孫建明

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

高速鐵路車站電力諧波分析及抑制

孫建明

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

介紹諧波的產(chǎn)生機(jī)理及主要分析方法,針對(duì)高速鐵路車站存在的諧波污染問(wèn)題,建立車站電力負(fù)荷諧波模型進(jìn)行仿真分析,結(jié)合實(shí)際測(cè)量,得出鐵路車站的諧波含量及特征。對(duì)鐵路車站諧波進(jìn)行超標(biāo)率分析表明,按需濾除特征次數(shù)諧波設(shè)計(jì)的無(wú)源濾波器一般能夠滿足國(guó)標(biāo)要求。含無(wú)源濾波功能的并聯(lián)電容器組投切試驗(yàn)表明,合適的分組投切方式下,電容器組能夠起到較好的諧波抑制效果。

鐵路車站；諧波源；特征諧波；諧波實(shí)測(cè)；無(wú)源濾波

1 諧波的產(chǎn)生機(jī)理及分析方法

在供用電系統(tǒng)中，通常總是希望交流電壓和交流電流呈正弦波形。正弦電壓可表示為

(1)

式中U——電壓有效值；

α——初相角；

ω——角頻率，ω=2πf=2π/T，f，T分別為頻率和周期。

諧波的分析方法中，基于傅里葉變換的分析方法是當(dāng)今應(yīng)用最多的一種分析方法，它由離散傅里葉變換過(guò)渡到快速傅里葉變換的基本原理構(gòu)成，該方法原理清晰，理論成熟，使用方便，精度較高，應(yīng)用最為廣泛。由日本學(xué)者在20世紀(jì)80年代提出的瞬時(shí)無(wú)功功率理論以及在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的諧波分析方法p-q法和ip-iq法，能準(zhǔn)確地對(duì)對(duì)稱三相三線制電路的諧波值進(jìn)行分析。以上兩種方法是目前諧波分析采用最多的方法。另外，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分析方法和基于小波變換的分析方法，能夠提高諧波測(cè)量的實(shí)時(shí)性和精度，也取得了良好的進(jìn)展和應(yīng)用[2-3]。

2 鐵路車站的諧波污染

隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，車站電力負(fù)荷產(chǎn)生的諧波問(wèn)題變得日益突出。鐵路車站內(nèi)含有大量電力電子整流和變頻裝置、含電弧和鐵磁非線性的設(shè)備等，在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生諧波。諧波不僅污染電網(wǎng)，增大網(wǎng)損，降低電網(wǎng)的功率因數(shù)，使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，還會(huì)使電氣設(shè)備過(guò)熱、產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀，此外，還可引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設(shè)備燒毀[4]。

諧波還會(huì)引起繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，干擾通信信號(hào)和保護(hù)控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行。另外，車站內(nèi)的客運(yùn)信息系統(tǒng)，包括票務(wù)系統(tǒng)以及大量信息顯示屏，基本采用的是電子整流裝置，既是車站內(nèi)的諧波源，在一定程度上也易受到諧波的干擾而工作異常。

3 鐵路車站諧波源

鐵路車站綜合變電所的電力負(fù)荷主要包括空調(diào)、電扶梯、風(fēng)機(jī)、水泵、照明負(fù)荷、客運(yùn)信息系統(tǒng)等。

空調(diào)、電扶梯、風(fēng)機(jī)、水泵絕大多數(shù)為三相異步電動(dòng)機(jī)，少數(shù)為單相異步電動(dòng)機(jī)，三相異步電動(dòng)機(jī)中，大部分采用三相交-直-交變頻，對(duì)于系統(tǒng)側(cè)而言可等效為三相橋式整流負(fù)荷[5]，這類負(fù)荷產(chǎn)生的諧波頻次主要為6k±1(k為正整數(shù))，即5、7、11、13…次諧波，另一部分未采用整流橋，為純異步電動(dòng)機(jī)，可等效于阻感類負(fù)荷，諧波含量相對(duì)較小。

照明負(fù)荷主要有熒光燈和高壓氣體放電燈兩大類。熒光燈主要用于室內(nèi)辦公照明，無(wú)論是傳統(tǒng)的電感鎮(zhèn)流式熒光燈還是目前常用的電子鎮(zhèn)流式熒光燈，電流波形都具有正負(fù)半波對(duì)稱的特點(diǎn)，不存在直流分量和偶次諧波分量，特征諧波次數(shù)均為3、5、7、9、11…。高壓氣體放電燈主要用于廣場(chǎng)和高大站房照明，和熒光燈的工作原理和諧波特征基本相同，其利用具有一定壓力的汞、鈉等金屬或金屬鹵化物的蒸汽進(jìn)行放電，放電強(qiáng)度更大，電弧特性更為突出，其電流畸變一般更為嚴(yán)重[6-7]。

