高速铁路供电系统谐波分析及抑制方法研究

1、硕士学位论文高速铁路供电系统谐波分析及抑制方法研究analysis of harmonics and research on suppressionmethod in power supply system of high speed railway作者姓名吴铁成指导教师郭凤仪教授学科专业电机与电器二 o 一二年十二月高速铁路供电系统谐波分析及抑制方法研究吴铁成辽宁工程技术大学关于论文使用授权的说明本学位论文作者及指导教师完全了解辽宁工程技术大学有关保留、使用学位论文的规定，同意辽宁工程技术大学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，学校可以将学位论文的全部或部

2、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。保密的学位论文在解密后应遵守此协议学位论文作者签名：_导师签名：_年月日年月日分类号udcu225621.3学校代码密 级10147公开硕 士 学 位 论 文高速铁路供电系统谐波分析及抑制方法研究analysis of harmonics and research on suppressionmethod in power supply system of high speed railway作者姓名吴铁成指导教师郭凤仪教授申请学位学科专业研究方向工学硕士电机与电器滑动电接触理论辽宁工程技术大学致谢本论文是在

3、我的导师郭凤仪教授的悉心指导下完成的，是他给了我如此好的研究课题，使我有机会更加深入的钻研本专业的知识。郭老师渊博的知识、丰富的经验、严谨细致、一丝不苟的作风使我受益匪浅；他循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启示。在此谨向郭老师献上最诚挚的敬意和深深地谢意！同时感谢陈忠华副教授，在课题的方案论证和设计期间给予了大力帮助，才能比较顺利地完成课题工作。陈老师的满腔热情、虚怀若谷的高尚人格，传道、授业、解惑、孜孜不倦的传授我做学问的道理。对陈老师的帮助和支持表示感谢！感谢和同学们一起打造良好的学习团队，营造良好的学习氛围，在活跃和宽松的环境下完成学业。感谢铁道部第三设计院接触网所的专家对我论

4、文的斧正。最后感谢参与我论文评审和答辩的各位老师。摘要高铁正成为大家出行的热门选择，高铁在给大家带来方便快捷的同时，也带来了很多负面的产物。作为电气化铁路的能量来源，牵引供电系统中谐波的危害已经越来越被关注。谐波不仅影响电力系统电能质量，同时影响牵引变压器、机车电动机的使用寿命；还能造成自控系统的二次保护误动作，影响动车组列车正常运行，造成晚点，影响公众出行。此外，产生的谐波随接触网传播加剧了对通信的干扰。因此对牵引供电系统中的谐波的来源、谐波成分进行分析，对其特性和抑制方法进行研究，具有重要意义。本文简要概括了机车与接触网对牵引供电系统中谐波的影响，介绍了一种优化傅里叶算法，用于分析牵引供电

5、系统中的谐波；通过在不同条件下对高密牵引变电所谐波的测量，对其成分和特点进行了细致的分析，发现谐波含量不随牵引负荷的增加而增加，在电流合成效应下，随着动车组的增加而呈现减少趋势。在此基础上，提出了谐波抑制的方法；并介绍了 at 所自耦补偿和一种混合有源滤波器，并在营口变电所进行了谐波参数、谐波抑制效果的测试。通过对测试结果进行分析，验证了其合理性，为以后进一步深入研究提供了参考。关键词：谐波分析；动车组；混合有源滤波器；谐波抑制（国家自然科学基金资助项目，项目编号： 51277090）- i -abstracthigh-speed rail is becoming a popular choi

6、ce in travel. however, it brings aboutnot only the convenience, but also many negative products. the tractive power supplysystem, as the power supply of electrified railway, in which there is lots of harmonic.the harm of harmonic is paid more and more attention. the harmonic affect the qualityof ele

7、ctric energy supply and the working lives of traction transformer and tractionmotor. meanwhile, the secondary protection of automatic control system may falseoperation and the motor train unit will be affected to be late. the traveling of passengerswill also be delayed time. in addition, the harmoni

