考虑谐波影响的电气化铁路供电系统损耗分析

张超

【摘  要】牵引供电系统中谐波分量不仅影响电能质量，也增加了输电网的损耗。由于长期以来在电网线损计算时没有考虑谐波影响的因素，因此，对电网经济运行的影响没有量化计算的依据，在常用的牵引变压器负序电流及不平衡度的基础上，选择负序静态抑制效果较好的阻抗匹配平衡变压器，根据其电气特性，提出一种基于该牵引变压器的负序和谐波补偿方案。

【关键词】电气化铁路;谐波;补偿

电气化铁路对铁路运输非常重要的作用。然而电气化铁路给人们带来便利的同时由于电气化铁路负载非线性和波动性的特点造成了向其供电的公用电网的电流和电压的三相不对称，主要是电流的不对称，同时还向公用电网注入大量的谐波。特别是随着电气化铁路的高速发展，由牵引负荷引起的谐波、负序等这类电能质量问题，已严重影响电力系统和电气化铁路牵引供电系统的安全、稳定运行。因此，必须采取合理有效的办法去改善电气化铁路的电能质量，确保这两个系统的安全性与稳定性。

一、电气化铁路负序和谐波的危害

电气化铁路给铁路运输带来巨大效益的同时，由于电气化铁路牵引负荷的非线性、不对称和波动性的特点，使得电力机车在运行中对电网注入了大量的谐波电流和负序电流，对牵引供电系统和电气设备造成了不利的影响，其主要表现在：

1、对异步电机的影响。在异步电机中，负序电压产生负序电流和逆转的电磁转矩，较小的负序电压加到异步电机上都会引起较大的负序电流和负序逆转电磁转矩，这会直接影响异步电动机的效率和安全可靠运行。受谐波发热的影响，异步电动机的定子绕组的绝缘成为薄弱环节。电动机一般是直接接在用户母线上，因此电动机所承受的谐波情况可以按照母线上的谐波电压情况去考虑。实际运行如果 3、5、7 次谐波电压的大小达到额定电压的 10%-20%以上，电动机有可能在短时间内损坏。

2、对继电保护的影响。电力系统中利用负序当启动元件的继电保护装置容易受负序电流的影响而发生误动作的行为。例如，常规的距离保护受负序电流长时间作用时会转为闭锁状态，使得距离保护的快速动作段不工作;而解除闭锁后，如果负序电流还存在并且此时系统发生振荡，则继保装置可能误动作跳闸。由此可见负序电流的存在，会增加继电保护装置的复杂性、降低继电保护装置的可靠性。

3、对变压器的影响。由于负序电流导致三相电流不相等，变压器三相中肯定有一相电流最大，这样各绕组不可能都工作在额定状态，减小了变压器的容量利用率，并且负序电流还会增加变压器绕组的铜耗和其他损耗。在正常情况下变压器励磁电流中的谐波成分并不会增加铁损和发热，但在谐振条件下会对变压器造成损害。比如中性点接地的全星形接线变压器，当电网中的分布电容很大时，就有可能造成三次谐波在变压器中的谐振。除此之外，谐波还导致噪声增大。

二、电气化铁路负序和谐波补偿方案

电气化铁路牵引负载是一个单相负载，且负载的功率大小并不是恒定的，而是時刻变化，它通过牵引变压器向公用电网吸取电能。由于电气化铁路牵引负载的特性导致电气化铁路向公用电网反送负序无功和谐波电流。阻抗匹配平衡变压器可以将二次侧的平衡电流变换到一次侧的对称电流，但是当二次侧的电流不平衡时，阻抗匹配平衡变压器不能完全消除负序，只能在某种程度上减小不平衡度。，提出一种应用于阻抗平衡变压器牵引供电系统的既能解决电气化铁路单相牵引负荷负序问题，同时也能抑制电气化铁路谐波和无功的补偿方法。目前，已有许多种谐波与无功电流的检测方法。

1、滤波技术。滤波技术可以分为两种：模拟滤波和数字滤波。模拟滤波技术是采用模拟滤波电路对模拟信号进行滤波处理。它的优点是实现电路简单、造价低、输出阻抗低、品质因数易于控制。但有许多不足：实现电路的滤波中心频率对元件参数十分敏感，受外界影响较大;当需要检测多次谐波分量时，实现电路变得复杂;当系统频率波动时，滤波效果会大大降低;运行损耗大。该方法现在已很少被选用。数字滤波技术是在模拟滤波技术基础上发展起来的，数字滤波器的设计方法和频谱特性与模拟滤波器在本质上是一样的，但是由于它处理的是数字信号，系统的稳定性大大提高，外界干扰对其影响也大大降低。不管是模拟滤波器，还是数字滤波器，它们都不能同时分离出无功电流和谐波电流，也不能直接检测到电流中的无功分量。

2、基于 Fryze 功率定义的检测法。基于 Fryze 功率定义的检测方法的原理是将负荷电流分解成两个正交分量：一个是与电网电压波形完全同相位的有功电流分量;另一个是广义无功电流分量。它的优点是检测电路简单。但是由于此方法是建立在平均功率理论基础之上的，使得计算广义无功电流瞬时值时需要一个周期的积分，再加上其他运算电路的延时，求得的瞬时无功电流实际上是几个周期之前的电流。因此，该方法的应用有一定的局限性，只适用于无功、谐波、不对称综合补偿。

