高速鐵路供電系統諧波分析及抑制方法研究

1、碩士學位論文高速鐵路供電系統諧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作者姓名吳鐵成指導教師郭鳳儀教授學科專業(yè)電機與電器二 o 一二年十二月高速鐵路供電系統諧波分析及抑制方法研究吳鐵成遼寧工程技術大學關于論文使用授權的說明本學位論文作者及指導教師完全了解遼寧工程技術大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意遼寧工程技術大學保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱，學校可以將學位論文的全部或部

2、分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編本學位論文。保密的學位論文在解密后應遵守此協議學位論文作者簽名：_導師簽名：_年月日年月日分類號udcu225621.3學校代碼密 級10147公開碩 士 學 位 論 文高速鐵路供電系統諧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作者姓名吳鐵成指導教師郭鳳儀教授申請學位學科專業(yè)研究方向工學碩士電機與電器滑動電接觸理論遼寧工程技術大學致謝本論文是在

3、我的導師郭鳳儀教授的悉心指導下完成的，是他給了我如此好的研究課題，使我有機會更加深入的鉆研本專業(yè)的知識。郭老師淵博的知識、豐富的經驗、嚴謹細致、一絲不茍的作風使我受益匪淺；他循循善誘的教導和不拘一格的思路給予我無盡的啟示。在此謹向郭老師獻上最誠摯的敬意和深深地謝意！同時感謝陳忠華副教授，在課題的方案論證和設計期間給予了大力幫助，才能比較順利地完成課題工作。陳老師的滿腔熱情、虛懷若谷的高尚人格，傳道、授業(yè)、解惑、孜孜不倦的傳授我做學問的道理。對陳老師的幫助和支持表示感謝！感謝和同學們一起打造良好的學習團隊，營造良好的學習氛圍，在活躍和寬松的環(huán)境下完成學業(yè)。感謝鐵道部第三設計院接觸網所的專家對我論

4、文的斧正。最后感謝參與我論文評審和答辯的各位老師。摘要高鐵正成為大家出行的熱門選擇，高鐵在給大家?guī)矸奖憧旖莸耐瑫r，也帶來了很多負面的產物。作為電氣化鐵路的能量來源，牽引供電系統中諧波的危害已經越來越被關注。諧波不僅影響電力系統電能質量，同時影響牽引變壓器、機車電動機的使用壽命；還能造成自控系統的二次保護誤動作，影響動車組列車正常運行，造成晚點，影響公眾出行。此外，產生的諧波隨接觸網傳播加劇了對通信的干擾。因此對牽引供電系統中的諧波的來源、諧波成分進行分析，對其特性和抑制方法進行研究，具有重要意義。本文簡要概括了機車與接觸網對牽引供電系統中諧波的影響，介紹了一種優(yōu)化傅里葉算法，用于分析牽引供電

5、系統中的諧波；通過在不同條件下對高密牽引變電所諧波的測量，對其成分和特點進行了細致的分析，發(fā)現諧波含量不隨牽引負荷的增加而增加，在電流合成效應下，隨著動車組的增加而呈現減少趨勢。在此基礎上，提出了諧波抑制的方法；并介紹了 at 所自耦補償和一種混合有源濾波器，并在營口變電所進行了諧波參數、諧波抑制效果的測試。通過對測試結果進行分析，驗證了其合理性，為以后進一步深入研究提供了參考。關鍵詞：諧波分析；動車組；混合有源濾波器；諧波抑制（國家自然科學基金資助項目，項目編號： 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 -目錄摘要 . iabstract . ii1 緒論 . 11.1 課題研究的背景及意義 .11.1.1 問題的提出 . 11.1.2 研究的意義 . 21.21.3供電系統諧波研究的國內外現狀 .2本論文的主要內容及章節(jié)安排 .42 高鐵供電系統的諧波分析及危害 . 62.1 牽引供電系統的諧波分析 .62.1.1 接觸網 . 62.1.2 變流器 . 82.1.3 逆變器 . 102.2 諧波成分測量 . 122.2.1 濾波器法 . 122.2.2 傅里葉法 . 1

