张 策，刘 莉，王 达，尹 博，赵文静

(沈阳工程学院 电力学院，辽宁 沈阳 110136)

电气化铁路具有运输能力大、行驶速度快、工作条件好等特点，给国民经济带来了巨大的经济效益，在全世界得到了广泛的关注。电气化铁路的优点固然很多，但是由于电气化铁路属于一种比较特别的电力子系统，而且作为一种单相整流或逆变负荷的大功率电力机车会通过牵引供电系统向电力系统中注入较大且波动性很大的谐波电流以及负序电流，当这些电流被注入到电网后，不仅会降低电力系统的供电质量，还会危及整个电力系统的供电安全问题。

文献[1-2]介绍了SS1和SS4型电力机车的谐波电流计算方法。文献[3]介绍了电力机车的各次谐波电流概率分布的计算方法。文献[4]提出了一种韶山SS4型电力机车的动态模型，并介绍了不同规模数量的电力机车接入电网后随机产生的谐波电流分布函数的计算方法，结合控制调节系统分析了影响电力机车产生谐波电流的主要因素。文献[5]推导了多辆电力机车运行条件下电气化铁道牵引变电所谐波电流计算公式，考虑牵引负荷主要的随机因素，利用蒙特卡罗法得到牵引变电所高压母线全天24小时和谐波电流的概率分布和统计特性。文献[6]在建立了电力系统多导体传输线模型的基础上，结合牵引网等值电路的自身特点，利用多导体降阶方法，并通过电力系统电磁暂态仿真平台建立了牵引网的谐波模型。

采用某高速客车的典型数据，对牵引网中的谐波电流放大现象和规律进行了仿真分析和验证。

利用电力电气软件分析系统ETAP建立了区域电网仿真模型，进行谐波仿真潮流计算，根据仿真得到的数据，分析了电气化铁路对电网产生谐波的影响因素以及加装滤波装置后对谐波产生的抑制效果。

1 电气化铁路牵引供电系统基本原理

电气化铁路是由牵引供电系统、机务系统以及电力机车组成的一种通过轨道进行运输的交通方式。其中，电力机车作为电气化铁路最主要的牵引动力，由于电力机车的驱动需要大量的电能，因此，牵引供电系统主要为电力机车提供所需的电能。牵引变电所和接触网是牵引供电系统最主要的两个部分，电力系统将电能输送到牵引变电所，这些电能经过牵引变电所的转换后被输送到沿铁路线布置的接触网中，接触网通过与电力机车受电弓的接触，将电能供给电力机车[7-8]。牵引供电系统如图1所示。

图1 牵引供电系统

牵引供电系统主要电流制式有4种，分别是直流制、低频单相交流制、单相工频交流制和三相交流制。牵引网的供电方式有以下4种：

1)直接供电方式。直接供电方式包括正常供电方式以及事故供电方式(越区供电)。其中正常供电方式分为单边供电和双边供电。

2)吸流变压器-回流线装置BT供电方式。吸流变压器原边串入接触网，副边串入沿铁路架设的回流线，回流线悬挂在接触网外侧的横担上。缺点是电力机车在吸流变压器附近时防护效果差，使牵引网阻抗增大。

3)自耦变压器(AT)供电方式。AT供电方式由接触网、正馈线、自耦变压器以及轨道大地系统组成。缺点是必须在沿线安装大容量、高电压的自耦变压器，大幅度增加了牵引网的设备投资。

4)带回流线的直接供电方式。该供电方式主要有接触网、钢轨、沿全线架设的负馈线组成。由于该供电方式的馈电回路和设备简单、投资小、维护方便，并且具有较好的防干扰效果，因此得到了广泛的使用。

牵引变压器作为一种核心设备，接线方式的不同会在不同程度上影响变压器的性能以及电气化铁路产生的谐波电流。根据《铁路电力牵引供电设计规范》(TB 10009-2005)规定，牵引变压器宜采用单相接线，也可采用三相V/V或V/X接线、三相-两相平衡接线(包括SCOTT接线及阻抗匹配平衡接线等)、三相接线(包括YNd11及YNd11d11十字交叉接线)等其他能满足供电要求的接线[9]。

