6/201041
高速铁路对供电质量的影响及治理措施
周方圆，王卫安
（株洲变流技术国家工程研究中心有限公司，湖南株洲
412001）
摘 要：简述了高速铁路的供电原理及其负荷特性，分析了高速铁路对供电系统造成的负序和谐波等电能质量问题，在分析比较了国内外现有高速铁路电能质量治理的一系列措施的基础上，提出了高速铁路电能质量治理的新思路和新措施。
关键词：电能质量；高速铁路；负序；谐波；治理中图分类号：TM761 文献标识码：A
文章编号：1671-8410(2010)06-0041-05
Influence of High-speed Railway to Power Quality and its Governance Measures
ZHOU F ang-yuan, W ANG Wei-an
(Zhuzhou National Engineering Research Center of Converters Co., Ltd., Zhuzhou, Hunan 412001, China)
Abstract: The principles of traction power supply and the load characteristics are described briefly for high-speed railway. The powerquality problems such as negative sequence and harmonic on the power supply system caused by high-speed railway are analyzed. Then, theexisting measures of domestic and overseas power quality management for high-speed railway are introduced. Last, the new ideas and newmeasures for high-speed railway power quality control are proposed.
Key words: power quality; high-speed railway; harmonic; negative sequence; governance
0引言
自1964年10月，世界上第一条高速电气化铁路——
[1]
高速铁路有2876km 。目前，我国高速铁路运营里程已达世界第一，正在建设中的高速铁路还有1万多km 。
高速铁路由于采用单相供电方式，负荷为非线性和冲击性，因此对电网带来负序和谐波等电能质量影响，不仅对电网中其它设备造成不利影响，而且对自身运行的稳定性和可靠性构成威胁。随着我国高速铁路的蓬勃发展，高速铁路的电能质量问题需得到重视和关注。
日本东海道新干线建成通车以来，高速铁路以其运行速度快、运量大、安全舒适、节能环保、综合效益突出等无可比拟的优势，受到世界各国的瞩目和重视，发展十分迅速[2]。
《中长期铁路网规划》，掀起了2004年国务院批准了
我国发展高速铁路的高潮。“十一五”期间，我国共投资其中客运专线1.25万亿人民币建设1.7万km 铁路新线，
高速铁路7000km 。经过几年不懈努力，我国投入运营的高速铁路已达6920km ，其中，新建时速250~350km 的高速铁路有4044km ；既有线提速到时速200~250km 的
收稿日期：2010-09-02
作者简介：周方圆（1979-），男，工程师，主要从事中高压电能质量控制装置的开发与系统设计工作。
1高速铁路的供电原理
电气化铁道的牵引网供电方式主要有：BT （吸流
变压器）供电方式、（自耦变压器）供电方式和TR 直AT 接供电方式。由于高速铁路功率大，牵引网电流较大，因此一般采用功率输送能力最强的AT 供电方式，其典型的AT 供电系统如图1所示。
万方数据
图1
典型AT 供电系统图
Fig. 1
Structure of typical AT power supply system