13、32.2.3 優(yōu)化傅里葉法 . 142.3 高密變電所諧波的測試分析 . 152.4 高鐵供電系統諧波危害 . 192.4.1 諧波對機車電動機的影響 . 192.4.2 諧波對接觸網的影響 . 212.4.3 諧波對牽引變壓器的影響 . 212.4.4 諧波對二次保護設備和計量表的影響 . 213 諧波抑制方法 . 323.1 國家諧波標準 . 323.2 接觸網諧波抑制 . 333.2.1 at 所自耦補償 . 34- iii -3.2.2 并聯電抗器 . 363.3 混合有源濾波器的設計 . 383.3.1 無源濾波器組 . 403.3.2 線性電抗器 . 423.3.4 注入支路濾波器

14、 . 423.3.5 耦合變壓器 . 433.3.6 輸出濾波器 . 443.3.7 有源電力濾波器 . 444 抑制效果測試 . 454.1 測試地點 . 454.2 測試參數 . 454.3 測試方法 . 454.4 測試結果 . 46結論 . 54參 考 文 獻 . 55作 者 簡 歷 . 57學位論文原創(chuàng)性聲明 . 58學位論文數據集 . 59- iv -遼寧工程技術大學碩士學位論文1緒論1.1課題研究的背景及意義1.1.1問題的提出1960 年我國第一條電氣化鐵路寶成線建成，標志著我國進入電氣化鐵路時代。歷經60 多年的學習與艱難探索，同時伴隨著科技的日新月異與工業(yè)產業(yè)化的突飛猛進，

15、我國電氣化鐵路及電力機車從無到有、從時速 30 公里到京滬高鐵動車組重聯沖高試驗時速 486.1公里、從低噸位到大秦鐵路的萬噸重載的不斷進步，電力機車從韶山系列到今天的 crh380系列動車組的在線運行，無不實現了飛躍?；仡櫚l(fā)展的歷史，寶成線是值得一提的，因為開創(chuàng)了歷史。1998 年哈大線第一次引進 re200 的德國西門子技術，應該說是一場階段性的革命，也讓鐵路人看到了與國外發(fā)達國家真正的差距，但這條電氣化線路受軌道狀況的影響，開通運營速度只達到了時速 120 公里。2002 年開工建設的秦沈客運專線是我國對客專領域的又一次探索，在全國第六次鐵路大提速后開創(chuàng)了我國鐵路運營速度的先河，實現了時

16、速 250 公里的在線運行。嚴格意義上講，秦沈客運專線是我國第一條客運專線，也為我國開工建設時速 300 公里以上高速鐵路積累了寶貴經驗。高速電氣化鐵路(high speedelectric railway)是行車速度在 200km/h350km/h 的電氣化鐵路。國際上一般將鐵路行車速度在 100km/h 及以下者稱為常速，在 200km/h 以下稱為快速或準高速，在 200km/h 以上至350km/h 者稱為高速。其中日本新干線 1952km，法國 tgv 1282km，德國 ice 427km，意大利 etr 237km，西班牙 ave 471km1。高 速 鐵 路 近 幾 年 的 發(fā)

17、 展 方 興 未 艾 ,2010 年12 月 4 日 ,在 京 滬 高 速 鐵 路 試 車 的 過 程 中 跑 出 了 486.1 公 里 /小 時 的 頂 級 速 度 。雖 然 經 歷 了 7.23 事 故 以 后 ，對 于 高 速 鐵 路 的 建 設 與 發(fā) 展 影 響 巨 大 ，也 引 起 了 高鐵 領 域 學 者 的 進 一 步 思 考 和 研 究 。這 也 是 在 急 速 發(fā) 展 的 過 程 中 的“ 震 蕩 調 整 ”，我認為隨著高鐵技術的日臻完善，高鐵事業(yè)仍然具有強大吸引力 ，仍然是公共交通中努力發(fā)展的方向。大家在享受電氣化鐵路高效、運能、環(huán)保、快速、舒適的同時，電氣化鐵路供電系