8、c with transmission along catenarycreate interference for communication system. so there is an important meaning to studythe component, characteristics and suppression methods of the harmonic.the influence of locomotive and catenary on the harmonic in the tractive powersupply system is summarized. a

9、n optimization fourier algorithm is introduced toanalyze the harmonics in this paper. the harmonics in gaomi electrical substation aremeasured in different conditions. by analyzing its components and characteristics indetail， the following results are achieved. the harmonic content will not increase

10、 withthe draw-bar power. it will decrease when there are several motor train unit in tractivepower supply system because of the current synthetic effect. based on this, the harmonicsuppression method is proposed. the at substation self-coupling compensation andhybrid active power filter are introduc

11、ed. at last, the harmonic suppression test aregiven in yingkou substation .by the test results and analysis, the rationality is provedand the result can be used as reference for the further study.key words： harmonic analysis； motor train unit； hybrid active power filter ；harmonic suppression（ suppor

12、ted by natural science foundation of china, no. 51277090）- ii -目录摘要 . iabstract . ii1 绪论 . 11.1 课题研究的背景及意义 .11.1.1 问题的提出 . 11.1.2 研究的意义 . 21.21.3供电系统谐波研究的国内外现状 .2本论文的主要内容及章节安排 .42 高铁供电系统的谐波分析及危害 . 62.1 牵引供电系统的谐波分析 .62.1.1 接触网 . 62.1.2 变流器 . 82.1.3 逆变器 . 102.2 谐波成分测量 . 122.2.1 滤波器法 . 122.2.2 傅里叶法 . 1

13、32.2.3 优化傅里叶法 . 142.3 高密变电所谐波的测试分析 . 152.4 高铁供电系统谐波危害 . 192.4.1 谐波对机车电动机的影响 . 192.4.2 谐波对接触网的影响 . 212.4.3 谐波对牵引变压器的影响 . 212.4.4 谐波对二次保护设备和计量表的影响 . 213 谐波抑制方法 . 323.1 国家谐波标准 . 323.2 接触网谐波抑制 . 333.2.1 at 所自耦补偿 . 34- iii -3.2.2 并联电抗器 . 363.3 混合有源滤波器的设计 . 383.3.1 无源滤波器组 . 403.3.2 线性电抗器 . 423.3.4 注入支路滤波器

14、 . 423.3.5 耦合变压器 . 433.3.6 输出滤波器 . 443.3.7 有源电力滤波器 . 444 抑制效果测试 . 454.1 测试地点 . 454.2 测试参数 . 454.3 测试方法 . 454.4 测试结果 . 46结论 . 54参 考 文 献 . 55作 者 简 历 . 57学位论文原创性声明 . 58学位论文数据集 . 59- iv -辽宁工程技术大学硕士学位论文1绪论1.1课题研究的背景及意义1.1.1问题的提出1960 年我国第一条电气化铁路宝成线建成，标志着我国进入电气化铁路时代。历经60 多年的学习与艰难探索，同时伴随着科技的日新月异与工业产业化的突飞猛进，

15、我国电气化铁路及电力机车从无到有、从时速 30 公里到京沪高铁动车组重联冲高试验时速 486.1公里、从低吨位到大秦铁路的万吨重载的不断进步，电力机车从韶山系列到今天的 crh380系列动车组的在线运行，无不实现了飞跃。回顾发展的历史，宝成线是值得一提的，因为开创了历史。1998 年哈大线第一次引进 re200 的德国西门子技术，应该说是一场阶段性的革命，也让铁路人看到了与国外发达国家真正的差距，但这条电气化线路受轨道状况的影响，开通运营速度只达到了时速 120 公里。2002 年开工建设的秦沈客运专线是我国对客专领域的又一次探索，在全国第六次铁路大提速后开创了我国铁路运营速度的先河，实现了时

