方 策 吳命利

（北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京 100044）

京滬高鐵周立營(yíng)牽引變電所電能質(zhì)量治理測(cè)試分析

方 策 吳命利

（北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京 100044）

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(xiě)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。

電氣化鐵路；電能質(zhì)量；諧波治理

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(chē)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(chēng)，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(mén)的重視。

鐵道部門(mén)和電力部門(mén)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(kāi)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(chē)型的高速鐵路動(dòng)車(chē)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(kāi)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。

1 測(cè)試說(shuō)明

1.1 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。

1.2 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(kāi)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。

2 電能質(zhì)量相關(guān)指標(biāo)

反映電能質(zhì)量?jī)?yōu)劣的指標(biāo)有很多，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，其分別是由牽引負(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。

2.1 諧波計(jì)算

在某些具體的應(yīng)用場(chǎng)合，DFT與其快速算法FFT相比可能更有優(yōu)勢(shì)[8]。如強(qiáng)行使用FFT計(jì)算特定時(shí)間段的諧波，可采用充零布滿2的N次冪的方法，然后再進(jìn)行快速傅里葉計(jì)算，但計(jì)算結(jié)果會(huì)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(jìn)一步：

對(duì)于電壓諧波測(cè)量，IEC 61000-4-7中有詳細(xì)說(shuō)明，計(jì)算特定時(shí)間窗無(wú)間隙諧波子組的測(cè)量數(shù)據(jù)。此標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定時(shí)間窗的寬度為10個(gè)（對(duì)50Hz系統(tǒng)）基波周期，即為200ms。

為了把電壓波動(dòng)的影響考慮在內(nèi)，計(jì)算某次諧波時(shí)，需要把DFT輸出的該次諧波分量與其直接相鄰的兩側(cè)頻域分量進(jìn)行能量合成，即計(jì)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(fù)序電壓有效值與正序電壓有效值的比值：

3 周立營(yíng)變電所電能質(zhì)量

3.1 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

3.2 全天測(cè)試數(shù)據(jù)分析

1）高壓側(cè)電能質(zhì)量

我們相信，順應(yīng)人民群眾新期待，推進(jìn)民生水利新發(fā)展的激越旋律，將伴隨著代表們的返程足音，在全國(guó)各地強(qiáng)勁奏響。

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)，見(jiàn)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(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)果見(jiàn)表3。

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。

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)果見(jiàn)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(shí)投入時(shí)，T線、F線電壓總諧波畸變率有所下降。

3.3 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和表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?xún)?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，見(jiàn)表6。

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。

圖2 周立營(yíng)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(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，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(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。

4 結(jié)論

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(chē)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(mén)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。

[1] 周勝軍, 于坤山, 馮滿盈, 等. 電氣化鐵路供電電能質(zhì)量測(cè)試主要結(jié)果分析[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2009, 33(13)：54-63.

[2] 王暉, 吳命利. 電氣化鐵路低頻振蕩研究綜述[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(17)： 70-78.

[3] 羅世界, 王維博, 劉勇, 等. 高速牽引供電系統(tǒng)建模及其運(yùn)行參數(shù)對(duì)電網(wǎng)諧波的影響[J]. 電氣技術(shù),2017, 18(2)： 31-35.

[4] 馬放瀟, 陳莉. 牽引供電系統(tǒng)諧波諧振特性分析[J].電氣技術(shù), 2012, 13(9)： 38-43.

[5] 游廣增, 馬斌, 朱毅. 牽引變壓器接線方式對(duì)諧波和負(fù)序的影響研究[J]. 電氣技術(shù), 2014, 15(3)： 14-18,40.

[6] 羅培, 陳躍輝, 羅隆福, 等. 鐵路電能質(zhì)量控制系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2016, 31(8)：181-188, 228.

[7] 牟樹(shù)貞, 齊曉波, 劉芹. 三相電壓不平衡度的不同計(jì)算方法對(duì)比[J]. 陜西電力, 2010, 38(12)： 55-58.

[8] 劉靖, 余楚中. 基于 DFT的微機(jī)保護(hù)簡(jiǎn)易算法[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2007, 21(4)： 99-102.

[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(wǎng)諧波預(yù)評(píng)估有關(guān)問(wèn)題分析及諧波國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)修訂建議[J].鐵道學(xué)報(bào), 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(tái)人，主要從事電能質(zhì)量的研究工作。