京滬高鐵周立營牽引變電所電能質量治理測試分析

方 策 吳命利

（北京交通大學電氣工程學院，北京 100044）

京滬高鐵周立營牽引變電所電能質量治理測試分析

方 策 吳命利

（北京交通大學電氣工程學院，北京 100044）

基于京滬高鐵諧波綜合治理試點工程，對周立營牽引變電所及相關分區(qū)所進行了電能質量測試，分別測試了諧波治理裝置投入前與投入后的電壓電流數(shù)據(jù)。對功率因數(shù)、諧波和負序等指標進行了統(tǒng)計計算，編寫了基于imc測試系統(tǒng)的電能質量分析軟件。通過測試數(shù)據(jù)對比分析，反映了周立營牽引變電所及相關分區(qū)所安裝的諧波治理裝置對電能質量的改善效果，對今后電氣化鐵路電能質量治理具有參考意義。

電氣化鐵路；電能質量；諧波治理

電氣化鐵路屬于波動性很大的單相整流負荷，加上列車運行的流動性，在其運行過程中，會在電力系統(tǒng)產生諧波、負序電流，導致電網電壓波形畸變、三相電壓不對稱，劇烈變化的負荷電流還會引起電網電壓波動[1-5]。京滬高鐵是我國規(guī)劃的“四縱四橫”高速鐵路干線之一，其對電網可能造成的影響自建設之初就引起電力部門的重視。

鐵道部門和電力部門長期以來一直對電鐵諧波限值存在分歧。為保障高速鐵路建設，原鐵道部與國家電網公司就電鐵外部電源問題開展了大量的協(xié)調溝通工作。2011年聯(lián)合印發(fā)的“關于印發(fā)《鐵道部、國家電網公司電氣化鐵路供電協(xié)調領導小組辦公室第三次會議紀要》的通知”（計基函[2011]17號）中，要求對京滬高鐵周立營、王莊、固鎮(zhèn)3個電源相對較弱的牽引變電所進行諧波治理試點。

由于各個不同車型的高速鐵路動車組的諧波特性差異較大，加上電力系統(tǒng)供電網絡結構和負荷的復雜性，目前國內高速鐵路均無可靠適用及成熟的諧波綜合治理技術和設備可供借鑒[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濾波裝置的方式實施，依據(jù)實測結果確定治理方案和設備容量。這是國內首次在高速電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)中開展電能質量治理工程，對其投入效果的評估，將對今后電氣化鐵路電能質量治理的必要性評估和方案選擇具有一定的示范意義。

1 測試說明

1.1 測試目的

通過京滬高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的現(xiàn)場測試，分別測試諧波綜合治理設備投入前和投入后的運行情況，獲得牽引變電所、分區(qū)所的負荷數(shù)據(jù)，統(tǒng)計負荷特性數(shù)據(jù)，測量變電所、分區(qū)所加裝的濾波設備的電流數(shù)據(jù)，分析得出治理設備的濾波效果。

1.2 測試設備

測試采用德國進口的imc測試系統(tǒng)和北京交通大學開發(fā)的EMAP電氣綜合測試系統(tǒng)，所有的測量參數(shù)都基于通道單獨設置，測量數(shù)據(jù)可通過設備的顯示單元進行顯示，也可以通過 TCP/IP協(xié)議連接PC，以便進行后期分析處理。

2 電能質量相關指標

反映電能質量優(yōu)劣的指標有很多，即使對于同一指標，不同的標準中提出計算方法有時也不盡相同[7]。對電氣化鐵道來說，最重要也是最常用的電能質量指標是總諧波畸變率和三相電壓不平衡度，其分別是由牽引負荷電流的諧波分量和負序分量引起的。根據(jù)IEC標準基于imc數(shù)據(jù)采集設備設計了的電能質量分析軟件。

2.1 諧波計算

在某些具體的應用場合，DFT與其快速算法FFT相比可能更有優(yōu)勢[8]。如強行使用FFT計算特定時間段的諧波，可采用充零布滿2的N次冪的方法，然后再進行快速傅里葉計算，但計算結果會有一定誤差。所以這里各次諧波分解采用離散傅里葉變換（DFT）：

由于

令 θ = 2 π k n/ N ，那么式（1）變?yōu)?/p>

進一步：

對于電壓諧波測量，IEC 61000-4-7中有詳細說明，計算特定時間窗無間隙諧波子組的測量數(shù)據(jù)。此標準中，規(guī)定時間窗的寬度為10個（對50Hz系統(tǒng)）基波周期，即為200ms。

為了把電壓波動的影響考慮在內，計算某次諧波時，需要把DFT輸出的該次諧波分量與其直接相鄰的兩側頻域分量進行能量合成，即計算方均根值[9]。

2.2 三相電壓不平衡度

三相電壓不平衡度定義為負序電壓有效值與正序電壓有效值的比值：

3 周立營變電所電能質量

3.1 諧波治理測試安排

此次諧波治理試點工程基于鐵路現(xiàn)場的實際測試數(shù)據(jù)。按照相關牽引變電所、分區(qū)所電能質量實測結果，最終確定周立營諧波治理方案采用 APF+RLC并聯(lián)混合濾波兼補償負序的方案。牽引變電所兩供電臂T-N間分別設補償容量為10000kVA的有源濾波器，并按背靠背方式運行；在艾各莊和雙口兩分區(qū)所中T-N、F-N間設RLC二階高通濾波器，電容器安裝容量為2×3600kvar。表1為周立營測試方案的實施概況。