16、速 250 公里的在线运行。严格意义上讲，秦沈客运专线是我国第一条客运专线，也为我国开工建设时速 300 公里以上高速铁路积累了宝贵经验。高速电气化铁路(high speedelectric railway)是行车速度在 200km/h350km/h 的电气化铁路。国际上一般将铁路行车速度在 100km/h 及以下者称为常速，在 200km/h 以下称为快速或准高速，在 200km/h 以上至350km/h 者称为高速。其中日本新干线 1952km，法国 tgv 1282km，德国 ice 427km，意大利 etr 237km，西班牙 ave 471km1。高 速 铁 路 近 几 年 的 发

17、 展 方 兴 未 艾 ,2010 年12 月 4 日 ,在 京 沪 高 速 铁 路 试 车 的 过 程 中 跑 出 了 486.1 公 里 /小 时 的 顶 级 速 度 。虽 然 经 历 了 7.23 事 故 以 后 ，对 于 高 速 铁 路 的 建 设 与 发 展 影 响 巨 大 ，也 引 起 了 高铁 领 域 学 者 的 进 一 步 思 考 和 研 究 。这 也 是 在 急 速 发 展 的 过 程 中 的“ 震 荡 调 整 ”，我认为随着高铁技术的日臻完善，高铁事业仍然具有强大吸引力 ，仍然是公共交通中努力发展的方向。大家在享受电气化铁路高效、运能、环保、快速、舒适的同时，电气化铁路供电系

18、统产生的谐波也正在危害着供电系统自身的设备及上一级电网的运行安全。2010 年 12 月 10日，在太中银铁路山西段发生一起牵引变电所跳闸事故，引发了上一级 220 千伏变电所跳闸。经调查，在吴城至吕梁区间上行供电臂上两辆电力机车同时启动，由于此区间线路坡- 1 -辽宁工程技术大学硕士学位论文度很大，就造成了电力机车长时间的以大电流的方式向接触网取流。峰值电流达到了1200a。造成了吴城变电所的跳闸。吴城变电所牵引变压器的整定电流是 1000a，以上所述而言，吴城变电所跳闸无可厚非，属于正常的过流保护跳闸。但是，引起上一级 220 变电所跳闸就不正常了，作为上一级的变电所，它对铁路供电臂的整定

19、电流大于 1500a,瞬间产生的大电流对它不能造成影响。谐波的产生是造成此次事故的直接原因之一，重载的电力机车在坡道启动的时候，由于需要很大牵引力，会造成电力机车在钢轨上打滑，从而引起电力机车会很大幅度的震颤，造成受电弓的离线，在瞬间高频次的离线，就会产生谐波，对电网造成很大的危害。鉴于此，很多省市、自治区国家电网在电气化铁路开通送电之际，都会向铁路建设部门收取高额的高可靠供电费及谐波治理费用。高速铁路每个供电区段都很长，一般要达到 60 公里以上，在这样的区间里三辆动车组启动运行是常态化的。电气化铁路供电系统存在自然功率低且负载具有非线性和波动性等特点。在电力机车运行过程中随着线路坡度、启动

20、和制动等不同运行条件而剧烈变化，会对电网的动态的无功补偿造成影响。1.1.2研究的意义本课题研究的意义在于，深入分析动车组列车、接触网及牵引变电所在运行中产生的谐波的特点，针对各种设备的特点，抑制谐波对电网的危害。从而达到保护上一级变电站的正常运行。将高铁整个供电系统的谐波产生抑制在可控范围之内，使得高铁供电系统及上一级电网安全、高效、环保、高质量的运行。1.2供电系统谐波研究的国内外现状对谐波的分析及抑制方法的研究已经进行了几个世纪了，对其的研究大体上分为四个方面，一是谐波产生的机理研究；二是谐波谱的分析及其次生灾害；三是如何补偿和抑制谐波；四是谐波参数的测量和谐波抑制标准的研究。谐波主要是

