高速电气化铁路牵引站接入电网的电能质量环境分析

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1、高速电气化铁路牵引站接入电网的电能质量环境分析董诗琪（武汉大学电气工程学院湖北武汉４３００７２）摘要：高速铁路由于其运行速度快、运输容量大，是我国近几年重点发展的交通运输方式之一。然而高速铁路的接入将对电网造成一定程度的影响，为此对高速电气化铁路牵引站接入电网的电能质量环境进行分析具有重要的意义。首先详细阐述了相关电能质量标准，高速铁路牵引供电方式及负荷特征，然后详细研究了高速铁路负荷接入电网的电能质量环境，得出了高速铁路负荷接入电网的电能质量环境具有大量的谐波、非线性、冲击性与波动性等重要结论。.jyqks：总电流有效值，Ｉｎ：亦为有效值。谐波含量的定义

2、：谐波电流含有量等于各次谐波电流有效值平方和的根值，ＩＨ：电流的谐波含量，关于某一次谐波百分占比：第ｎ次谐波电流含有率表征各次谐波的比重，Ｉ１：基波电流有效值。电流谐波总畸变率：ＩＨ：电流谐波含量，Ｉ１：基波电流有效值。非正弦电路的有功功率：Ｕｎ：第ｎ次谐波电压有效值，Ｉｎ：第ｎ次谐波电流有效值，φn：第ｎ次谐波电压与第ｎ次谐波电流之间的相位差。非正弦电路的视在功率：非正弦电路的无功功率：φn：某一次电压及电流相间相位之差值。非正弦电路的畸变功率：Ｓ：视在功率，Ｐ：有功功率，Qf：无功功率，Qf描述系统里拥有相同频率，电压和电流存在无功量差值大小；Ｄ表示所

3、占比例大小。2.2谐波的危害对电网影响：由企业使用大范围大功率变频器、中央空调、节能灯具、ＵＰＳ等交直流转换电力电子仪器。由这些仪器使用而逆向送出高次谐波逆流汇流至高压供电网络，因供电网络固有的等效阻抗，流经的谐波电流会产生巨大的电压降，使得供电网远电源端电压降过大，往往拉低配电系统压降值，达不到终端企业和单位对电能质量需求；同时大量谐波电流进入电力系统，谐波电流扰动往往会使继电保护装置在无故障的情况下误动作，造成非计划大面积停电事故，这对供电部门和用户而言都将是巨大的损失。对生产设备的影响：谐波电流流入到生产设备，会严重威胁到设备的使用安全和寿命，因谐波

4、导致过低的供电电压，电机无法正常顺利启动，其启动电流值会大大超越正常启动电流，致使电机线圈发热极为严重，进而烧毁电机。对电容器的影响：在配电系统里，电容本体会受到谐波产生的各种危害。对线路影响：主要有能够对通道线路可靠性构成干扰威胁。2.3典型交直交电力机车各次谐波含有量交－直－交型传送型的动车谐诐频谱比较长，且含有的谐波次数都不高。已知ＣＲＨ２型列车组的奇次谐诐电流值都不大干２％。本次谐波计算依据典型交直交机车谐波电流含量和近期牵引变接入系统方案进行初步的谐波分析评估，待铁路部门提供详细的运行图和谐波特诐性测试结果后再进行校核。机车各次谐波含量参见表１。

5、交-直-交电流变化类型的牵引动车的谐波分布特点如下：（１）采用脉冲宽度调制的整流器，交－直－交型牵引列车与采用晶闸管技术整流的交－直型牵引列车相比，其注入系统的奇次谐诐电流仅为交－直型牵引列车的１/３～１/４，然而当谐波频率ｆ＞１５００Ｈｚ时，机车运行时注入电网的谐波明显增加。当频率较高时，难以通过滤波器有效滤除，这无疑成为电力系统中弱化谐波危害的难点之一。（２）四象限整流器会产生直流分量以及频率较高的谐波分量。二次谐波分量将使三相异步电动机电流产生脉动，特别是当逆变器输出频率与谐波频率相近时，将使异步电动机产生严重的三相电压不平衡。（３）谐波电流剧烈波动

6、，其幅值取决于馈线电流大小，且具有日周期性。2.4非线性由于电力机车的整流装置大量采用大功率电力电子器件，因此电铁负荷属于典型的电子开关负荷，其属性不是均匀线性变化的，将导致电压电流波形发生波形的畸变，造成大量谐波分量注入电网网架。当前谐波的注入已成为电铁负荷接入供电网络的一个重要电能质量指标。交－直－交电力机车由几个主要部件构成，其中包括车辆装载变压器、变流系统、用于电力机车的牵动型电动机等，其变流系统由电压型四个象限组合的脉冲整流仪、直流转换器和逆变器构成。已知接触网中电流为２５ｋＶ的单相工频交流，而机车的运行需要直流电供给，则可通过加装整流器得到。同

7、理可知逆变器的作用，即是把直流逆变成三相交流，且交流电的Ｕ和ｆ都是可以调节的，以驱动异步牵动型电动机。直流环节主要由二次谐波滤波器、支撑电容和过电压保护回路构成，用以维持中间直流电压恒定。３高铁列车的再生制动功能列车运行时需要从电网汲取功率，是将电能转换为机车前进的动能的能量守恒转化过程。然后再生制动过程即是正常运行过程能量转换的反过程，即机车前行中产生的动能转变为电能的过程。这部分电能可以直接输送到电网中去，为其他符合提供电能，或者使用储备装置先储存起来，以供不时之需。再生制动的开发可以充分利用电网供给的能量，当列车在刹车减速的过程中利用再生制动功能实现

8、耗能的最大优化，实现能源利用率以及经济性最优化。目前我国高铁机车基