（电力电子与电力传动专业论文）浙赣电铁中的谐波及其抑制策略的分析研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t o v e rt h el a s ty e a r s ，t h ea g eo f n o n - l i n e a rp o w e re l e c t r o n i cl o a d s ，h a v ei n c r e a s e d t h ea m o u n to fh a r m o n i c si np o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m s t h ee l e c t r i cr a i l w a yl o a di s t y p i c a ln o n l i n e a rh a r m o n i cs o u r c e s ，t h eo p e n i n go fz h e - g a ne l e c t r i cr a i l w a yh a v ea c e r t a i ni m p a c to nj i a n g x ip o w e rs y s t e m t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt oa n a l y z eo n h a r m o n i c so f z h e n - g a ne l e c t r i cr a i l w a y , a n dm a k er e l e v a n ts u p p r e s s i o ns t r a t e g y f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i cc o n c e p to fh a r m o n i ca n dt h ew o r k i n g p r i n c i p l eo fm a i nc i r c u i tf o re l e c t r i cl o c o m o t i v et y p e ds s 4 a c c o r d i n gt ot h e l o c o m o t i v e sn m n i n gp a t t e r n sa n dt h ec h a n g e o v e rp r o c e d u r eo fr e c t i f i e rc i r c u i t ，t h e h a r m o n i ca n a l y s i so f l o c o m o t i v ei sg o tb ys i m u l a t i o n s e c o n d l y , z h e g a ne l e c t r i f i e dr a i l w a yt r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mi sa n a l y z e d ， a n dt h eh a r m o n i cm o n i t o r i n go f t r a c t i o ns u b s t a t i o ni sc o n d u c t e d t h e nt h eh a r m o n i c f i l t e r i n gr a t ea n dt h eb e s to p t i o no fh a r m o n i cs u p p r e s s i o no fe l e c t r i f i e dr a i l w a ya r e g o t t h i r d l y , t h i s t h e s i so u t l i n e sb a s i ct h e o r yo fa p f , a n a l y z e st 1 1 i r dc u r r e n t s d e t e c t i n gm e t h o d su s e di ns i n g l e - p h a s ea p f , a n dd i s c u s s e st h em e t h o d sb a s e do n i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r y , a c t i v ec u r r e n ts e p a r a t em e t h o da n du n i t p o w e rf a c t o ri nd e t a i l i nc o m p a r i s o nt ot h i r dm e t h o d sw i t hm a t l a bs i m u l a t i o n , t h et h i r dm e t h o di ss e l e c t e d t h i sp a p e rp r e s e n t sat o p o l o g yo fs i n g l e - p h a s