21、由于用电设备的非线性特性造成，如单相负荷、it 行业和办公设备中大量使用的开关式电源(smps)、电弧式负荷包括电弧熔炉、弧焊设备、公共照明系统中大量使用的荧光灯负荷等。图 1.1 为典型的计算机负荷的负荷特性(示意)。可见该类设备呈现出非常明显的非线性特性，电流畸变情况非常严重，包含大量的谐波成分。将畸变的非正弦信号分解为各谐波成分的工具是傅里叶变换2。通常的分析表明各谐波成分呈现如下特性：- 2 -辽宁工程技术大学硕士学位论文(a)图 1.1fig. 1.1计算机负荷的负荷特型the computer load typecast(b)偶次谐波，如 2、4 次谐波等，将造成畸变的波形在正负半

22、周内波形不对称。奇次谐波，如 5、7 次谐波等，不改变畸变波形在正负半周内的对称性。通常的线电流中不包括 3、9 次等 3 的倍数次谐波，但在有中线的系统中中线流过大量这类谐波。谐波通常造成很高的波形因子(crest factor)。波形因子是波形峰值与有效值的比值。过高的波形因子将造成变压器必须以低于额定容量的方式工作。用电设备的非线性特性产生的谐波电流在系统中引起谐波电压，降低了系统的电压质量，并带来其它危害，如造成保护误动、损耗增加、变压器和线缆降容量使用等。近年来，随着静止变频器、周波变流器、异步电动机和电弧发生装置的使用，产生了所谓的次谐波和间谐波对电动机造成的损害远大于普通的 3、

23、5 次谐波，会严重影响电机的使用寿命，造成重大经济损失。谐波问题不仅是传统意义上电气问题、它严重的危害了国家电网电能质量，而解决起谐波问题来也非常棘手3,4。抑制谐波是大家比较关注的课题，抑制谐波的方法有两种，事前控制(预防)和事后控制(补偿)。第一方面对谐波产生设备进行升级改造，降低设备的谐波输出。比如电力机车增加晶闸管滤波，提高接触网的品质，降低离线率，提高电力机车取流的稳定性等。事后控制(补偿)，也就是安装有源滤波器，来清除供电系统中的谐波。例如在接触网供电臂的中段增加 at 所，以提高系统供电质量(这属于输电线路范畴)，在变配电所串并入大功率电容、电抗来实现补偿。目前看来，并联补偿还是

24、抑制谐波最为行之有效的技术手段之一。- 3 -辽宁工程技术大学硕士学位论文电力系统谐波并联补偿有无源滤波器(lc 滤波器)、有源电力滤波器(apf)和混合型滤波器。并联补偿在电力系统中应用的主要目的是：提高电力系统的安全稳定性、供电可靠性和运行效率，同时改善供电系统的电能质量。电力系统并联补偿设备可以按照不同的标准进行分类5-10。按照并联补偿设备输出功率的性质可以分为：1有功和无功功率并联补偿设备，如抽水蓄能电站、飞轮储能系统、smes 及 bess，其中后者属于 ssg 类型的 facts 控制器；2无功功率并联补偿设备，如同步调相机、可投切电抗器、svc，statcom，apf 等；3有

25、功功率并联补偿设备，如 tcbr。按照补偿对象的不同，无功补偿技术的设备可分为负荷补偿和系统补偿两类。负荷补偿通常是指在用户内靠近负荷处对单个或一组负荷的无功功率进行补偿，其目的是提高负荷的功率因子，改善电压质量，减少或消除由于冲击性负荷、不对称性负荷和非线性负荷等引起的电压波动、电压闪变、三相电压不平衡及电压和电流波形畸变等危害。系统补偿通常是指对交流输电系统进行补偿，目的是保持电网枢纽点处的电压，减少压降，使系统处于稳定状态，降低线损，增强线路的送电能力和优化无功潮流等。按照应用系统的不同，并联补偿设备还可以分为输电系统并联补偿和配电系统并联补偿设备，前者主要是保证输电系统安全稳定性和提高