18、統產生的諧波也正在危害著供電系統自身的設備及上一級電網的運行安全。2010 年 12 月 10日，在太中銀鐵路山西段發(fā)生一起牽引變電所跳閘事故，引發(fā)了上一級 220 千伏變電所跳閘。經調查，在吳城至呂梁區(qū)間上行供電臂上兩輛電力機車同時啟動，由于此區(qū)間線路坡- 1 -遼寧工程技術大學碩士學位論文度很大，就造成了電力機車長時間的以大電流的方式向接觸網取流。峰值電流達到了1200a。造成了吳城變電所的跳閘。吳城變電所牽引變壓器的整定電流是 1000a，以上所述而言，吳城變電所跳閘無可厚非，屬于正常的過流保護跳閘。但是，引起上一級 220 變電所跳閘就不正常了，作為上一級的變電所，它對鐵路供電臂的整定

19、電流大于 1500a,瞬間產生的大電流對它不能造成影響。諧波的產生是造成此次事故的直接原因之一，重載的電力機車在坡道啟動的時候，由于需要很大牽引力，會造成電力機車在鋼軌上打滑，從而引起電力機車會很大幅度的震顫，造成受電弓的離線，在瞬間高頻次的離線，就會產生諧波，對電網造成很大的危害。鑒于此，很多省市、自治區(qū)國家電網在電氣化鐵路開通送電之際，都會向鐵路建設部門收取高額的高可靠供電費及諧波治理費用。高速鐵路每個供電區(qū)段都很長，一般要達到 60 公里以上，在這樣的區(qū)間里三輛動車組啟動運行是常態(tài)化的。電氣化鐵路供電系統存在自然功率低且負載具有非線性和波動性等特點。在電力機車運行過程中隨著線路坡度、啟動

20、和制動等不同運行條件而劇烈變化，會對電網的動態(tài)的無功補償造成影響。1.1.2研究的意義本課題研究的意義在于，深入分析動車組列車、接觸網及牽引變電所在運行中產生的諧波的特點，針對各種設備的特點，抑制諧波對電網的危害。從而達到保護上一級變電站的正常運行。將高鐵整個供電系統的諧波產生抑制在可控范圍之內，使得高鐵供電系統及上一級電網安全、高效、環(huán)保、高質量的運行。1.2供電系統諧波研究的國內外現狀對諧波的分析及抑制方法的研究已經進行了幾個世紀了，對其的研究大體上分為四個方面，一是諧波產生的機理研究；二是諧波譜的分析及其次生災害；三是如何補償和抑制諧波；四是諧波參數的測量和諧波抑制標準的研究。諧波主要是

21、由于用電設備的非線性特性造成，如單相負荷、it 行業(yè)和辦公設備中大量使用的開關式電源(smps)、電弧式負荷包括電弧熔爐、弧焊設備、公共照明系統中大量使用的熒光燈負荷等。圖 1.1 為典型的計算機負荷的負荷特性(示意)。可見該類設備呈現出非常明顯的非線性特性，電流畸變情況非常嚴重，包含大量的諧波成分。將畸變的非正弦信號分解為各諧波成分的工具是傅里葉變換2。通常的分析表明各諧波成分呈現如下特性：- 2 -遼寧工程技術大學碩士學位論文(a)圖 1.1fig. 1.1計算機負荷的負荷特型the computer load typecast(b)偶次諧波，如 2、4 次諧波等，將造成畸變的波形在正負半