客運(yùn)信息系統(tǒng)包括信息顯示屏、售票、檢票、廣播和視頻監(jiān)控等子系統(tǒng)，其中包含LED顯示器、液晶顯示器以及計(jì)算機(jī)等各種電子整流設(shè)備，客運(yùn)信息系統(tǒng)的負(fù)荷絕大多數(shù)為1級(jí)負(fù)荷，通常配有UPS不間斷電源，以保證系統(tǒng)在突然斷電情況下能夠持續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間。UPS電源實(shí)際上為交-直-交變頻電路，相對(duì)于系統(tǒng)側(cè)相當(dāng)于整流負(fù)荷[8]，單相UPS電源特征諧波為3、5、7、9、11…，三相UPS電源特征諧波為5、7、11、13…，各次諧波的含量還與這些設(shè)備的運(yùn)行情況有關(guān)。

4 車站電力諧波模擬仿真

對(duì)江蘇SZ站、福建YT站、浙江TL站(地面?zhèn)仁秸?以及YQ站(地下站)綜合負(fù)荷分類的調(diào)研統(tǒng)計(jì)情況如表1所示。

表1 鐵路典型車站負(fù)荷統(tǒng)計(jì) kW

以上負(fù)荷按照諧波特征不同可分為3類：客運(yùn)信息系統(tǒng)和室內(nèi)照明諧波特征基本相同，均視為單相橋式整流負(fù)荷；水泵、電扶梯、通風(fēng)和空調(diào)基本為異步電動(dòng)機(jī)，其中大部分采用三相變頻，按照三相橋式整流負(fù)荷處理，另一部分為無(wú)調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)，可視為阻感類負(fù)荷，二者所占比例取為80%和20%。

根據(jù)負(fù)荷分類建立基于Matlab/Simulink的諧波仿真模型，如圖1所示。

圖1 車站負(fù)荷諧波仿真模型

假設(shè)電源為三相對(duì)稱電源，負(fù)荷在三相間平均分配，對(duì)其中一相如A相進(jìn)行諧波分析。根據(jù)各站負(fù)荷大小分別設(shè)定仿真參數(shù)，運(yùn)行結(jié)果如下。

各站負(fù)荷仿真電流波形如圖2所示。

傅里葉分析可得各電流對(duì)應(yīng)的頻譜圖如圖3所示。

圖3 各站負(fù)荷電流頻譜

由圖2可以看到，TL站和YQ站負(fù)荷電流波形比SZ站和YT站更接近六脈動(dòng)，頻譜分析表明TL站和YQ站負(fù)荷電流以5次和7次諧波為主，其次為3次諧波，而SZ站和YT站負(fù)荷電流中3次諧波占有較大的比例，YT站3次諧波含量甚至超過(guò)了5次和7次，這主要是各站各類負(fù)荷所占比例不同導(dǎo)致的，如圖4所示。

圖4 各站各類負(fù)荷占比

由于阻感類負(fù)荷諧波含量幾乎為零，故車站負(fù)荷諧波特征主要由單相橋式整流負(fù)荷和三相橋式整流負(fù)荷及二者所占比例決定。SZ站和YT站中三相橋式整流負(fù)荷分別為55%和50%，單相橋式整流負(fù)荷占到40%和38%，故3次諧波占有較大的比例；而TL站和YQ站三相橋式整流負(fù)荷分別為63%和84%，遠(yuǎn)大于單相橋式整流負(fù)荷所占的比例12%和13%，故5次和7次諧波含量遠(yuǎn)大于3次諧波。

以上是假定所有負(fù)荷全部投入運(yùn)行仿真的結(jié)果，實(shí)際車站內(nèi)的負(fù)荷一般不會(huì)全部投入運(yùn)行，如白天和晚上照明負(fù)荷大小會(huì)有較大的差異，夏季和冬季空調(diào)負(fù)荷往往比春季和秋季時(shí)要大，另外，同一負(fù)荷在不同工況下運(yùn)行時(shí)諧波含量也會(huì)不同，因此，仿真結(jié)果和實(shí)際情況可能存在一定的差別，實(shí)際諧波特征仍以測(cè)量為準(zhǔn)。

5 車站電力負(fù)荷諧波實(shí)測(cè)