26、传输能力，而后者主要是维持节点电压，保障用户的供电可靠性和电能质量等。此外，还可以按照并联补偿设备的电压等级分为低压并联补偿设备，中压并联补偿设备与高压并联补偿设备等；按照并联补偿设备的响应速度的分为慢速型、中速型以及快速型设备等。1.3本论文的主要内容及章节安排本文旨在分析高速铁路供电系统中的谐波，研究其特点以及抑制谐波的有效方法。围绕这一主题，本文将完成以下主要内容：(1) 牵引供电系统中谐波产生的来源；(2) 对高速铁路供电系统中谐波的有效分析方法进行探讨，并对系统中产生的谐波波谱分析；(3) 对系统中谐波的抑制方法进行研究。- 4 -辽宁工程技术大学硕士学位论文在本文中各章节的主要任务

27、安排:第一章绪论部分简要的阐述了本文的学术研究背景，课题的理论依托及其实际意义，本课题的立意及研究方向。第二章主要介绍高铁牵引供电系统的组成，然后分析了在供电系统中各组成部分的谐波，探讨了谐波对系统各部分的危害。对高密变电所的谐波进行测试，分析，总结其中的规律及特点。第三章主要介绍了谐波的抑制方法，介绍了一种混合有源滤波器。第四章对谐波的抑制效果进行测试，对测试结果进行简要分析。- 5 -辽宁工程技术大学硕士学位论文2 高铁供电系统的谐波分析及危害2.1牵引供电系统的谐波分析牵引系统主要由接触网、受电弓、主断路器、牵引变压器、牵引变流器及牵引电机组成，工作原理如图 2.1 所示。受电弓通过电网

28、接入 27.5kv 的高压交流电，输送给牵引变压器，降压成 1770v 的交流电。降压后的交流电再输入牵引变流器，逆变成电压和频率均可控制的三相交流电，输送给牵引电机牵引整个列车。动车组有两个相对独立的主牵引系统，一个单元是三辆动车和一辆拖车组成一个动力单元，另一个单元是两辆动车和两辆拖车组成一个动力单元。正常情况下，两个牵引系统均工作，当一个牵引系统发生故障时，可以自动切断故障源，继续运行。ac25kv受电弓牵引变压器单相ac1770v牵引电机三相交流电牵引变流器图 2.1牵引系统工作原理示意图fig. 2.1 the diagram of traction system working p

29、rinciple2.1.1接触网接触网是特殊形式的输电线路，高速铁路的接触网一般采取 at 供电方式，主要有悬挂系统，(腕臂、承力索及接触线)，补偿系统(af 线)、回流保护系统(pw 线、接地线)及各种设备组成。其作用主要是向动车组提供动态的电能。动车组列车通过受电弓滑板与接触线接触取得电能。受电弓与接触网构成的系统统称为弓网系统，它是动车组的受流方式之一11。世界上大多的高速铁路采取这种供电方式。弓网系统中很多参数对于动车组受流有影响，其中典型的有接触压力、离线率、接触网系统弹性补偿状态等。- 6 -辽宁工程技术大学硕士学位论文(1) 接触压力不均匀系数其表达式为：c h =1nni =1

30、ni =1i maxi max- fi min )+ fi min )(2.1)式中： n采样点数；fi maxf最小值。接触压力不均匀系数可以评判动态过程中接触力的变化状态及弓网的匹配效果与性能。接触压力对离线率和弓网受流状态的都有很大影响。(2) 接触悬挂的弹性系数及弹性差异系数接触网的弹性也会影响受流质量。高铁接触网一般采用弹性链形悬挂，以增大接触线的补偿，接触网的弹性均匀连贯，即弹性差异系数要小。平均弹性系数和弹性差异系数分别表示接触悬挂弹性性能及均匀程度，其表达式为：平均弹性系数：弹性差异系数：式中：k = (kmax + kmin ) / 2e = (kmax - kmin ) /