22、周內波形不對稱。奇次諧波，如 5、7 次諧波等，不改變畸變波形在正負半周內的對稱性。通常的線電流中不包括 3、9 次等 3 的倍數次諧波，但在有中線的系統中中線流過大量這類諧波。諧波通常造成很高的波形因子(crest factor)。波形因子是波形峰值與有效值的比值。過高的波形因子將造成變壓器必須以低于額定容量的方式工作。用電設備的非線性特性產生的諧波電流在系統中引起諧波電壓，降低了系統的電壓質量，并帶來其它危害，如造成保護誤動、損耗增加、變壓器和線纜降容量使用等。近年來，隨著靜止變頻器、周波變流器、異步電動機和電弧發(fā)生裝置的使用，產生了所謂的次諧波和間諧波對電動機造成的損害遠大于普通的 3、

23、5 次諧波，會嚴重影響電機的使用壽命，造成重大經濟損失。諧波問題不僅是傳統意義上電氣問題、它嚴重的危害了國家電網電能質量，而解決起諧波問題來也非常棘手3,4。抑制諧波是大家比較關注的課題，抑制諧波的方法有兩種，事前控制(預防)和事后控制(補償)。第一方面對諧波產生設備進行升級改造，降低設備的諧波輸出。比如電力機車增加晶閘管濾波，提高接觸網的品質，降低離線率，提高電力機車取流的穩(wěn)定性等。事后控制(補償)，也就是安裝有源濾波器，來清除供電系統中的諧波。例如在接觸網供電臂的中段增加 at 所，以提高系統供電質量(這屬于輸電線路范疇)，在變配電所串并入大功率電容、電抗來實現補償。目前看來，并聯補償還是

24、抑制諧波最為行之有效的技術手段之一。- 3 -遼寧工程技術大學碩士學位論文電力系統諧波并聯補償有無源濾波器(lc 濾波器)、有源電力濾波器(apf)和混合型濾波器。并聯補償在電力系統中應用的主要目的是：提高電力系統的安全穩(wěn)定性、供電可靠性和運行效率，同時改善供電系統的電能質量。電力系統并聯補償設備可以按照不同的標準進行分類5-10。按照并聯補償設備輸出功率的性質可以分為：1有功和無功功率并聯補償設備，如抽水蓄能電站、飛輪儲能系統、smes 及 bess，其中后者屬于 ssg 類型的 facts 控制器；2無功功率并聯補償設備，如同步調相機、可投切電抗器、svc，statcom，apf 等；3有

25、功功率并聯補償設備，如 tcbr。按照補償對象的不同，無功補償技術的設備可分為負荷補償和系統補償兩類。負荷補償通常是指在用戶內靠近負荷處對單個或一組負荷的無功功率進行補償，其目的是提高負荷的功率因子，改善電壓質量，減少或消除由于沖擊性負荷、不對稱性負荷和非線性負荷等引起的電壓波動、電壓閃變、三相電壓不平衡及電壓和電流波形畸變等危害。系統補償通常是指對交流輸電系統進行補償，目的是保持電網樞紐點處的電壓，減少壓降，使系統處于穩(wěn)定狀態(tài)，降低線損，增強線路的送電能力和優(yōu)化無功潮流等。按照應用系統的不同，并聯補償設備還可以分為輸電系統并聯補償和配電系統并聯補償設備，前者主要是保證輸電系統安全穩(wěn)定性和提高

26、傳輸能力，而后者主要是維持節(jié)點電壓，保障用戶的供電可靠性和電能質量等。此外，還可以按照并聯補償設備的電壓等級分為低壓并聯補償設備，中壓并聯補償設備與高壓并聯補償設備等；按照并聯補償設備的響應速度的分為慢速型、中速型以及快速型設備等。1.3本論文的主要內容及章節(jié)安排本文旨在分析高速鐵路供電系統中的諧波，研究其特點以及抑制諧波的有效方法。圍繞這一主題，本文將完成以下主要內容：(1) 牽引供電系統中諧波產生的來源；(2) 對高速鐵路供電系統中諧波的有效分析方法進行探討，并對系統中產生的諧波波譜分析；(3) 對系統中諧波的抑制方法進行研究。- 4 -遼寧工程技術大學碩士學位論文在本文中各章節(jié)的主要任務