es h u n t h y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r f ) a n di t sp r i n c i p l e t h e n , t h eh a r m o n i cv o l t a g ea n d f u n d a m e n t a lv o l t a g ec o n t r o ls t r a t e g yo fh a p fa r ea n a l y z e d t h ev o l t a g eo fa c t i v e p o w e rf i l t e r c a nb ec o n t r o l l e db ys y s t e mh a r m o n i cc u r r e n t , l o a dh a r m o n i c c u r r e n t , h a r m o n i cc u r r e n to fs p u rt r a c k , l o a dh a r m o n i cv o l t a g e , o rc o m b i n a t i o no f t h e m f u r t h e rm o r e ，ac o m p a r i s o nr e s e a r c ho nd i f f e r e n tc o n t r o ls t r a t e g i e si sp u t f o r w a r d ，t h ec o n t r o ls t r a t e g yo fi d e a lf i l t e r i n gi sg o t , a n dt h es y s t e mc o n t r o ls t r a t e g y i sd e t e r m i n e da tl a s t l a s t l y p p fa n da p f o f h a p fa r ed e s i g n e d a n dt h ec a p a c i t yo f h a p fa n da p f i sc o m p a r e d p p f a p fa n dh a p fa r es i m u l a t e dw i t ht h es i m u l a t i o no fy u s h a n l i a b s t r a c t t r a c t i o ns u b s t a t i o n a n di ti sv a l i d a t e dt h a tt h ed e s i g n e dh a p fc a nc o m p e n s a t e h a r m o n i c sa n dr e a c t i v eo f z h e g a ne l e c t r i f i e dr a i l w a ye f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：z h e g a ne l e c t r i f i e dr a i l w a y ；h a r m o n i ca n a l y s i s ；h a p f ；h a r m o n i c v o l t a g ec o n t r o l ；m a t a l bs i m u l a t i o n i i i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：李勿垆签字日期：幻刁年，二月二。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌盔堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：芳龟垆导师签名：爻与复 签字日期：幻7 年j 猬2 。日签字日期：j 1 年i 又月b 日 第1 章绪论 1 1 课题的提出 第1 章绪论 电气化铁路与传统的蒸汽机车或柴油机车牵引列车运行的铁路不同，是从 外部电源和牵引供电系统获得电能，通过电力机车牵引列车运行的铁路。它包 括电力机车、机务设施、牵引供电系统、各种电力装置以及相应的铁路通信、 信号等设备。电气化铁路具有运输能力大、行驶速度快、消耗能源少、运营成 本低、工作条件好等优点，对运量大的干线铁路和具有陡坡、隧道的山区干线 铁路实现电气化，在技术上、经济上均有明显的优越性。铁路运输在实现了电 力牵引后，由于电力机车牵引定数比一般内燃机车和蒸汽机车提高约4 0 - 5 0 ， 时速在6 1 5 的坡度上可提高5 0 1 0 0 以上，加之电力机车整备时间、启动均 短于其他类型机车，因此将大幅度提高铁路运输能力。同时，电力牵引有利于 提高能源的利用率，可利用劣质煤，降低燃料消耗及防止环境污染，因而具有 较高的经济效益和良好的社会效益，所以铁路电气化是铁路运输现代化的主要 方 f i i ”。 鉴于电气化铁路的优越性，2 0 0 3 年1 2 月浙赣线铁路开始进行电气化改造， 2 0 0 6 年9 月完工并投入运营。