牵引供电系统主要由牵引变电站、自耦变压器AT 、接触网T 、负馈线F 、钢轨R 与大地以及高速列车组成，供电系统电压为±25kV 交流制。牵引供电系统运行的基本原理为：牵引变电站为整个牵引供电系统提供电源，电流从牵引变电站流出，通过接触网给高速列车提供电能，然后通过负馈线流回牵引变电站。从功能上牵引供电系统可以划分为牵引变电站和牵引网两部分：（1）牵引变电站
牵引变电站将公用电网的三相交流电变换成适合高速列车使用的单相交流电，牵引变压器是牵引变电站的心脏，与传统的三相电力变压器相比完全不同，其专门针对牵引供电方式特点设计制造。目前高速铁路牵引变电站一般采用两台单相三绕组牵引变压器构成V/V接线形式。（2）牵引网
牵引网由接触网T 、钢轨R 与大地、负馈线F 及自耦变压器AT 组成。接触网架设在铁路上方，在钢轨上运行的高速列车通过受电弓与接触网摩擦受电，实现在快速移动中从牵引网获取电能。钢轨是高速列车运行的机械轨道，同时由于钢轨与大地都是非绝缘的，在高速列车运行的AT 段中，钢轨与大地中有牵引电流通过，因此钢轨是有电位的。
2高速铁路的负荷特性
高速铁路是一种特殊的大功率单相负荷，主要具
有负荷波动大、负荷量大、非线性和冲击性等特点。（1）负荷波动大
由于列车在运行中的加速、惰行、制动等各种状态以及线路坡度、弯道及气候条件等因素影响，且客流量分布在不同地区、不同时段也千差万别。所以，牵引变万方数据
电站接触网上的列车数量及每一列车的负荷状态随时都在变化，导致负荷波动大。
某高速铁路牵引变电站24小时内有功功率波动情况如图2所示。从功率曲线可以看出，高速铁路牵引变电站的负荷波动很大。
图2
牵引变电站有功功率曲线
Fig. 2
Active power waveforms of traction substation
（2）牵引功率大
由于空气阻力随速度呈几何级数增长，牵引力主要克服空气阻力运行，高速列车运行速度高，因此牵引负荷功率很大，约是普通铁路牵引负荷的3~5倍。如350km/h速度时，
列车运行所需功率最高超过24MW 。随着我国高速铁路技术的不断发展，运营速度还可能进一步提高，运营密度加大，牵引负荷功率亦将继续增大。
（3）非线性
高速列车采用交-直-交牵引变流器把牵引网的工频交流电经过整流逆变，转变为适合牵引电机工作的电能，这是一个非线性过程，因此不可避免的会产生谐波电流。（4）不对称性
由于高速铁路采用单相供电制，且牵引网两供电臂的负荷不可能完全保持一致，因此对于三相电网来说，属于不对称负荷，会产生负序电流，造成牵引变电站外接电网三相不平衡。
3高速铁路对供电质量的影响
高速列车采用交-直-交的PWM 变流技术，功率因
数一般大于0.95，而且谐波污染方面较以前的交-直机车有很大改善。但由于仍采用了大量整流、逆变等电力电子器件，因此不可避免地还会产生一定的谐波电流注入公用电网，且谐波的频谱及幅值与交-直机车不同。从测试数据看，高速列车主要产生13、20、21、22、24等较高次的谐波电流。
另外，由于高速铁路的不对称性将产生大量负序电流，导致供电网三相不平衡。因此，高速铁路对供电质量主要带来谐波和负序问题，加上高速铁路本身负荷功率大、冲击性大等特性，对电网的其它设备带来一些负面影响：
（1） 对变压器的影响
高次谐波电流在变压器绕组要产生附加损耗，该损耗相当大，除此之外还会引起外壳、外层硅钢片和某些紧固件发热，并可能局部过热，加速变压器的老化，影响其使用寿命。负序电流造成电网三相电流不对称，使变压器的额定有功输出不足，变压器容量利用率下降。（2） 对输电线路的影响
谐波使输电线网损增大，特别是在发生系统谐振或谐波放大的情况下，谐波网损达到更严重的程度。负序电流流过输电线路时，它并不做功，但是同样要产生电能损失，因此产生了附加损耗并降低了输电线路的输送能力。
（3） 对同步发电机的影响
谐波会导致发电机转子局部过热，国内曾发生过向高铁供电的发电机转子部件嵌装面过热受损的事故。负序电流会导致同步发电机的有功输出下降，产生附加谐振，造成定子各部分不均匀发热，引起转子表面发热。还会造成电动机端子三相电压不对称而使正序分量减小，引起定子电流的增加，造成各相电流的不平衡。如山西某风场与附近的高速铁路接入同一回220kV 电网，由于受高速铁路负序的影响，该风场风机因各相电流严重不对称从而频繁脱机，目前正考虑在风场的33kV 母线上加装平衡补偿装置来解决此问题。（4） 对继电保护和自动装置的影响