對(duì)SZ站電力綜合變電所低壓側(cè)進(jìn)行諧波測(cè)量，總負(fù)荷三相電流波形如圖5所示。

圖5 實(shí)測(cè)三相電流波形

其中單相電壓和電流波形如圖6所示。

圖6 單相電壓電流波形

由圖6可以直觀地看到，總負(fù)荷電流波形呈現(xiàn)六脈動(dòng)，傅里葉分析得到各次諧波含量如圖7所示。

圖7 綜合負(fù)荷電流頻譜圖

圖7表明，該車站負(fù)荷電流特征諧波為5次和7次，二者含量遠(yuǎn)大于3次諧波含量，與SZ站仿真結(jié)果存在一定的差異，這是因?yàn)檐囌緦?shí)際運(yùn)行負(fù)荷與統(tǒng)計(jì)結(jié)果存在差別，實(shí)測(cè)各負(fù)荷電流諧波含量及各類負(fù)荷占比如表2所示。

由表2可以看出，實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷中，三相橋式整流負(fù)荷占56.6%，略大于統(tǒng)計(jì)結(jié)果55%，單相橋式整流負(fù)荷占30%，比統(tǒng)計(jì)結(jié)果40%要小，因此實(shí)測(cè)3次諧波含量比仿真結(jié)果要小，5次和7次諧波成為該站負(fù)荷電流的特征諧波。仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果的差異從另一個(gè)角度驗(yàn)證了該仿真模型對(duì)于定性分析車站負(fù)荷諧波特征的可行性。

表2 各類負(fù)荷諧波電流實(shí)測(cè)

6 諧波超標(biāo)率分析

國(guó)家諧波標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量——公用電網(wǎng)諧波》 (GB/T14549—93)對(duì)公用電網(wǎng)諧波電壓和公共連接點(diǎn)所有用戶向該點(diǎn)注入的諧波電流的允許值進(jìn)行了規(guī)定[9]。車站諧波測(cè)量點(diǎn)均選在標(biāo)稱電壓為380V的低壓側(cè)，該電壓等級(jí)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)如表3、表4所示。

表3 公用電網(wǎng)諧波電壓限制值

表4 注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值 A

當(dāng)公共連接點(diǎn)處的最小短路容量不同于基準(zhǔn)短路容量時(shí)，可按式(2)修正表4中的諧波電流允許值。

(2)

式中Sk1——公共連接點(diǎn)的最小短路容量，MVA；

Sk2——基準(zhǔn)短路容量，MVA；

Inp——表2中的第n次諧波電流允許值，A；

In——短路容量為Sk1時(shí)的第n次諧波電流允許值，A。

按照式(2)計(jì)算得到的修正的諧波電流允許值見表5。

表5 修正的諧波電流允許值 A

對(duì)SZ站綜合負(fù)荷主要諧波進(jìn)行超標(biāo)率分析，結(jié)果如表6所示。

表6 諧波超標(biāo)率分析

由表6可以看出，該站各次諧波電流、諧波電壓以及電壓總畸變率均在國(guó)標(biāo)允許的范圍內(nèi)。該車站采用電容器串聯(lián)電抗器組成的LC濾波器進(jìn)行無(wú)源濾波，諧波超標(biāo)率分析結(jié)果表明無(wú)源濾波器對(duì)于抑制諧波能夠滿足規(guī)程要求。

7 電容器組投切對(duì)諧波的影響

鐵路車站綜合變電所內(nèi)的并聯(lián)電容器組主要承擔(dān)補(bǔ)償無(wú)功功率、改善功率因數(shù)、維持母線電壓的任務(wù)，由于電容器通常串接有一定的電抗器，因此，在某種程度上也是LC無(wú)源濾波器，對(duì)抑制諧波電流有一定的效果，特定電抗率下的電容器對(duì)特定的某次諧波可以起到較好的抑制效果[10]。由前面的分析可知，鐵路車站變電所特征諧波為5次和7次，因此，并聯(lián)電容器組一般設(shè)計(jì)為5次和7次單調(diào)諧濾波器。

某車站綜合變電所的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備——并聯(lián)電容器組的總?cè)萘繛?50 kVar，分為1、2、3、4、5、6組，其中第1、2組容量為25 kVar，第3、4、5、6組容量為50 kVar。

0.4 kV進(jìn)線電流在補(bǔ)償電容器組不同方式投運(yùn)時(shí)，向電網(wǎng)注入的主要諧波電流的測(cè)量值如表7所示，表8是母線主要諧波電壓的測(cè)量結(jié)果。

表7 進(jìn)線諧波電流含有率實(shí)測(cè)