浙赣铁路全部由电力机车牵引后，部分路段可由 每小时8 0 公里提速到每小时2 0 0 公里，南昌至长沙可由原来的6 小时缩短至3 个小时，南昌至杭州也只要3 个小时，至上海不超过8 个小时。 但是，由于电气化铁路的电力机车是移动性的单相整流带冲击的负荷，当 其接入电网运行时，在电力系统中将产生较大的谐波和负序分量，对电气设备 及电力系统的安全经济运行造成严重的威胁。对我国大量应用的交直型电力机 车而言，低功率因数是其固有特性之一，因而也是电气化铁路牵引供电系统的 特性之一，相应存在无功补偿的问题【2 】。尽管铁路设计部门在设计时考虑了电 铁谐波及负序分量对电网的影响，采取了一些减少谐波及负序分量影响的措施， 诸如在电气化铁道牵引站两供电臂上装设了无功补偿兼三次滤波器；各牵引站 采用相序轮换的接线方式；选用产生负序分量较小的牵引变压器( 如平衡变压器) 和力求调度电力机车使电力系统的三相牵引负荷平均等措施，但设计与实际运 第1 章绪论 行会有所出入，仍有谐波和负序分量注入电力系统。 因此，浙赣电气化铁路还是会对江西电网产生巨大影响，很有必要对电铁 进行谐波分析并提出相关的治理方案。电铁及其综合治理是个很复杂的问题， 受时间与条件的限制，本文仅从谐波的角度对电铁进行详细的分析并提出相关 抑制策略，本课题的研究对江西电网的安全稳定运行，具有十分重要的理论意 义和现实意义。 1 2 电铁谐波对电力系统的主要影响 1 2 i 对发电机的影响 谐波电流流过发电机，将引起附加损耗、产生振动和噪声，还可能出现谐 波过电压。高次谐波的集肤效应严重，在定子绕组上层( 或双层绕组的上层绕 组) 、一些零部件上形成的附加损耗、谐波涡流损耗较大，当谐波较大时，严重 发热。高次谐波产生旋转磁场，引起振动扭矩。谐波产生的旋转磁场，在转子 上将感生出谐波电流。同样，由于集肤效应，这些谐波电流主要在转子的表层 流动。因而，对于隐极机，转子上的套箍、槽楔及齿易受损害；对于凸极机， 则主要是阻尼绕组易受损害p j 。 1 2 2 对电力变压器的影响 谐波使网损增大，在发生系统谐振或谐波放大的情况下，谐波网损可达到 相当大的程度。谐波电流在各种电路阻抗上产生谐波电压降。在电缆输电的情 况下，谐波电压以正比于其幅值电压的形式增加了介质的电场强度。这一影响 缩短了电缆的使用寿命增加了事故次数和修理费用。另外，对于超高压长距离 输电线路，常采用单相自动重合闸来提高电力系统暂态稳定性。较大的高次谐 波电流能显著地延缓供电电流的熄灭，导致单相重合闸失败，或不能采用较短 的自动重合闸时间h 。 1 2 3 对电动机的影响 对于感应电动机，高次谐波电流造成定子与转子铜耗增加，同时还会产生 2 第i 章绪论 振动力矩嘲。负序性质谐波产生的附加转矩，以及齿谐波作用产生的附加转矩 给电机运行带采不利，甚至引起振动。 1 2 4 对电容器和串连电抗器的影响 高次谐波流入电容器，无论从电压、容量、电流都可能引起电容器的过电 压、温升过高、过负荷，电容器要承受额外的电和热的影响，会导致无功补偿 装置无法投入运行。串连电抗器受高次谐波的影响要比电容器严重。因为串连 电抗器的高次谐波电抗与电容器正好相反，它是与高次谐波的次数成正比的增 大。所以由于高次谐波的流入，大大增加了串连电抗器额外的电和热的影响， 必须十分注意它的温升问题。另外，高次谐波电流可能引起c l 回路与电力系 统的并联谐振。 1 2 5 对继电保护和自动装置的影响 谐波在负序( 基波) 量的基础上产生的干扰，如对各种以负序滤波器为启 动元件的保护及自动装置的干扰。由于保护按负序( 基波) 量整定，整定值小、 灵敏度高。滤波器为启动元件时，实际运行中已引起下列保护和自动装置误动： 发电机的负序电流保护误动、变电站主变压器的复合电压启动过电流保护装置 的负序电压启动元件误动、母线差动保护的负序电压闭锁元件误动、线路相差 高频保护误动。 1 2 6 对电力成本的影响 谐波电流在变压器、电机和线路传输中都要产生附加损耗，各次谐波附加 损耗，与谐波电流含有率的平方及谐波次数的平方根成正比。电器设备中的铁 芯在交变磁通作用下，会造成铁芯线圈中涡流损耗和磁滞损耗，产生大量的热 型6 】。 ( 1 ) 附加损耗使电力可变成本上升 ， 谐波电流在变压器、电机和线路传输中都要产生附加损耗，各次谐波附加 损耗与谐波电流含有率的平方及谐波次数的平方根成正比。电器设备中的铁芯 在交变磁通作用下，会造成铁芯线圈中涡流损耗和磁滞损耗，产生大量的热量。 第1 章绪论 ( 2 ) 降低电器设备的寿命增加电力的固定成本 由于谐波的存在使得各种电器设备的发热超过了设计发热水平，因此它会 大大降低绝缘材料的寿命，降低电器设备的使用寿命。此外，谐波对继电保护 和自动装置的影响，严重威胁着电网的安全与经济运行，由它引发的事故所造 成的损失有时是无法估价的。 ( 3 ) 造成电能表计量误差影响电力公司收入 谐波对电能表计量的影响也是核算电价时不容忽视的因素。无论是感应式、 机电脉冲式、全电子式电度表，都出现这样一个问题：当挂在非线性负荷端， 计量的读数会小于负荷从电网中吸收的基波有功电能，造成这类负荷少缴纳电 费；而挂在线性负荷端，计量的读数会大于负荷从电网中吸收的基波有功电能， 造成这类负荷要多缴纳电费。