高速铁路同相供电谐波抑制的关键技术

1．谐波的概念

通常我们总期望或假定系统电压和电流是理想的标准正弦波形，因为这样可以方便分析、简化设计。但在实际供电系统中，这种理想的电压和电流波形基本不存在。由于各种原因实际的电压和电流一般都是周期性的畸变波形。任意周期性的非正弦函数，只要满足狄里赫利条件，就可分解为傅里叶级数。设周期为T的非正弦函数f（t）满足狄里赫利条件，傅里叶级数展开式为

式中 ω1——基波角频率，；

式（1.57）可以写为

其中，； A0为常数称为直流分量。

电气化铁道的牵引负荷主要有两类：一类为交-直型机车，另一类为交-直-交型机车。以前者为例，电流中所含的谐波主要是奇次谐波，电流可表示为

式中　In、φn——n次谐波电流有效值和初相角，n=2 k+1（k=0，1，2，…）为奇数；

ω1——基波角频率。

2．谐波引起的波形畸变主要度量方法[20，21]

（1）谐波畸变下的电压有效值U和电流有效值I：

（2）n次谐波电流含有率HRIn和电压含有率HRUn：

式中，I1、U1——基波电流有效值和电压有效值；

In、Un——n次谐波电流有效值和电压有效值

电流和电压谐波总畸变率THDi和THDu定义为

对于69 kV以下的电力系统，《电力系统中谐波控制的措施和要求》（IEEE519标准）规定，应将单个频率的谐波电压限制到基波电压的3%，将电压总谐波畸变率限制到5%。

还可以用功率等其他方式来度量谐波引起的波形畸变程度，这些度量方式基本都可以用电压和电流含有率和总畸变率来表达。

3．谐波源

1）本地负荷谐波

本地负荷谐波主要是指牵引负荷产生的谐波。交-直整流器电力机车，采用了单相可控整流器，由于其非线性特性，整流输出电流滞后于电压，且其波形接近于方波，说明牵引负荷电流中含有大量的谐波成分。含有大量谐波的牵引负荷，经牵引供电系统向电力系统注入了大量的谐波电流，所以对于电力系统而言牵引负荷相当于谐波源。这种机车产生的谐波主要是奇次谐波，而且n次谐波的含量接近于1/n。

交-直-交电力机车的控制电路是由整流和逆变两个部分组成，谐波的大小和次数与整流和逆变两部分控制方式的脉波数有关。对于12脉波变流器的交-直-交电力机车所产生的谐波次数主要为12 n± 1=11，13，23，25，35，37，…。

2）系统谐波(www.xing528.com)

系统谐波是指除本地负荷之外的原因引起的谐波，如系统中非线性负荷、磁饱和设备、电力电子装置等引起的牵引母线电压波形发生畸变，或向牵引变电所注入谐波。

电气化铁道谐波主要是牵引负荷产生的谐波，然而系统中的谐波对电气化铁道影响也不可忽视。在实际运行中，为了消除牵引负荷产生的谐波而在牵引变电所设置谐波滤波器，而滤波器对于谐波就相当于阻抗为零的短路通路，所以在滤除牵引负荷谐波时，系统谐波或多或少也会流向滤波器，尤其当系统谐波与滤波器产生谐振时，出现谐波倒灌和过电压现象。因此在消除牵引负荷谐波时，必须考虑系统谐波的影响。

系统谐波源主要有三大类：

（1）磁饱和设备，如变压器、电机。变压器铁芯一般工作在接近非线性状态，所以即使电源电压是正弦的，变压器的励磁电流也是非正弦的，含有谐波，主要是三次谐波。电动机和发电机的磁路存在磁饱和现象，所以也会产生谐波。此外电机的线圈嵌入线槽中，由于这线槽不可能严格按正弦形分布，使得磁动势产生畸变，相当于谐波电压源。

（2）电力电子装置。随着电力电子器件的不断发展和广泛应用，电力电子装置成为最大的谐波源，包括整流装置、逆变器、开关电源、变速传动装置。

（3）其他的非线性负载，如电弧炉、荧光灯、水银灯等。

以上谐波源若从牵引变电所一侧来看，相当于谐波电流源或谐波电压源，无论是哪一种都会对牵引变电所产生一定的影响。

对于采用电力电子开关构成的滤波与补偿装置，为了避免系统谐波倒灌而增加滤波与补偿装置的负担，必须在滤波与补偿的目标模型上加以考虑。关于这方面的内容可参阅本书第4章。

4．谐波的危害及其抑制

牵引供电系统产生的谐波电流，将对电网造成严重的污染，恶化用电设备运行环境，其危害主要有[19-23]：

（1）使供电设备和元件产生附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率。

（2）影响各种电气设备的正常工作，使电机产生附加损耗、引起机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热；使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。

（3）引起电网并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，危害加重，甚至引起严重事故。

（4）导致继电保护和自动装置误动作，并会使电气测量仪表计量误差加大。

（5）对铁路沿线的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。

世界上许多国家都已制定了限制谐波的国家标准或全国性规定。各个国际组织，如国际电气电子工程师协会（IEEE）、国际电工委员会（IEC）等也纷纷推出了各自建议的谐波标准，如IEEE519、IEC61000。我国也先后于1984年和1993年分别制定了限制谐波的规定和国家标准，如《电力系统谐波管理暂行规定》（SD125—84）和《电能质量　公用电网谐波》（GB/T 14549—93）。我国电气化铁道谐波允许值是以电力系统的地区变电站的110 kV为谐波电压监测点，由电气化铁道谐波电流引起的监测点处相电压正弦波形畸变率应低于3%。

为解决谐波污染问题，一般采用两种办法：一种是装设谐波补偿装置[21，24-26]，这对各种谐波源都是适用的；另一种是对谐波源本身进行改造，使其不产生或少产生谐波，对于电气化铁道电力机车，若采用四象限PWM整流器时，可以使机车的低次谐波大大减少，并可提高功率因数。

装设谐波补偿装置的传统方法是采用LC调谐滤波器。这种方法既可补偿谐波，又可补偿无功功率，而且结构简单，一直被广泛使用。这种方法的缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使LC滤波器过载甚至烧毁。它只能补偿特定频率的谐波，补偿效果也不甚理想。

目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器（APF）。其原理是从补偿对象中检测出谐波电流，并以此为参考控制有源滤波器产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而消除电网的谐波电流。这种方法的优点是滤波性能不受电网阻抗的影响，可动态跟踪谐波电流频率和幅值的变化，目前已在许多国家获得了广泛应用。