27、安排:第一章緒論部分簡要的闡述了本文的學術研究背景，課題的理論依托及其實際意義，本課題的立意及研究方向。第二章主要介紹高鐵牽引供電系統的組成，然后分析了在供電系統中各組成部分的諧波，探討了諧波對系統各部分的危害。對高密變電所的諧波進行測試，分析，總結其中的規(guī)律及特點。第三章主要介紹了諧波的抑制方法，介紹了一種混合有源濾波器。第四章對諧波的抑制效果進行測試，對測試結果進行簡要分析。- 5 -遼寧工程技術大學碩士學位論文2 高鐵供電系統的諧波分析及危害2.1牽引供電系統的諧波分析牽引系統主要由接觸網、受電弓、主斷路器、牽引變壓器、牽引變流器及牽引電機組成，工作原理如圖 2.1 所示。受電弓通過電網

28、接入 27.5kv 的高壓交流電，輸送給牽引變壓器，降壓成 1770v 的交流電。降壓后的交流電再輸入牽引變流器，逆變成電壓和頻率均可控制的三相交流電，輸送給牽引電機牽引整個列車。動車組有兩個相對獨立的主牽引系統，一個單元是三輛動車和一輛拖車組成一個動力單元，另一個單元是兩輛動車和兩輛拖車組成一個動力單元。正常情況下，兩個牽引系統均工作，當一個牽引系統發(fā)生故障時，可以自動切斷故障源，繼續(xù)運行。ac25kv受電弓牽引變壓器單相ac1770v牽引電機三相交流電牽引變流器圖 2.1牽引系統工作原理示意圖fig. 2.1 the diagram of traction system working p

29、rinciple2.1.1接觸網接觸網是特殊形式的輸電線路，高速鐵路的接觸網一般采取 at 供電方式，主要有懸掛系統，(腕臂、承力索及接觸線)，補償系統(af 線)、回流保護系統(pw 線、接地線)及各種設備組成。其作用主要是向動車組提供動態(tài)的電能。動車組列車通過受電弓滑板與接觸線接觸取得電能。受電弓與接觸網構成的系統統稱為弓網系統，它是動車組的受流方式之一11。世界上大多的高速鐵路采取這種供電方式。弓網系統中很多參數對于動車組受流有影響，其中典型的有接觸壓力、離線率、接觸網系統彈性補償狀態(tài)等。- 6 -遼寧工程技術大學碩士學位論文(1) 接觸壓力不均勻系數其表達式為：c h =1nni =1

30、ni =1i maxi max- fi min )+ fi min )(2.1)式中： n采樣點數；fi maxf最小值。接觸壓力不均勻系數可以評判動態(tài)過程中接觸力的變化狀態(tài)及弓網的匹配效果與性能。接觸壓力對離線率和弓網受流狀態(tài)的都有很大影響。(2) 接觸懸掛的彈性系數及彈性差異系數接觸網的彈性也會影響受流質量。高鐵接觸網一般采用彈性鏈形懸掛，以增大接觸線的補償，接觸網的彈性均勻連貫，即彈性差異系數要小。平均彈性系數和彈性差異系數分別表示接觸懸掛彈性性能及均勻程度，其表達式為：平均彈性系數：彈性差異系數：式中：k = (kmax + kmin ) / 2e = (kmax - kmin ) /