从经济角度考虑，谐波对电力公司成本和收入的 影响是十分必要的，确定的谐波电价模型以及谐波收费标准，可作为向谐波源 收费的依据。 1 3 电铁谐波抑制现状及其缺点 1 3 1 改造谐波源一电力机车的方法 ( 1 ) 利用整流变压器绕组移项，抑制高次谐波； ( 2 ) 变流器的多脉冲化是一种行之有效的措施，它不但使谐波的次数减 少，而且使谐波含量也大大减少，从而使流入系统的谐波电流也大为减少l ，j ； ( 3 ) 在机车牵引绕组设置晶闸管投切的p f c ( 功率因数补偿) 电路，以 降低机车的三次谐波含量，提高机车的功率因数。 改造谐波源的方法可以使电力机车少产生谐波，但以现今的技术还不能完 全消除谐波，而且现在还大量运行着，以前生产的未得到改造的韶山系列交 直电力机车，因此这种方法在短期内不能有效抑制电铁谐波。 1 3 2 采用补偿的方法 在牵引站集中设置滤波补偿装置，提供有效的谐波通路，减少进入系统的 谐波。目前较常用的方法有： 4 第1 章绪论 ( 1 ) 装设不可调的并联补偿电容装置一电容器组中串联电抗器，有部分 电容器组可作3 次或5 次单调谐滤波器。这种方法优点是结构简单、易维护、 成本低，但容易出现过补偿和欠补偿，不能随牵引负荷的变化作相应的调整， 仅对某些固定频率的谐波有较好的滤波效果，容易发生谐振咧； ( 2 ) 装设机械开关投切并联电容器组，结构简单，投运灵活，但响应慢， 存在浪涌电流和操作过电压，不安全，可靠性低； ( 3 ) 装设静止无功补偿器( s v c ) ，它由晶闸管投切电容器( t s c ) 和晶闸 管控制电抗器( t c r ) 组成。在牵引变低压侧装设t s c 和并联无源滤波器进行 谐波和无功补偿，在高压侧装设t c r 调节无功并使三相平衡，响应速度快。但 t c r 本身的无功输出是靠调节晶闸管的导通角来实现的，会产生大量的高次谐 波，使得无源滤波器容量增大，也使正常运行时损耗增大，特别是在电铁负荷的 空载率达到4 0 左右的情况下，无功功率将在电抗器和电容器之间消耗，很不经 济，t c r 只可装在高压侧，需配以降压变压器，一次投资和运行维护费都较高。 现今采用的补偿方法各有优缺点，不能很有效地抑制电铁谐波。 1 4 电铁谐波抑制的发展方向 由于近些年来电力电子技术的飞速发展，国内外电铁谐波和无功补偿问题 的研究有了很大的进展。为弥补传统补偿方法的不足，人们将研究方向逐步转 向有源电力滤波器( a c t i v ep o w e r f i l t e ra p f ) 。有源电力滤波器本身也是一种电 力电子装置，基本思想是利用可控的功率半导体器件，向电网加入与原有谐波 电流、谐波电压幅值、相位有一定关系的电流和电压，以消除或减小谐波电流 和谐波电压。 1 4 1 有源电力滤波器的优点 与传统补偿方法相比，有源电力滤波器具有高度可控性和快速响应性。其 具体特点如下：。 ( 1 ) 不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变、补偿无功等功能，有一机多 能的特点，在性价比上较为合理： ( 2 ) 滤波性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险【9 】； 第1 章绪论 ( 3 ) 具有自适应功能，能对频率和幅值都变化的谐波进行动态跟踪补偿； ( 4 ) 即使补偿对象电流过大，有源电力滤波器也不会过载，并能正常发 挥补偿作用【1 0 j ； ( 5 ) 既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源集中 补偿。 1 4 2 有源电力滤波器的起源和发展 有源电力滤波器的基本思想，在二十世纪六十年代末就已经形成。h sa s a k i 等人首先完整地提出具有功率处理能力的有源电力滤波器的概念。1 9 7 6 年，l g y u g i 等人提出了用大功率晶体管p w m 逆变器结构的有源滤波方案，为电力系 统中谐波的消除提供了有效的手段。但是，当时受到器件性能和控制技术的限 制，一直处在实验室研究阶段，未能在工业中应用。八十年代以来，由于大、 中功率全控型半导体器件的发展日趋成熟，脉冲宽度调制( p w m ) 控制技术的进 步，以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法的提出，有源电力滤 波器才得以迅速发展【l ”。 1 9 8 3 年，日本学者a k a g i h 等人提出“瞬时无功功率理论”，解决了谐波和 无功功率的瞬时检测和不用储能元件实现谐波抑制及无功补偿等问题，对谐波 抑制和无功补偿装置的研究和开发起到了很大的推动作用【1 2 1 。使得七十年代提 出的有源电力滤波器走出实验室，进入实际应用阶段。此后该理论不断地被完 善，也使有源电力滤波器的研究和应用取得了很大的进展。 1 9 8 6 年，a k a g i h 提出用并联型有源电力滤波器消除谐波【13 1 。有源电力滤 波器在这种装置中相当于一个谐波电流发生器，它的主电路与负载并联接入电 网，跟踪负载电流中的谐波分量，产生与之相反的谐波电流，从而抵消线路中 的谐波电流，使电源电流为正弦波。它可以用于消除谐波电流，补偿无功功率 及平衡非平衡电流等场合。