表8 母線諧波電壓含有率實(shí)測(cè)

表7的測(cè)量數(shù)據(jù)表明，電容器組投運(yùn)對(duì)7次諧波電流抑制效果最為明顯，電容器組未投入運(yùn)行時(shí)，7次諧波電流含有率為3.1%，當(dāng)投入無(wú)功功率為150kVar時(shí)，7次諧波電流降為0.7%，而11次諧波電流僅從5.3%降為4.3%，電容器組對(duì)9次和13次諧波抑制效果不是很明顯。

理論分析表明：n次單調(diào)諧濾波器對(duì)于n次諧波呈純阻性，對(duì)該次諧波電流能夠起到較好的抑制作用；對(duì)n次以上諧波呈感性，只能起到一定的抑制效果；對(duì)于n次以下諧波呈現(xiàn)容性，會(huì)起到放大的效果。電容器串聯(lián)電抗器后，等效于5次和7次單調(diào)諧濾波器，對(duì)于3次諧波呈現(xiàn)容性，因此會(huì)起到放大作用，實(shí)測(cè)結(jié)果與之比較吻合，隨著電容器組的投運(yùn)，3次諧波電流從最初的4.9%單調(diào)地增加到6.6%。

隨著電容器組投運(yùn)功率的增大，5次諧波電流呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，這是因?yàn)樽冸娝瑫r(shí)安裝5次和7次單調(diào)諧濾波器，7次單調(diào)諧濾波器投運(yùn)對(duì)5次諧波會(huì)起到放大的作用。實(shí)際工程中，應(yīng)優(yōu)先將5次單調(diào)諧濾波器投入運(yùn)行，后將7次單調(diào)諧濾波器投入運(yùn)行，從而盡量減小濾波器投運(yùn)過(guò)程中產(chǎn)生的諧波放大效應(yīng)[11]。

表8的測(cè)量數(shù)據(jù)表明，伴隨著電容器組投運(yùn)無(wú)功功率的增加，電壓總畸變率呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，說(shuō)明電容器組對(duì)抑制母線電壓畸變有積極的作用，母線電壓不斷升高。同時(shí)可以看到，母線基波電壓隨著電容器組投運(yùn)不斷升高，這也是電壓畸變率減小的原因之一。

8 結(jié)語(yǔ)

(1)針對(duì)高速鐵路車站存在的諧波污染問(wèn)題，建立了車站諧波模型并進(jìn)行模擬仿真，結(jié)合實(shí)際測(cè)量可知，鐵路車站電力負(fù)荷的諧波特征主要由單相橋式整流負(fù)荷和三相橋式整流負(fù)荷及二者所占比例決定，若單相橋式整流負(fù)荷占比較大，則3次諧波有可能成為特征諧波，實(shí)際車站運(yùn)行負(fù)荷中三相橋式整流負(fù)荷所占比例通常大大超過(guò)單相橋式整流負(fù)荷，特征諧波為5次和7次。

(2)含無(wú)源濾波功能的并聯(lián)電容器組投切試驗(yàn)表明，按需濾除特征諧波設(shè)計(jì)的電容器組根據(jù)負(fù)荷無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊筮M(jìn)行投切，能同時(shí)對(duì)諧波電壓和諧波電流起到較好的抑制效果。

(3)按照國(guó)家諧波標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車站實(shí)測(cè)諧波電流、諧波電壓進(jìn)行超標(biāo)率分析，結(jié)果表明，LC無(wú)源濾波器對(duì)于抑制諧波基本能夠滿足國(guó)標(biāo)要求，因此，高速鐵路車站變電所宜優(yōu)先采用無(wú)源濾波設(shè)備。

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Analysis and Suppression of Power Harmonic in High-speed Rail Station

SUN Jian-ming

(China Railway Siyuan Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Wuhan 430063, China)

This paper describes the mechanism and main harmonic analysis methods for harmonic interference in high-speed railway station, and the establishment of the station power load harmonic model for simulation analysis. Combined with actual measurements, harmonic content and characteristics of railway stations are obtained. The analysis of excessive rate of harmonic in railway stations shows that the passive filters designed to filter out the harmonic are generally able to meet the national standard. The tests of shunt capacitor bank with passive filter switching function show that under right packet switching, capacitor banks play a better harmonic suppression effect.

Railway station; Harmonic source; Harmonic characteristics; Harmonic measurement; Passive filter

2015-01-25；

2015-06-15

中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(J2014C010)

孫建明(1963—)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，E-mail：sjmtsy@126.com。

1004-2954(2015)12-0115-05

U238； U223.6+3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.12.027