31、( kmax + kmin )(2.2)(2.3)k max、 k min 分別表示檢測或指定跨距內的彈性系數的最大值及最小值。(3) 離線率離線是弓網配合工程中的錯誤狀態(tài)，會對受流造成嚴重后果，離線率是評判受流關系的重要數據12,13。一般以離線時間來衡量，也有以水平沖擊力作為衡量依據的。 在接觸網專業(yè)俗稱為接觸網硬點。通常將 10ms 以下的離線稱為可忽視離線，10100ms 為需要克服的缺陷，大于 100ms 時為不可容忍離線。從受電弓方面看，當列車運行速度增大至200km/h 以上時，受電弓產生垂直方向的加速度，會引起接觸線的振動，如果接觸網系統彈性補償狀態(tài)差的話，會造成離線。離線率為

32、運行期間弓網脫開時間與運行時間的百分比：- 7 - (f (f、 i min 分別為相鄰定位點間或某一個檢測區(qū)段采樣點處的接觸壓力的最大值和遼寧工程技術大學碩士學位論文s = t 100%t(2.4)式中：s 為離線率；t 離線時間(即運行時間內各次離線時間總和)；t 為運行時間。弓網離線時，接觸網導線與受電弓滑板相當于一個棒一板電極，在高電壓的作用下，接觸網導線與受電弓滑板之間產生很強的電場，在強電場的作用下，弓網電極間的氣隙被擊穿，發(fā)生氣體放電，形成電弧。弓網電弧導致牽引電流電壓的波形形成畸變，產生諧波，甚至是偶次諧波。2.1.2變流器阿爾斯通動車組（crh5）采用兩電平四象限變流器供電(

33、并聯二重化)，每輛動車上由兩組并聯；之后接兩組牽引逆變器，各自帶一電機，其主電路如圖 2.2 所示。一個主變壓器帶六組副邊，分別為能量儲放通過變壓器漏感來完成；直流側支撐電容 9.01mf，無二次吸收回路。ksaz2*ksaz1*ta2ta1圖 2.2主電路結構smtcdccrisrdcrristv1tv2fig. 2.2 the structure of main circuit四象限變流器技術參數圖如表 2.2 所示。表 2.1四象限變流器技術參數tab. 2.1 four quadrant converter technology parametersigbt 電壓igbt 絕緣電壓ig

34、bt 電流每臂的并聯 igbt/二極管數量冷卻方式- 8 -6500v / 600a9.5kv600a2水循環(huán)冷卻遼寧工程技術大學碩士學位論文i1nl1nintri1sl1s+inun+-i2sl2su1ab-un+-i2n l2n+u2ab+ku1ab-ku2ab-圖 2.2 crh5 機車網側等效電路fig 2.2 equivalent circuit for crh5 in catenary sidecrh5 四象限變流器網側等效電路如圖 2.2 所示14。對于并聯二重化來說，每個四象限變流器各分配網側功率的一半，兩個四象限變流器的三角載波相位相差 pi 2crh5 機車網側諧波模型如圖

35、 2.3 所示。inin+p2，即un-l1ni1abnl2n i2abnun-lniabn圖 2.3 網側諧波模型fig2.3 harmonic model in catenary side諧波電流源 iabn 為iabn = i1abn + i2abn=-4ku d mm p mpj n ( )cosc onsw(t + mwct + nb + ma1)-4ku d mm p mp mpj n ( )cos- 9 -)a 2 1 = 2- al1n = l2 n n= 2li1n 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遼寧工程技術大學碩士學位論文由于 m 為偶數，所以有諧波電流源 iabn 為.cos( x +mp2m2ia b n= -4ku d mm pmp ln (nw + mwc ) 2)(2.5)經過并聯二重化之后， (4k + 2)n + n ，（ k = 0,1, 2.;n = 1, 3.）次諧波將會抵消，但是，四象限變流器網側仍然會存在 4kn + n，（ k = 0,1, 2.; n = 1, 3.）次諧波。2.1.3逆變器逆變器的作用主要是將整流器輸出的直流電轉換成三相交流電，供牽引電機使用。而動車組中，通常