由于谐波电流一般由非线性负载所注入，这种有源 电力滤波器主要装设在负载端。并联有源电力滤波器由于功能多样，连接方便 等优点，已经成为应用最多的有源电力滤波器，在日本等国家得到广泛应用。 但其缺点也是非常突出的：由于电源电压直接加在逆变桥上，因此对开关器件电 压等级要求很高。要求这种有源电力滤波器的变流器具有较大容量，只适合于 电感型负载的谐波补偿。为克服并联有源电力滤波器的这些缺点，又提出了注 6 第1 章绪论 入电路及与旋转电机并用等方式。但无论从基本原理和与接入电网方式来看， 这些方式的有源电力滤波器都应归入并联型。与并联型有源电力滤波器对应的 是串联型有源电力滤波器。它通过补偿变压器被串联在电源和负载之间，以消 除谐波电压、平衡负载端电压。串联型有源电力滤波器也可以用来消除负序电 压和调整三相系统电压。串联型有源电力滤波器主要用于补偿可以看作电压源 的谐波源，针对这种谐波源，串联型有源电力滤波器输出补偿电压，抵消由负 载产生的谐波电压，使供电点电压波形成为正弦波。 1 9 8 8 年，e z p e n g 等人提出了串联有源电力滤波器加并联无源滤波器的结 构在这种方案中，有源电力滤波器对谐波呈现高阻抗，而对基波电流呈现低阻 抗【1 4 1 。因此有源电力滤波器相当于一个电源和负载之间的谐波隔离装置，电网 的谐波电压不会加在负载和无源滤波器上，而负载的谐波电流也不会流入电网。 1 9 9 0 年，日本的h f u j i t 等人提出将有源电力滤波器与无源滤波器相串联的 混合有源滤波方案，其中有源电力滤波器为电流控制电压源，产生与电源电流 中谐波分量成比例的电压，实际上该方案可以等效为e z p e n g 的方案。由于注 入变压器联结在y 型联接的无源滤波器的中性点上，保护和隔离方便，因此更 适合于高压系统应用。该电路的缺点是对电源中的谐波电压非常敏感。 1 9 9 6 年日本学者k a g i h 提出一种称为“统一电能质量调节器”( u n i f i e d p o w e r q u a l i t yc o n d i t i o n e o 的有源电力滤波器的新的系统构成形式。它实际是并联型和 串联型有源电力滤波器的混合使用方式，也称为“通用有源电力滤波 器 ( u n i v e r s a l a c t i v e p o w e r f i l t e r ) 。在该系统中，串联型有源电力滤波器的主要 作用是对电力系统和负载之间的谐波起隔离作用，并在电压波动时进行电压调 整，同时它还可以防止电力系统的内阻抗和无源滤波器之间发生并联谐振。而 并联型有源电力滤波器主要进行谐波补偿和无功功率的补偿。 国内在有源电力滤波器方面的研究起步较晚，直到1 9 8 9 年才见到这方面的 文献，1 9 9 3 年才见到试验性的工业应用实验。西安交通大学的王兆安等人开展 这方面的研究较早，对各种形式的有源电力滤波器进行了广泛、深入的研究， 发展了瞬时无功功率理论，近年来己开展直流有源电力滤波器的研究工作，处 于国内领先水平。清华大学、浙江大学、东南大学、华中科技大学、哈尔滨工 业大学等学校开展这方面的研究也比较早，水平也较高。哈尔滨工业大学纪延 超等人还提出了广义有源电力滤波器的概念，并成功应用于电力系统。华北电 力大学，北方交通大学，华南理工大学等学校主要针对应用于电气化铁道的有 7 第1 章绪论 源电力滤波器开展研究，在三相不平衡系统、单相电路以及对电压闪变等方面 较有特色。西安理工大学、重庆大学等单位提出了谐波及无功电流的小波变换、 自适应神经网络检测等新方法。此外，南昌大学、石油大学、武汉水利电力大 学、五邑大学、华为公司、多个省市的电力部门、研究院( 所) 等许多单位也都 进行了有源电力滤波器方面的研究和实践。在结构组成、检测方法和控制方式 等方面都有了较大的进步。但国内的相关研究多以理论研究和实验为主，工业 应用较少，与国外仍有较大差距。 1 5 本文研究的主要内容 本文在对浙赣电气化铁路牵引供电系统( 江西境内) 谐波的监测和分析基 础上，设计了一个适合于治理其谐波无功的单相并联混合有源电力滤波器，主 要内容如下： ( 1 ) 在谐波基本概念的论述基础上，对电铁谐波源一电力机车( 韶山4 改进型) 进行了谐波分析； ( 2 ) 介绍了浙赣电铁牵引供电系统，对浙赣电铁牵引供电系统东西两侧 谐波影响较大的8 个牵引变电站进行了谐波监测，通过对监测数据分析和计算， 得到各牵引变电站所需谐波滤波率，并确定浙赣电铁谐波治理的最佳方案； ( 3 ) 概述了有源电力滤波器的基本理论，着重分析了3 种单相a p f 的谐 波检测方法：基于瞬时无功功率的检测法、基于有功电流分离的检测法、基于 单位功率因数的检测法，通过仿真比较选取基于有功电流分离的谐波与无功电 流检测法为本方案的检测法； ( 4 ) 论述了混合有源滤波器的系统结构，在对h a p f 系统建模的基础上， 提出a p f 谐波电压控制和基波电压控制，其中提出a p f 谐波电压控制有1 5 种 控制策略，即可以受控于系统谐波电流、负载谐波电流、接入点谐波电压、滤 波支路谐波电流或它们的组合，最终确定h a p f 的系统控制策略； ( 5 ) 对h a p f 中的p p f 与a p f 进行了设计，并对h a p f 中a p f 的容量 与单独使用a p f 的容量进行了比较； ( 6 ) 通过模拟玉山牵引变电站，对p p f 、a p f 、h a p f 进行了仿真比较研 究，验证了本文所设计的h a p f 能够有效地补偿浙赣电铁谐波与无功，且成本 低，适于在电铁谐波治理中推广。 