3、基于小波变换的检测法。小波变换是针对傅里叶变换在分析非平稳信号方面的局限性形成和发展起来的一种十分有效的时频分析工具。小波变换通过在信号的不同部位采用不同尺度的分析方法得到最佳的时域分辨率和频率分辨率，有“数学显微镜”的美称。它是时间和频率的局域变换，通过伸缩和平移等运算功能对信号进行多尺度细化分析，能有效的从信号中提取有用的信息，它克服了傅里叶变换在频率完全局部化而在时域完全无局部性的缺点，非常适用于变化迅速的谐波和波动的谐波的检测。但是如果是检测静态的谐波时小波变换并没有明显的理论优势，此外小波变换的理论和研究时间起步较晚，在谐波检测方面还只是刚刚开始，有很多不足之处，如缺乏构造频域行为良好，及分频严格，能量集中的小波函数以改善检测精度的规范方法，缺乏系统规范的最小波基的选取方法。

三、电气化铁路SVC无功补偿原理负序和谐波补偿方案的控制策略

静止补偿器最重要的性质是它能维持结点电压不发生变化，为此，它要能够连续地调节向负荷提供的无功功率，维持系统的无功平衡，即满足方程：QS=QF+QL-QC=常数=0（式中QS为系统无功功率，QF为负荷无功功率，QL为电抗器无功功率，QC为电容器组无功功率。）

如图所示，A为系统工作点。负荷工作时吸收QF，补偿装置由电容器组提供固定的QC;当负荷工作状态改变，导致吸收的QF变化时，通过调节晶闸管控制电抗器吸收的QL来抵消负荷无功的变化，从而维持系统动态无功平衡。

2  SVC装置的组成和工作原理

该图为参图表，具体情况以现场实际情况为准。

TCR的基本结构是两个反并联的晶闸管和电抗器串联，TCR的控制元件是两个反并联晶闸管，它们在电源电压的不同半周轮流导通。当晶闸管的控制角a在90°到180°之间时，TCR部分导通（控制角为90°时完全导通）;增大控制角，其效果就是减少了电流中的基波分量，这相当于增大电抗器的感抗，减小其无功功率，就电流的基波分量而言，晶闸管控制电抗器是一个可控电纳。

TCR控制系统完成如下功能：通过检测系统电压、电网电流和TCR的电流，计算出可控硅的触发角，控制电抗器电纳值，达到无功补偿的目的。

SVC系统对采集的电铁信号，系统电压Ua，Ub，系统电网电流Ia，Ib，TCR电流Itcr，进行变换，得到系统信号的基波分量。综合负载电流IA = Ia –Itcr。通过运算得到综合负载的无功电流IAL，IBL。通过公式Q补= Qa = IAL *Ua，如果是两相补偿则Q补 = Qa + IBL *Ub。通过Q补得到系统的等效电纳，从而得到触发角，完成对可控硅的控制。

TCR的分相调节可应用在电气化铁路供电站中，它可以对单相的无功进行补偿。应用控制系统能做到补偿后各项指标均达到国家标准，并满足用户要求。

控制系统是负序和谐波综合补偿的一个关键环节，它的作用是由负序与谐波电流的实际补偿信号与指令信号的关系以及主电路直流侧电容电压参考值与实时值之间的关系，获得控制主电路中触发电力电子器件的 PWM 信号。

1、直流侧电容电压控制。为了使综合补偿装置的主电路正常运行，对直流侧电容电压的要求是使其维持在一定的数值，以保证主电路在任一时刻都能根据指令电流的变化产生相应的补偿电流。如果不对其采取适当的控制方式，由于系统损耗和补偿电流变化的原因，电容的端电压会衰减或产生较大的波动，直接影响系统的稳定。对直流侧电容电压的控制主要有两种方法：一种是通过辅助电路的附加电源单独给电容充电，实现电容电压的稳定;另一种是通过对变流器进行适当控制来达到对直流侧电容电压大小的控制，就可以维持直流侧电压大小不变。

2、基于位置关系的控制方式。为了使综合补偿装置得到理想的补偿效果，有必要对其进行适当的控制。根据补偿点与检测点之间的位置关系，负载电流反馈控制方式，这种结构的特点是补偿点在检测点之前，其指令电流运算电路的输入信号来自负载电流，补偿的目的是使电源电流中只包含负载电流的基波有功功率电流分量，这是最基本的一种控制方式。在这种方式中，补偿电流能很好的跟随指令电流的变化。但是，变流器电力电子器件的高频通断会产生其与工作频率差不多的高次谐波，这会导致补偿后的电流中含有较高频率的谐波成分。为了滤除这些频率较高的谐波，可以在综合补偿装置系统中添加高通滤波器，从而使电源电流中包含这些谐波，使得补偿特性变差，负载电流反馈控制方式如图。

电力系统中谐波分量对输电线路的损耗影响较大，在有电气化机车通过的时段，谐波造成输电线路损耗增加了近一倍，而对于变电站的影响相对较小。在没有电气化机车通过的时段，电力系统中谐波分量很小，输电系统损耗也较小。而在有电气化机车通过的时段，供电系统的電能质量变化明显，谐波含量增加显著，并造成了输电系统损耗的显著增加。根据电气特性，提出一种基于该牵引变压器的负序和谐波补偿方案。

参考文献：

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[2] 吴国沛，刘育权，任震.电力系统谐波对继电保护的影响[J].电力自动化设备，2016，（22）：

[3] 吕润馀.电气铁道牵引变压器的不对称谐波和波动损耗分析[J].电网技术，2016.

（作者单位：神华包神铁路公司）