2 潮流计算

将电力系统的发电机、变压器、输电线、综合负荷和牵引供电系统的牵引变电所都表示成相应的三相谐波导纳矩阵后，就可构成全系统的三相谐波模型。采用潮流计算方法，该方法是将基波与谐波部分解耦，在计算过程中仅仅考虑低次谐波对基波的影响，该算法的基本流程如下所示：

2)将波次较低的节点基波电压代入谐波源模型公式：

(1)

(2)

3 局部辽西电网电气化铁路谐波分析

3.1 电气化铁路网络构建及谐波负荷模型的建立

潮流计算是项目研究的基础，对电气化铁路谐波的分析以及治理措施的研究都是建立在此基础上。根据辽西电网的情况，用ETAP软件构建了辽西电网网络计算仿真系统，如图2所示。

图2 局部辽西电网ETAP仿真系统

利用ETAP仿真软件搭建电气化铁路谐波负荷模型，如图3所示。不平衡的电气化铁路负荷会给供电系统带来严重的三相谐波电流幅值不相等的问题，对相关的国家电网公司和铁路机构提供的动车(CRH3型)谐波特性进行分析、模拟可得各次谐波电流的含有率，如图4所示。

图3 电气化铁路谐波负荷模型

图4 谐波电流含有率

3.2 谐波及抑制措施分析

3.2.1 电气化铁路在系统接入点注入的谐波电流

以辽西电网中某区域电网为例进行仿真分析，变压器采用V/V接线。均采用220 kV电压等级直接接入系统，采用CRH3高速动车组。

根据V/V接线牵引变压器的谐波变换模型，得到220 kV侧的各次谐波电流；由于电铁负荷的不平衡特性，变换到220 kV侧的各相谐波电流是不同的，选取最严重的一相数据，分析最严重的工况下各牵引站注入系统的谐波电流情况。

对各牵引站注入系统的各支路谐波电流分别进行分析，如图5、图6所示，并选取特征次数谐波电流值与国家谐波标准中规定的谐波电流限值进行比较如表1所示。

图5 流过各支路的各次谐波电流频谱

图6 流过各支路的谐波电流波形

谐波次数流过亲黑线流过北水线流过北青线流过北双线允许值/A31.0890.5543.011.2582.5650.09230.0900.3560.1582.5670.0580.0660.1890.0558.48110.0810.1220.1940.0536.98130.0200.3600.4160.2031.82150.1850.2360.3450.1516.34170.0380.1040.0440.1024.08

综合仿真所得到的谐波电流数据，可以看出由牵引站产生的谐波电流虽然先逐渐减小再逐渐增大，但是谐波电流值都没有超出国家标准的允许值。由图5可以看出奇次谐波的电流值相对于偶次谐波的电流值要大得多，因此偶次谐波电流可以忽略不计。对于奇次谐波电流来说，表1中列举的谐波电流为奇次谐波中比较严重的谐波，观察谐波电流频谱图可以发现3次和13次谐波电流的峰值相较于其他次谐波来说最为突出。谐波电流值会随波次的增加逐渐接近允许值，由此可见，高次谐波对牵引供电系统及电力系统的影响更大。

3.2.2 电气化铁路在系统接入点产生的谐波电压

对辽西某区域电网各个牵引站引起供电变电站的谐波电压进行仿真计算，由于每个牵引站都会使公共连接点产生谐波，如图7和图8为仿真所得到的各次谐波电压频谱图以及电压波形图，通过仿真得到的各变电站产生的谐波电压含有率，总谐波畸变率见表2所示。

图7 各变电站各次谐波电压频谱

图8 各变电站各次谐波电压波形

综合仿真所得到的谐波电压数据，由表2可以看出北宁220 kV母线的THD满足国家标准的规定要求(不超过2%)，各变电站的各次谐波电压的含有率也满足国家标准的规定要求(不超过1.6%)。由仿真图可知谐波电压在一段时间内即会出现峰值也会出现谷值，具有波动性，且牵引站的谐波特性也会影响着公共连接点，使其波动特性发生改变。由图7可以看出3次谐波电压峰值相对于其他次谐波电压峰值来说很高，严重影响了牵引供电系统及电力系统的运行。