8 第2 章谐波的基本概念及电铁谐波源谐波分析 第2 章谐波的基本概念及电铁谐波源谐波分析 2 1 谐波的定义与计算 一个非正弦、周期性的电气量( 电压、电流、磁通等) ，用傅立叶级数的方法 分解，得到频率与原波形工频( 5 0 h z ) 相同的正弦波分量称为基波( 分量) ，而 频率为基波频率整数倍( 大于1 ) 的正弦波分量称为谐波( 分量) 。谐波频率与基波 频率的比值称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波，称为非谐波 ( n o n - h a r m o n i c s ) 或分数谐波。电力系统所指的谐波是稳态的工频整数倍数的波 形，电网暂态变化诸如涌流、各种干扰或故障引起的过压、欠压均不属谐波范 畴；谐波与不是工频整倍数的次谐波( 频率低于工频基波频率的分量) 和分数谐 波( 频率非基波频率整倍数的分数) 有定义上的区别【1 5 1 6 1 。 对于周期为t = 2 石国的非正弦电压“( 耐) ，满足狄里赫利条件，可分解如 下形式的傅立叶级数 u ( c o t ) = + ( 口。c o s n o n f + b ns i n c o t ) ( 2 1 ) 式中：c i o = 昙f 。“( 研) d ( 研) ； 铲昙f 。u ( c o t ) c 刚c o t d ( r a t ) ； 屯= 昙知吣i a n t o t a l ( c o t ) ，n = l ，2 ，3 上式公式以非正弦电压为例，对于非正弦电流的情况也完全适用。 第h 次谐波电压含有率h r 乩( h a r m o n i c r a t i of o r 乩) ： 且r 巩= 1 0 0 ( 叼 ( 2 2 ) u 1 式中：u 。第h 次谐波电压有效值； 玑一基波电压有效值。 9 第2 章谐波的基本概念及电铁谐波源谐波分析 第h 次谐波电流含有率删 ( h a r m o n i cr a t i of o rl h ) ： 删 = 孕1 0 0 ( 呦 1 式中：l 一第h 次谐波电流有效值； 。一基波电流有效值。 谐波电压含量u 。： f 一 u ，= 1 ( 乩) 2 y 司 谐波电流含量如： 铲踊 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 电压总谐波畸变军7 h 巩( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) t h d = 击摆诉 眨s ， 电流总谐波畸变率t h d j ： t h d = 去摆露 泣7 ， 公用电网中，通常电压的波形畸变很小，而电流波形的畸变可能很大。因 此，不考虑电压畸变，研究电压波形为正弦波、电流波形为非正弦波的情况。 设正弦波电压有效值为u ，畸变电流有效值为i ，基波电流有效值及与电压的相 位差分别为1 1 和纯。则 有功功率p ： p = u 1 1 c o s 仍 ( 2 8 ) 功率因数旯： 五=!=u11wcosp1=争c。s纯=vcoss 讫 ( 2 9 ) u ii hh i o 第2 章谐波的基本概念及电铁谐波源谐波分析 式中：y = 1 1 i 基波因数，即基波电流有效值和总电流有效值之比； c o s 纯一为位移因数。 无功功率q ： q = s 2 一p 2 = ( l 玎) 2 一( u 1 1 c o s 仍) 2 ( 2 1 0 ) 由基波电流所产生的无功功率q ，： q ，= u i ls i n 妒1 ( 2 1 1 ) 由谐波电流产生的无功功率d ： 一r = 一 d = s 2 一p 2 一谚= u 、露 ( 2 1 2 ) lh = 2 以上以单相谐波分析为例，对于三相电网也有类似的定义。 电力系统的工频电源主要为发电厂中的同步发电机，由于采取了一系列削 弱高次谐波的措施，其产生的谐波电势极为微小，与日益增长的系统谐波水平 相比，可以忽略不计。因此，可以认为电力系统的电源是频率为工频，波形为 正弦波，三相对称的电压源，是系统中一切工频电能( 电功率) 的来源。谐波产 生的根本原因是系统中某些设备和负荷的非线性特性，即所加电压与电流不成 线性( 正比) 关系，而造成的波形畸变，当系统的正弦波形电压施加其上时，产 生的电流为非正弦波，波形畸变，产生了谐波。 2 2 谐波限制标准 国际上对电力谐波问题的研究大约起源于二十世纪五六十年代，当时的研究 主要是针对高压直流输电技术中，变流器引起的电力系统谐波问题。进入7 0 年 后，随着电力电子技术的发展及其在工业、交通及家庭中的广泛应用，谐波问题日 趋严重从而引起世界各国的高度重视。各种国际学术组织如电气与电子工程师 协会( i e e e ) 、国际电工委员会( i n c ) ，以及国际电网会议( c i g r e ) 相继各自制定 了包括供电系统、各项电力和用电设备，以及家用电器在内的谐波标准。