考慮諧波影響的電氣化鐵路供電系統損耗分析

張超

【摘 ?要】牽引供電系統中諧波分量不僅影響電能質量，也增加了輸電網的損耗。由于長期以來在電網線損計算時沒有考慮諧波影響的因素，因此，對電網經濟運行的影響沒有量化計算的依據，在常用的牽引變壓器負序電流及不平衡度的基礎上，選擇負序靜態抑制效果較好的阻抗匹配平衡變壓器，根據其電氣特性，提出一種基于該牽引變壓器的負序和諧波補償方案。

【關鍵詞】電氣化鐵路;諧波;補償

電氣化鐵路對鐵路運輸非常重要的作用。然而電氣化鐵路給人們帶來便利的同時由于電氣化鐵路負載非線性和波動性的特點造成了向其供電的公用電網的電流和電壓的三相不對稱，主要是電流的不對稱，同時還向公用電網注入大量的諧波。特別是隨著電氣化鐵路的高速發展，由牽引負荷引起的諧波、負序等這類電能質量問題，已嚴重影響電力系統和電氣化鐵路牽引供電系統的安全、穩定運行。因此，必須采取合理有效的辦法去改善電氣化鐵路的電能質量，確保這兩個系統的安全性與穩定性。

一、電氣化鐵路負序和諧波的危害

電氣化鐵路給鐵路運輸帶來巨大效益的同時，由于電氣化鐵路牽引負荷的非線性、不對稱和波動性的特點，使得電力機車在運行中對電網注入了大量的諧波電流和負序電流，對牽引供電系統和電氣設備造成了不利的影響，其主要表現在：

1、對異步電機的影響。在異步電機中，負序電壓產生負序電流和逆轉的電磁轉矩，較小的負序電壓加到異步電機上都會引起較大的負序電流和負序逆轉電磁轉矩，這會直接影響異步電動機的效率和安全可靠運行。受諧波發熱的影響，異步電動機的定子繞組的絕緣成為薄弱環節。電動機一般是直接接在用戶母線上，因此電動機所承受的諧波情況可以按照母線上的諧波電壓情況去考慮。實際運行如果 3、5、7 次諧波電壓的大小達到額定電壓的 10%-20%以上，電動機有可能在短時間內損壞。

2、對繼電保護的影響。電力系統中利用負序當啟動元件的繼電保護裝置容易受負序電流的影響而發生誤動作的行為。例如，常規的距離保護受負序電流長時間作用時會轉為閉鎖狀態，使得距離保護的快速動作段不工作;而解除閉鎖后，如果負序電流還存在并且此時系統發生振蕩，則繼保裝置可能誤動作跳閘。由此可見負序電流的存在，會增加繼電保護裝置的復雜性、降低繼電保護裝置的可靠性。

3、對變壓器的影響。由于負序電流導致三相電流不相等，變壓器三相中肯定有一相電流最大，這樣各繞組不可能都工作在額定狀態，減小了變壓器的容量利用率，并且負序電流還會增加變壓器繞組的銅耗和其他損耗。在正常情況下變壓器勵磁電流中的諧波成分并不會增加鐵損和發熱，但在諧振條件下會對變壓器造成損害。比如中性點接地的全星形接線變壓器，當電網中的分布電容很大時，就有可能造成三次諧波在變壓器中的諧振。除此之外，諧波還導致噪聲增大。

二、電氣化鐵路負序和諧波補償方案

電氣化鐵路牽引負載是一個單相負載，且負載的功率大小并不是恒定的，而是時刻變化，它通過牽引變壓器向公用電網吸取電能。由于電氣化鐵路牽引負載的特性導致電氣化鐵路向公用電網反送負序無功和諧波電流。阻抗匹配平衡變壓器可以將二次側的平衡電流變換到一次側的對稱電流，但是當二次側的電流不平衡時，阻抗匹配平衡變壓器不能完全消除負序，只能在某種程度上減小不平衡度。，提出一種應用于阻抗平衡變壓器牽引供電系統的既能解決電氣化鐵路單相牽引負荷負序問題，同時也能抑制電氣化鐵路諧波和無功的補償方法。目前，已有許多種諧波與無功電流的檢測方法。

1、濾波技術。濾波技術可以分為兩種：模擬濾波和數字濾波。模擬濾波技術是采用模擬濾波電路對模擬信號進行濾波處理。它的優點是實現電路簡單、造價低、輸出阻抗低、品質因數易于控制。但有許多不足：實現電路的濾波中心頻率對元件參數十分敏感，受外界影響較大;當需要檢測多次諧波分量時，實現電路變得復雜;當系統頻率波動時，濾波效果會大大降低;運行損耗大。該方法現在已很少被選用。數字濾波技術是在模擬濾波技術基礎上發展起來的，數字濾波器的設計方法和頻譜特性與模擬濾波器在本質上是一樣的，但是由于它處理的是數字信號，系統的穩定性大大提高，外界干擾對其影響也大大降低。不管是模擬濾波器，還是數字濾波器，它們都不能同時分離出無功電流和諧波電流，也不能直接檢測到電流中的無功分量。

2、基于 Fryze 功率定義的檢測法。基于 Fryze 功率定義的檢測方法的原理是將負荷電流分解成兩個正交分量：一個是與電網電壓波形完全同相位的有功電流分量;另一個是廣義無功電流分量。它的優點是檢測電路簡單。但是由于此方法是建立在平均功率理論基礎之上的，使得計算廣義無功電流瞬時值時需要一個周期的積分，再加上其他運算電路的延時，求得的瞬時無功電流實際上是幾個周期之前的電流。因此，該方法的應用有一定的局限性，只適用于無功、諧波、不對稱綜合補償。