31、( kmax + kmin )(2.2)(2.3)k max、 k min 分别表示检测或指定跨距内的弹性系数的最大值及最小值。(3) 离线率离线是弓网配合工程中的错误状态，会对受流造成严重后果，离线率是评判受流关系的重要数据12,13。一般以离线时间来衡量，也有以水平冲击力作为衡量依据的。 在接触网专业俗称为接触网硬点。通常将 10ms 以下的离线称为可忽视离线，10100ms 为需要克服的缺陷，大于 100ms 时为不可容忍离线。从受电弓方面看，当列车运行速度增大至200km/h 以上时，受电弓产生垂直方向的加速度，会引起接触线的振动，如果接触网系统弹性补偿状态差的话，会造成离线。离线率为

32、运行期间弓网脱开时间与运行时间的百分比：- 7 -å (få (f、 i min 分别为相邻定位点间或某一个检测区段采样点处的接触压力的最大值和辽宁工程技术大学硕士学位论文s =å t ´100%t(2.4)式中：s 为离线率；t 离线时间(即运行时间内各次离线时间总和)；t 为运行时间。弓网离线时，接触网导线与受电弓滑板相当于一个"棒一板"电极，在高电压的作用下，接触网导线与受电弓滑板之间产生很强的电场，在强电场的作用下，弓网电极间的气隙被击穿，发生气体放电，形成电弧。弓网电弧导致牵引电流电压的波形形成畸变，产生谐波，甚至是偶次谐波

33、。2.1.2变流器阿尔斯通动车组（crh5）采用两电平四象限变流器供电(并联二重化)，每辆动车上由两组并联；之后接两组牵引逆变器，各自带一电机，其主电路如图 2.2 所示。一个主变压器带六组副边，分别为能量储放通过变压器漏感来完成；直流侧支撑电容 9.01mf，无二次吸收回路。ksaz2*ksaz1*ta2ta1图 2.2主电路结构smtcdccrisrdcrristv1tv2fig. 2.2 the structure of main circuit四象限变流器技术参数图如表 2.2 所示。表 2.1四象限变流器技术参数tab. 2.1 four quadrant converter tec

34、hnology parametersigbt 电压igbt 绝缘电压igbt 电流每臂的并联 igbt/二极管数量冷却方式- 8 -6500v / 600a9.5kv600a2水循环冷却辽宁工程技术大学硕士学位论文i1nl1nintri1sl1s+inun+-i2sl2su1ab-un+-i2n l2n+u2ab+ku1ab-ku2ab-图 2.2 crh5 机车网侧等效电路fig 2.2 equivalent circuit for crh5 in catenary sidecrh5 四象限变流器网侧等效电路如图 2.2 所示14。对于并联二重化来说，每个四象限变流器各分配网侧功率的一半，两

35、个四象限变流器的三角载波相位相差ì pïiî 2crh5 机车网侧谐波模型如图 2.3 所示。inin+p2，即un-l1ni1abnl2n i2abnun-lniabn图 2.3 网侧谐波模型fig2.3 harmonic model in catenary side谐波电流源 iabn 为iabn = i1abn + i2abn=-4ku d mm p mpj n ( )cosc onsw(t + mwct + nb + ma1)-4ku d mm p mp mpj n ( )cos- 9 -)ïa 2 1 = 2- aíl1n = l2

36、n n= 2lïïi1n 1 = i 2 n 1 = n 1mp l1n c ) 2 2(nw + mwcos(nwt + mwct + nb + ma1 +mp l2 n c ) 2 2 2(nw + mw辽宁工程技术大学硕士学位论文由于 m 为偶数，所以有谐波电流源 iabn 为.cos( x +mp2m2ia b n= -4ku d mm pmp ln (nw + mwc ) 2)(2.5)经过并联二重化之后， (4k + 2)n + n ，（ k = 0,1, 2.;n = ±1,± 3.）次谐波将会抵消，但是，四象限变流器网侧仍然会存在 4kn + n，（ k = 0,1, 2.; n = ±1, ±3.）次谐波。2.1.3逆变器逆变器的作用主要是将整流器输出的直流电转换成三相交流电，供牵引电机使用。而动车组中，通常采用 pwm 控制技术，调整逆变器输出的电压和频率。逆变器技术参数如表 2.2 所示。表 2.2逆变器技术参数tab. 2.2 inverter technology parameters