我国 国家技术监督局，于1 9 9 3 年颁布了国家标准g b 厂r 1 4 5 4 9 9 3 电能质量公用电 网谐波，标准给出了公用电网谐波电压、谐波电流的限制值 1 7 - 2 u j 。公用电网谐 第2 章谐波的基本概念及电铁谐波源谐波分析 波电压( 相电压) 限制值见表2 1 。 表2 1 公用电网谐波电压允许值( 相电压) 0 3 8 6 1 0 5 0 4 o 4 0 3 2 2 o 1 6 6 6 3 o2 41 2 1 1 02 01 6o 8 公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量( 方均根值) 不应超过表 2 2 中规定的允许值。 表2 2 谐波电流允许值 标称电压为2 2 0 k v 的公用电网参照1 1 0 k v 执行，基准短路容量取 2 0 0 0 m a 。 当公共连接点处的最小短路容量不同于基准短路容量时，按下式修正表2 2 中的谐波电流允许值 a 厶= 罟 ( 2 1 3 ) ) 2 式中：厶一短路容量为s 。，时的第h 次谐波电流允许值，a ； s 。一公共连接点的最小短路容量，m v a ： & 2 一基准短路容量，m v a ： 一短路容量为s 。：时的第h 次谐波电流允许值，a 。 第2 章谐波的基本概念及电铁谐波源谐波分析 2 3 谐波源 供电系统电压基本不变，谐波源负荷通过向系统取得一定的电流做功，该 电流不因系统外界条件和运行方式而改变，而谐波源固有的非线性特性决定了 电流波形的畸变，其产生的谐波电流与基波电流具有一定比例，因此非线性负 荷为谐波电流源，向系统注入一定量的谐波电流。谐波电流源在电力系统中一 般可按恒流源对待。谐波源注入系统的谐波电流，在系统阻抗上产生相应的谐 波压降，便形成系统内部的谐波电压，使原有的正弦波电压产生畸变。谐波主 要由谐波电流源产生：当正弦基波电压施加于非线性设备和负荷时，设备吸收的 电流与施加的电压波形不同，电流因而发生了畸变，由于负荷与电网相连，故 谐波电流注入到电网中，这些非线性设备和负荷就成了电力系统的谐波源。当 前，电力系统中的谐波源的非线性特性主要有三大类【2 l 】： ( 1 ) 铁磁饱和型：具有铁磁饱和特性的铁芯没备，如变压器、电抗器等铁 芯设备的激磁电流，波形与横轴成镜对称，主要谐波为3 、5 、7 次； ( 2 ) 电子开关型：以电力电子元件为基础的开关电源设备，如：各种电力变 流设备( 整流器、交直流换流逆变器、p w m 变频器) 、相控调速和调压装置，大 容量的电力晶闸管可控开关设备等节能和控制用的电力电子设备，它们大量的 用于化工、电气化铁道，冶金，矿山等工矿企业以及各式各样的家用电器中， 其交流侧电流波形呈开关切合和换向特性，特征谐波与脉动数有关。本文所讨 论的电铁负荷一电力机车就属此类； ( 3 ) 电弧型：以具有强烈非线性特性的电弧为工作介质的设备，如：气体放 电灯( 荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯) 、交流弧焊机、炼钢电弧 炉及铁磁谐振设备等，主要谐波为2 、3 、4 、5 次。 2 4 电铁谐波源一电力机车的谐波分析 2 4 1 韶山4 改进型电力机车的谐波分析 电铁的负荷是电力机车，浙赣线运行的电力机车主要是韶山4 改进型( 货 车) 和韶山9 改进型( 客车) 。下面以韶山4 改进型为例分析其谐波特点阱l 。 第2 章谐波的基本概念及电铁谐波源谐波分析 图2 1 韶山4 改进型电力机车的电气原理结构简图 韶山4 改进型为八轴电力机车，由相同的两节组成，每节有两个转向架，每个 转向架有两台牵引电机，图2 1 为一节机车的电气原理结构简图。电力机车通 过受电弓l a p 由电网引入2 5 k v 工频单相交流电( 电力机车额定工作电压) ， 然后由变压器降压，整流器整流后给直流牵引电机供电。主变压器有四个牵引 绕组，每两个组成一组( 图中只画出一组) ，每组分别给两台牵引电机供电( 图中简 化成一台) ，牵引绕组a 1 x 1 为中抽式，绕组a l - b l 和b l - x l 的空载额定电压均为 3 4 9 7 5 v ：绕组a 2 x 2 的空载额定电压为6 9 9 5 v 。机车整流器由两个整流桥串接而 成，上部为四臂桥，由晶闸管t 5 、t 6 及二极管d 3 、d 4 组成；下部是六臂桥，由晶 闸管t 1 、t 2 、t 3 、t 4 及二极管d 1 、d 2 组成，通过对t i t 6 顺序移相与开关 控制相结合的排列组合控制方式，可达到等分三段整流桥的效果。假设总整流电 压为“d ，三段不等分整流桥的工作顺序如下： ( i ) 投入四臂桥，触发t 5 和t 6 ，投入a 2 ) 【2 绕组，t 5 、t 6 、d 3 和d 4 顺序移相，整流电压为0 1 2 u d ； ( i i ) 当t 5 和t 6 满开放后，六臂桥投入。