3、基于小波變換的檢測法。小波變換是針對傅里葉變換在分析非平穩信號方面的局限性形成和發展起來的一種十分有效的時頻分析工具。小波變換通過在信號的不同部位采用不同尺度的分析方法得到最佳的時域分辨率和頻率分辨率，有“數學顯微鏡”的美稱。它是時間和頻率的局域變換，通過伸縮和平移等運算功能對信號進行多尺度細化分析，能有效的從信號中提取有用的信息，它克服了傅里葉變換在頻率完全局部化而在時域完全無局部性的缺點，非常適用于變化迅速的諧波和波動的諧波的檢測。但是如果是檢測靜態的諧波時小波變換并沒有明顯的理論優勢，此外小波變換的理論和研究時間起步較晚，在諧波檢測方面還只是剛剛開始，有很多不足之處，如缺乏構造頻域行為良好，及分頻嚴格，能量集中的小波函數以改善檢測精度的規范方法，缺乏系統規范的最小波基的選取方法。

三、電氣化鐵路SVC無功補償原理負序和諧波補償方案的控制策略

靜止補償器最重要的性質是它能維持結點電壓不發生變化，為此，它要能夠連續地調節向負荷提供的無功功率，維持系統的無功平衡，即滿足方程：QS=QF+QL-QC=常數=0（式中QS為系統無功功率，QF為負荷無功功率，QL為電抗器無功功率，QC為電容器組無功功率。）

如圖所示，A為系統工作點。負荷工作時吸收QF，補償裝置由電容器組提供固定的QC;當負荷工作狀態改變，導致吸收的QF變化時，通過調節晶閘管控制電抗器吸收的QL來抵消負荷無功的變化，從而維持系統動態無功平衡。

2 ?SVC裝置的組成和工作原理

該圖為參圖表，具體情況以現場實際情況為準。

TCR的基本結構是兩個反并聯的晶閘管和電抗器串聯，TCR的控制元件是兩個反并聯晶閘管，它們在電源電壓的不同半周輪流導通。當晶閘管的控制角a在90°到180°之間時，TCR部分導通（控制角為90°時完全導通）;增大控制角，其效果就是減少了電流中的基波分量，這相當于增大電抗器的感抗，減小其無功功率，就電流的基波分量而言，晶閘管控制電抗器是一個可控電納。

TCR控制系統完成如下功能：通過檢測系統電壓、電網電流和TCR的電流，計算出可控硅的觸發角，控制電抗器電納值，達到無功補償的目的。

SVC系統對采集的電鐵信號，系統電壓Ua，Ub，系統電網電流Ia，Ib，TCR電流Itcr，進行變換，得到系統信號的基波分量。綜合負載電流IA = Ia –Itcr。通過運算得到綜合負載的無功電流IAL，IBL。通過公式Q補= Qa = IAL *Ua，如果是兩相補償則Q補 = Qa + IBL *Ub。通過Q補得到系統的等效電納，從而得到觸發角，完成對可控硅的控制。

TCR的分相調節可應用在電氣化鐵路供電站中，它可以對單相的無功進行補償。應用控制系統能做到補償后各項指標均達到國家標準，并滿足用戶要求。

控制系統是負序和諧波綜合補償的一個關鍵環節，它的作用是由負序與諧波電流的實際補償信號與指令信號的關系以及主電路直流側電容電壓參考值與實時值之間的關系，獲得控制主電路中觸發電力電子器件的 PWM 信號。

1、直流側電容電壓控制。為了使綜合補償裝置的主電路正常運行，對直流側電容電壓的要求是使其維持在一定的數值，以保證主電路在任一時刻都能根據指令電流的變化產生相應的補償電流。如果不對其采取適當的控制方式，由于系統損耗和補償電流變化的原因，電容的端電壓會衰減或產生較大的波動，直接影響系統的穩定。對直流側電容電壓的控制主要有兩種方法：一種是通過輔助電路的附加電源單獨給電容充電，實現電容電壓的穩定;另一種是通過對變流器進行適當控制來達到對直流側電容電壓大小的控制，就可以維持直流側電壓大小不變。

2、基于位置關系的控制方式。為了使綜合補償裝置得到理想的補償效果，有必要對其進行適當的控制。根據補償點與檢測點之間的位置關系，負載電流反饋控制方式，這種結構的特點是補償點在檢測點之前，其指令電流運算電路的輸入信號來自負載電流，補償的目的是使電源電流中只包含負載電流的基波有功功率電流分量，這是最基本的一種控制方式。在這種方式中，補償電流能很好的跟隨指令電流的變化。但是，變流器電力電子器件的高頻通斷會產生其與工作頻率差不多的高次諧波，這會導致補償后的電流中含有較高頻率的諧波成分。為了濾除這些頻率較高的諧波，可以在綜合補償裝置系統中添加高通濾波器，從而使電源電流中包含這些諧波，使得補償特性變差，負載電流反饋控制方式如圖。

電力系統中諧波分量對輸電線路的損耗影響較大，在有電氣化機車通過的時段，諧波造成輸電線路損耗增加了近一倍，而對于變電站的影響相對較小。在沒有電氣化機車通過的時段，電力系統中諧波分量很小，輸電系統損耗也較小。而在有電氣化機車通過的時段，供電系統的電能質量變化明顯，諧波含量增加顯著，并造成了輸電系統損耗的顯著增加。根據電氣特性，提出一種基于該牽引變壓器的負序和諧波補償方案。

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（作者單位：神華包神鐵路公司）