电气化铁路电能质量问题分析.pdf

王金浩 等 收稿日期：2016年3月2 日；录用日期：2016年3月24 日；发布日期：2016年3月28 日 摘 要 电气化铁路具有高速化、重载化、能源利用率高、经济效益好等优点。但电气化铁路牵引负荷属于大功 率非线性单相负荷，接入电网后会对给其供电的电力系统带来谐波、三相不平衡等电能质量问题，不利 于公用电网安全、经济运行。本文首先介绍了电气化铁路接入电网电能质量特性，主要对电气化铁路牵 引负荷引起的两大主要电能质量问题谐波和负序进行详细分析；然后对电气化铁路接入电网后产生的谐 波、负序对电力系统各环节的影响进行了总结；最后对目前常用的改善公用电网电能质量措施进行分类， 为电气化铁路接入电网电能质量评估、治理提供参考依据。 关键词 电气化铁路，电能质量，谐波，三相不平衡，评估，治理 1. 引言 近年来，我国电气化铁路发展迅速。电气化铁路牵引负荷主要是交直型和交直交型电力机车，交直 型电力机车以韶山(SS)型机车为代表，交直交型机车主要有HXD 系列和CRH 系列。电力机车一方面从 公用电网获得电能，另一方面，作为大功率非线性单相负荷，电力机车将会产生谐波和负序电流注入公 用电网，危害电网安全经济运行。电气化铁路发展至今，其给电力系统带来的谐波和三相不平衡等电能 质量问题等一直备受关注，这些电能质量问题会给电力系统各个环节带来危害[1]-[3]。 本文首先描述了电气化铁路接入电网带来的电能质量问题，重点介绍了单相非线性牵引负荷接入三 相系统后引起的谐波、负序问题。其次，对谐波、负序给电力系统带来的危害进行了总结。最后对改善 公用电网电能质量问题的措施进行分类，主要分为两大类：一类是对牵引供电系统做出的改进；一类是 补偿装置的应用。改善公用电网电能质量需要电力部门与铁路部门的协同合作，正确认识电气化铁路牵 引负荷接入电网带来的电能质量问题并采取针对性的治理措施，实现电力部门和铁路部门的双赢。 2. 电铁负荷接入电网电能质量特性 2.1. 谐波特性 电力机车为波动性很大的大功率单相整流负荷，具有不对称、非线性、波动性等特点，产生的谐波 具有以下特点[4]： 1) 谐波幅值随机波动。谐波电流随基波电流剧烈波动，谐波电流峰值持续时间较短，且波动范围很 大。 2) 谐波相位广泛分布。电气化铁路牵引负荷相位分布广泛，各次谐波向量可在复平面四个象限间随 机分布。 3) 谐波次数奇次为主。电气化铁路稳态运行时牵引负荷只产生奇次谐波，其中以3 次谐波含量最大。 4) 谐波电流影响范围广。电气化铁路牵引负荷产生的任意次谐波都通过110 kV/220 kV 电压等级注 入并进一步影响其他电压等级，并且不受变压器接线方式的影响。 2.1.1. 交直型电力机车谐波特性 我国交直型电力机车主要有韶山型(SS 型)机车，很长一段时间内被广泛应用于客运、货运。SS 系列 2 王金浩 等 机车主要有SS3、SS4、SS6、SS8、SS9 等车型，目前，很多车型仍旧被使用。交直型电力机车采用直流 传动方式，机车工作原理图如图 1，由于采用大量电力电子设备，将会产生谐波电流注入电网，影响电 网电能质量。文献[5]通过对SS 系列机车谐波含有率进行分析，总结出了SS 型各典型车型的谐波含量值 如表 1 所示，通过表 1 可以看出不同型号交直型电力机车谐波特性大体相同，谐波含量较高，且主要以 3、5、7 次等奇次谐波为主。 2.1.2. 交直交型电力机车谐波特性 我国交直交型电力机车目前投入使用的主要有CRH 系列和HXD 系列。交直型电力机车工作原理图 如图2 ，谐波电流主要由整流装置产生，不同型号交直交型电力机车整流装置不同。其中，CRH2 型机车 采用三电平四象限 PWM 整流装置，CRH1、CRH3、CRH5 型机车采用并联二重化的两电平整流装置， 而 HXD 系列机车使用的整流装置为单相两电平四象限整流装置[6]。交直交型机车的谐波特性因整流装