维持t 5 和t 6 满开放，触发 t 1 和t 2 ，绕组a l - b l 投入，t l 、t 2 、d 1 和d 2 顺序移相，整流电压为圭 ：z 三； 1 4 第2 章谐波的基本概念及电铁谐波源谐波分析 ( i i i ) 当t 1 和1 r 2 满开放后，t l 、1 r 2 、t 5 和t 6 维持满开放，并触发t 3 和t 4 ，b l - x l 绕组再投入，整流电压为 - u j u d 。 在整流器的输入端装设了p f c 电路，图中用1 7 0 l 、1 7 1 c 与1 7 2 l 、1 7 3 c 简 略表示，该装置是通过滤波电容和滤波电抗的串联谐振，以降低机车的三次谐 波含量，补偿无功，提高功率因数，在5 0 功率以上投入。在整流器的输出端 通过平波电抗器进行滤波，并且并联了两个负载电阻7 5 r 和7 6 r ，起吸收过电 压的作用。 通过以上分析，可知选择不同的区段( i 、i i 、i i i ) ，调节触发角口，可以使 调节过程可做到平滑无级调压。触发角口是变化的，下面讨论口的求取。 韶山4 改进型电力机车牵引电机电枢电路l v 特性控制的函数关系表示 为 f 1 5 0 x i a = 6 0 0 x 一5 4 v ( a )( 2 1 4 ) 【1 0 9 6 式中：，。一电机电枢电流； v 一电力机车速度； ) 【_ 司机控制器牵引调速手轮的级位，x = i 1 0 级； 1 0 9 6 牵引电机平均启动电流限制。 因为牵引控制系统通过速度和级位决定了电动机电枢电流的大小，根据下 式就可以确定整流回路直流电压 = l 彤+ e 竹妒= l 亿+ v e 妒号器争( v ) ( 2 1 5 ) 式中：牵引电机的磁通，由电机空载特性曲线确定5 e 牵引电机电动势常数，取1 2 4 ； m 一机车动轮直径，取半磨耗值1 2 m ； 以一牵引电机齿轮传动比，取4 1 9 。 得到直流电压玑后，可判断电力机车属于哪一段桥的工作状态，即可按照 该段的整流器交流侧与直流侧电压的关系确定晶闸管触发角。 第2 章谐波的基本概念及电铁谐波源谐波分析 2 4 2 韶山4 改进型电力机车工作过程的仿真分析 m a t l a b 是一种广泛应用于科学计算、工程设计与仿真的通用数学工具软 件。本文的设计采用 m a t l a b 7 0 的s i m u l i n k 6 0 对韶山4 改进型电力机车工作过程 进行了仿真。按照图2 1 ，p f c 未投入( 5 0 以下功率) 时的仿真模型如图2 2 ， 其中，平波电抗器电感l = 8 1 m h ，励磁线圈固定消磁电阻r = 0 2 0 3 5 q ，变流器控制 角口= 3 0 。，仿真算法采用o d e 2 3 b t ，仿真时间为0 6 s 。 图2 2 韶山4 改进型电力机车工作过程仿真模型 图2 3 、图2 4 、图2 5 分别是电力机车在区段i 、i 时的网侧电流( 分别 用、屯、岛表示，单位：a ) 的仿真波形及其谐波分析。由图可见，网侧电流i 偶次谐波含量很少，主要含有的奇次谐波，特别是3 、5 、7 次谐波，说明电力机 车是奇次谐波源；网侧电流i 的大小波形是随时间波动变化的，启动电流比稳定 1 6 第2 章谐波的基本概念及电铁谐波源谐波分析 时的电流大1 倍多，说明电力机车是波动冲击性负荷；比较电力机车在区段i 、 i i 、i i i 时的网侧电流i ，网侧电流i 随着负荷的增大而增大，电流总畸变率也增大， 奇次谐波含有率也增大。由此可见，电力机车对电网造成谐波污染。 ( a ) 网侧电流波形 ( ”谐波分析 图2 3 电力机车工作在区段i 时的网侧电流波形及其谐波分析 ( a ) 网侧电流波形 1 7 第2 章谐波的基本概念及电铁谐波源谐波分析 ( b ) 谐波分析 图2 4 电力机车工作在区段i i 时的网侧电流波形及其谐波分析 ( a ) 网侧电流波形 ( b ) 谐波分析 图2 5 电力机车工作在区段i i i 时的网侧电流波形及其谐波分析 1 8 第2 章谐波的基本概念及电铁谐波源谐波分析 电力机车实际运行时，常在启动、加速、制动等各种工况下变化，速度变 化很快，触发角口也变化很大，加上同一电网有多台电力机车运行，因此比仿 真时的谐波含量大得多。 1 9 第3 章浙赣电铁的谐波分析 第3 章浙赣电铁的谐波分析 3 1 浙赣电铁牵引供电系统概述 浙赣铁路位于浙江、江西、湖南三省境内，东起杭州市，向西经义乌、金华、 上饶、横峰、贵溪、鹰潭、向塘、萍乡至株洲。是我国长江以南最重要的东西向 繁忙线，也是我国铁路网八纵八横主通道及四纵四横快速客运网的重要组成部 分。为改善运营条件，提高客货列车运行速度，对浙赣铁路进行提速，扩能技术改 造及电气工程建设，2 0 0 3 年1 0 月，国家发改委批复立项，对浙赣铁路进行电气 化技术改造；2 0 0 3 年1 2 月，浙赣线电气化改造工程在浙江诸暨动工；2 0 0 6 年 9 月1 5 日全线竣工投运。浙赣铁路电气化工程改造后全长9 4 2 6 4 千米( 其中江 西境内全长5 4 9 千米) ，全线新设2 0 座牵引变电所，其中江西境内新设玉山、上 饶、横峰、贵溪、东乡、进贤、向塘西、丰城、临江镇、新余、彬江、西村、 萍乡北1 3 座电铁牵引变电所，并改造鹰潭南牵引变电所。所有牵引站均采用 2 2 0 k v 接入，也就是说所有浙赣电铁的供电线路都要从2 2 0 k v 变电站的2 2 0 k v 母线引出 2 3 1 。