)所RLC由于造成低次諧波略微放大，并不能降低總諧波畸變率,。

根據(jù)高壓側(cè)三相的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),，在分區(qū)所RLC高通濾波器不投入狀態(tài)下，投入變電所APF濾波器,，電壓不平衡度有所下降,，平均值、95%概率大值分別下降0.19%,、0.38%,。在變電所APF濾波器不投入狀態(tài)下，投入分區(qū)所RLC高通濾波器,，負(fù)序電流,、電壓不平衡度反而有些許升高。

變電所APF濾波器和分區(qū)所RLC高通濾波器同時(shí)投入時(shí),，電壓不平衡度有所下降,，平均值,、95%概率大值分別下降0.15%、0.32%,。負(fù)序電流無(wú)明顯變化,。表明APF濾波器對(duì)補(bǔ)償負(fù)序電流有作用，而RLC無(wú)作用,。

4.2.2 牽引側(cè)電能質(zhì)量比較

統(tǒng)計(jì)周立營(yíng)變電所北京方向T線,、F線電壓總諧波畸變率、總諧波電流24h最小值,、平均值,、95%概率大值和最大值。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示,。

表4 北京方向T線,、F線電壓總諧波畸變率（%）和總諧波電流（A）

變電所APF濾波器和分區(qū)所RLC高通濾波器同時(shí)投入時(shí)，T線,、F線電壓總諧波畸變率有所下降,。

4.4典型時(shí)刻數(shù)據(jù)分析

選取周立營(yíng)變電所APF濾波器投入時(shí)的某個(gè)典型時(shí)刻，分析了北京方向T線電壓,、APF濾波器電流及其對(duì)應(yīng)的諧波含量大小,，如圖1，表5所示,。

圖1  周立營(yíng)北京方向APF電流及其諧波含量

表5  APF電流各次諧波含量

根據(jù)APF濾波器典型波形和頻譜的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知,，濾波器濾除的低次諧波主要集中在13次以內(nèi)。

北京上海方向T線電壓的波形圖和對(duì)應(yīng)的APF電流諧波含量,，如圖2所示,。比對(duì)了同一時(shí)刻背靠背方式下北京和上海方向有功和無(wú)功數(shù)值，表6所示,。

圖2 周立營(yíng)北京上海T線電壓及其APF電流諧波含量 

表6 周立營(yíng)APF有功無(wú)功值

根據(jù)北京和上海方向APF有功無(wú)功實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知,，北京和上海方向APF有功功率相同，驗(yàn)證了APF采用背靠背變流器方式進(jìn)行諧波治理,，即通過(guò)直流側(cè)的相互連接轉(zhuǎn)移兩供電臂牽引負(fù)荷的有功功率實(shí)現(xiàn)負(fù)序補(bǔ)償,，而兩供電臂的諧波和無(wú)功功率則分別進(jìn)行補(bǔ)償。

選取了20日艾各莊分區(qū)所RLC高通濾波器投入時(shí)的某個(gè)典型時(shí)刻,，分析了T線和F線所接RLC高通濾波器電流和對(duì)應(yīng)的諧波含量大小,，圖3，圖4所示,。

圖3 艾各莊分區(qū)所高通濾波器T線電流波形和諧波頻譜

圖4 艾各莊分區(qū)所高通濾波器F線電流波形和諧波頻譜

RLC二階高通濾波器在設(shè)計(jì)之初用于吸收14次以上的高次諧波電流，但從諧波頻譜圖中看出,，治理效果并不顯著,，同時(shí)鑒于京滬高鐵本身很高的電能質(zhì)量,，很難反應(yīng)濾波設(shè)備的濾波能力。

5 總結(jié)與建議

測(cè)試結(jié)果表明,，投入APF濾波器對(duì)高壓側(cè)三相功率因數(shù)略有改善,，由于高速鐵路動(dòng)車組本身功率因數(shù)已經(jīng)很高，這種改善并不顯著,。由于電鐵低次諧波含量相對(duì)高次要大些,，APF濾波器投入能有效濾除部分低次諧波電流；而RLC高通濾波器對(duì)改善總諧波畸變率沒(méi)有效果,，其主要作用是抑制高次諧波諧振,。此次周立營(yíng)諧波治理試點(diǎn)也說(shuō)明了京滬高鐵電能質(zhì)量處在較高水平，治理裝置安裝的必要性不大,。

目前我國(guó)鐵路和電力雙方在電鐵諧波限值及評(píng)估方法上尚未達(dá)成一致,。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，京滬高鐵電能質(zhì)量并沒(méi)有像前期電力部門預(yù)評(píng)估那樣嚴(yán)重,。把電鐵接入電網(wǎng)諧波預(yù)評(píng)估結(jié)果直接用作強(qiáng)制用戶采取諧波治理措施的依據(jù),，可能會(huì)造成國(guó)家投資的浪費(fèi)[10]。建議國(guó)家盡快制定符合我國(guó)實(shí)際條件的諧波預(yù)評(píng)估機(jī)制,，為電網(wǎng)和鐵路的安全運(yùn)行創(chuàng)造條件,。