表1 周立營測試概況

3.2 全天測試數(shù)據(jù)分析

1）高壓側電能質量

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計算出周立營測試時間內全天平均功率因數(shù)，見表2。

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功，導致過補，反使功率因數(shù)下降。

按每天統(tǒng)計周立營變電所高壓側三相電壓總諧波畸變率、不平衡度和負序電流最小值、平均值、95%概率大值和最大值。統(tǒng)計結果見表3。

表3 三相電壓總諧波畸變率/%、電壓不平衡度/%和負序電流/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高通濾波器同時投入時，三相電壓諧波畸變率無明顯變化。表明變電所APF濾波器對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)高壓側三相的實測數(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高通濾波器同時投入時，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%。負序電流無明顯變化。表明 APF濾波器對補償負序電流有作用，而RLC無作用。

2）牽引側電能質量比較

統(tǒng)計周立營變電所北京方向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)計結果見表4。

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高通濾波器同時投入時，T線、F線電壓總諧波畸變率有所下降。

3.3 典型時刻數(shù)據(jù)分析

選取周立營變電所APF濾波器投入時的某個典型時刻，分析了北京方向T線電壓、APF濾波器電流及其對應的諧波含量大小，如圖1和表5所示。

圖1 周立營北京方向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測數(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。

北京-上海方向T線電壓的波形圖和對應的APF電流諧波含量，如圖2所示。比對了同一時刻背靠背方式下北京和上海方向有功和無功數(shù)值，見表6。

表6 周立營APF有功無功值

根據(jù)北京和上海方向APF有功無功實測數(shù)據(jù)分析可知，北京和上海方向APF有功功率相同，驗證了APF采用背靠背變流器方式進行諧波治理，即通過直流側的相互連接轉移兩供電臂牽引負荷的有功功率實現(xiàn)負序補償，而兩供電臂的諧波和無功功率則分別進行補償。

圖2 周立營北京上海T線電壓及其APF電流諧波含量

選取了20日艾各莊分區(qū)所RLC高通濾波器投入時的某個典型時刻，分析了T線和F線所接RLC高通濾波器電流和對應的諧波含量大小，如圖3和圖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計之初用于吸收 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，同時鑒于京滬高鐵本身很高的電能質量，很難反應濾波設備的濾波能力。

4 結論

測試結果表明，投入APF濾波器對高壓側三相功率因數(shù)略有改善，由于高速鐵路動車組本身功率因數(shù)已經很高，這種改善并不顯著。由于電鐵低次諧波含量相對高次要大些，APF濾波器投入能有效濾除部分低次諧波電流；而RLC高通濾波器對改善總諧波畸變率沒有效果，其主要作用是抑制高次諧波諧振。此次周立營諧波治理試點也說明了京滬高鐵電能質量處在較高水平，治理裝置安裝的必要性不大。

目前我國鐵路和電力雙方在電鐵諧波限值及評估方法上尚未達成一致。從測試結果來看，京滬高鐵電能質量并沒有像前期電力部門預評估那樣嚴重。把電鐵接入電網諧波預評估結果直接用作強制用戶采取諧波治理措施的依據(jù)，可能會造成國家投資的浪費[10]。建議國家盡快制定符合我國實際條件的諧波預評估機制，為電網和鐵路的安全運行創(chuàng)造條件。

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[9] IEC/TR 61000-4-7 Electromagnetic Compatibility(EMC) Part 4-7： Testing and measurement techniques-General guide on harmonics and interharmonics measurements and instrumentation, for power supply systems and equipment connected thereto[S]. IEC,2008.

[10] 吳命利, 楊少兵, 翟鐵久. 電氣化鐵路接入電網諧波預評估有關問題分析及諧波國家標準修訂建議[J].鐵道學報, 2016, 38(8)： 1-7.

Measuring Analysis on the Power Quality Control of Zhouliying Traction Substation in Beijing-Shanghai High-speed Railway

Fang Ce Wu Mingli
(Beijing Jiaotong University, Beijing 100044)

Based on the power quality control experimental project in Beijing-Shanghai high-speed railway, the measurement on Zhouliying traction substation and relevant section posts are conducted. Voltage and current data are obtained for before and after the harmonic control devices are put into operation. The power quality index of power factor, harmonics, negative phase sequence are statistically computed, and a power quality analysis software based on imc measuring system is compiled. By the comparison of the test data, the power quality improvement effect for the harmonic control devices on the substation and relevant section posts are reflected, which has a reference value for the future power quality control of electrified railways.

electrified railways; power quality; harmonic control

方 策（1992-），男，碩士研究生，山東煙臺人，主要從事電能質量的研究工作。