表2 各变电站谐波电压含有率及总谐波畸变率THD/%

3.2.3 无缘滤波器的滤波作用

以在友谊牵引变电站一侧并联滤波装置为例，采用单调谐滤波器，接入220 kV双台子变电站，对比滤波器投入前后双台子变电站母线电压变化。如图9、图10和表3所示。

图9 滤波器投入前，双台子变电站母线谐波电压频谱

由表3可看出投入滤波器后，总谐波畸变率减小，对电网的谐波影响起到改善作用。通过图9和图10的对比可以看出，3次谐波大大减小，印证了单调谐滤波器用于滤除某一特定频率的谐波的这一特性效果明显，然而其他高次谐波电流含量增大证明了此类型无源滤波器只能在一定程度上抑制某种谐波的产生。

图10 投入3次滤波器之后，双台子变电站母线谐波电压频谱

公共连接点滤波前THD/%滤波后THD/%北宁2200.190.11双台子站0.220.08水泉站0.280.22青堆子站0.230.15黑山站0.280.21

4 结 论

首先，介绍了电气化铁路牵引供电系统的基本原理；其次，介绍了仿真过程中针对谐波问题求解的潮流计算方法；最后，利用ETAP仿真软件建立了区域电网仿真模型，进行谐波潮流计算。对仿真结果进行分析，可以发现：电气化铁路对电网产生的偶次谐波电流较小，奇次谐波电流较大，各奇次谐波中3次和13次谐波电流的峰值相较于其他次谐波来说最为突出。谐波电流值会随波次的增加逐渐接近允许值，由此可见，高次谐波对牵引供电系统及电力系统的影响更大。谐波电压在一段时间内即会出现峰值也会出现谷值，具有波动性，且牵引站的谐波特性也会影响着公共连接点，使其波动特性发生改变。另外还对无源滤波器的滤波作用进行了仿真，可看出投入滤波器后，总谐波畸变率减小，对电网的谐波影响起到改善作用，但只能在一定程度上抑制某种谐波的产生。

[1] 武 中，王志刚，宋述勇，等.电气化铁道牵引变电所对电力系统影响及治理的仿真研究[J].中国电机工程学报，2011，31 (s1)：77-82.

[2] 邵鹏飞，罗隆福，宁志毫.感应滤波技术应用于工业定制电力系统的运行经验分析[J].电力自动化设备，2011，31(4)：59-63.

[3] 李建华，韩 奕，黄石柱，等.韶山Ⅰ型电力机车概率谐波电流计算[J].电力系统自动化，2000(14):16-20.

[4] 韩 奕，李建华，黄石柱，等.SS4型电力机车的动态模型及随机谐波电流计算[J].电力系统自动化，2001(4)：31-36.

[5] 孟金岭，肖 勇，王 文，等.适用于高速电气化铁路的低成本电能质量综合补偿装置[J].电力系统保护与控制，2013，41(14)：73-80.

[6] 张 杨，刘志刚.基于电磁暂态分析的高速铁路牵引网谐波模型及谐波特性分析[J].电网技术,2011,35(5):70-75.

[7] 胡斯佳，张志文，李 勇，等.一种绕组补偿式电气化铁道电能质量控制系统[J].中国电机工程学报，2014，34(13)：2140-2150.

[8] 曹 阳.基于同步检测法的高速铁路牵引网谐波抑制研究[J].沈阳工程学院学报：自然科学版，2015， 11(2)：141-145.

[9] HORITAY， MORISHIMAN， KAIM， et al.Single-phase STATCOM for feeding system of Tokaido Shinkasen[C]∥Proceedings of IEEE Conference on IPEC.Sapporo， Japan ： IEEE，2010 ： 2165-2170.