电力系统中存在大量以负序和谐波电流过滤为启动元件的继电保护和自动装置，例如同步发电机的负序电流保护装置，电力变压器的负序电压和谐波复合电压启动过流保护装置，母线差动保护的负序电压闭锁误动，输电线路的距离保护振荡闭锁保护装置等。当谐波和负序电流流入电力系统后，将使上述保护误动作，引起电力系统故障，从而增加了继电保护的复杂性，降低了继电保护的可靠性。
4高速铁路电能质量改善措施
高速铁路给电网带来的谐波和负序问题得到广泛
关注和重视，各国根据自身情况采取不同措施进行改善，取得了很好的效果。下面介绍目前几种常用的治理措施：万方数据
（1）大容量电网供电
采用高电压、大短路容量的电网给高速铁路供电，可以减小负序电流和谐波电流在输电线路上产生的电压降，从而减轻对供电系统的影响，否则容易导致负序电压和谐波电压畸变率超标。
法国、西班牙等国的牵引变电站都采用220kV 或以上的电压供电[3]，电力系统短路容量在10000MVA 左右，个别采用220kV 以下电压供电时，都要求有较大的系统短路容量。韩国采用154kV 电源供电，系统短路容量平均为8000MVA 。
我国110kV 电网的系统短路容量一般都较小，难以满足供电需要。铁路和电力部门在京津、武广、合宁等高速铁路工程供电的研究和协调中，已全部采用220kV 电源供电。（2）轮流换相
通过采用轮流换相，使同一电力系统供电的不同变电站产生的负序电流部分抵消，降低总体的负序电流水平。理论分析和实际运行都表明：采用完整的轮流换相后，注入系统的负序电流可以减小40%以上。
目前，法国所有牵引变电站在接入电力系统时，必须采用轮流换相，使不同变电站产生的负序电流部分抵消，降低总体的负序电流水平。意大利要求每个电力系统以不同的相序同时供给3个牵引变电站，如果3个牵引变电站的负荷相等，则系统侧看三相负荷基本平衡。另外，西班牙则通过科学安排列车的运行调度，以尽量使电力系统的三相保持平衡，从而减小负序电流[4]。
我国高速铁路也采用轮流换相方式接入电网，如武广客运专线牵引变电站全部采用轮换接线方式，牵引站相序按照(AB)→(-CA) …(-BC) →(AB)轮换。（3）采用独立电网
为了避免高速铁路对电力系统其它负荷的影响，德国的高速铁路全部采用独立发电系统和独立电网供电。（4）加装补偿装置
通常，在牵引变电站供电臂加装动态补偿装置（如SVC ）
，可起到滤除谐波、抑制电压波动、改善三相平衡度等作用。如，日本在新干线每供电臂加装了6000kvar 动态无功补偿装置；另外，还提出在牵引变电站高压侧加装动态补偿装置来实现负序治理和谐波治理，但受到高电压限制难以实现。
5高速铁路电能质量治理新思路
以上介绍的几种措施对高速铁路电能质量改善起
到了相当大的作用，各国都已经采取了一种或几种治
理措施。但要彻底消除高速铁路的负序和谐波电流对供电系统的影响，需研究一些新型的供电技术。5.1高压大功率多电平变换器供电技术[5]
采用交-直-交电压型多电平高压大功率PWM 变流技术来改善高速铁路对电力系统的影响，其原理如图3所示。电力系统接到牵引变电站的Y/△三相降压变压器输入端，通过变换器的三相整流变流器，经中间环节的直流支撑电容器滤波储能得到恒定电压，通过单相直—交逆变器，输出25kV 至接触网。
图3
变换器供电原理图
Fig. 3
Schematic figure of converter power supply
三相交流转变为单相交流的交-直-交变换器是电压型P W M 变流器，变流器采用可关断的高压大功率GTO 或IGBT 器件，
多电平是由中间支撑电容器串联对直流电压进行分压，再由二极管按一定规则箝位联接而形成的。整流及逆变环节均采用四象限的P WM 调节，不管是滞后或超前的无功电流都可得到彻底补偿，调节功率因数达到1。在多电平的各个GTO 或IGBT 的开关状态基础上，进行PWM 脉宽调制，这不仅使电压输出波形进一步接近正弦波，更重要的是输出的电流波形非常接近于光滑的正弦波形。
同时，多电平PWM 调制加上中间环节支撑电容器的滤波作用，能够减少电网的高次谐波成分。中间直流环节的支撑电容器可以保证牵引负荷不论是否发生不稳定与冲击，变换器输出电压一直保持稳定。此外，因变换器输出频率及相位可以调节为一致，各个牵引变电站供电接触网可以直接联网，没有换相无电隔离区问题，有利于机车运行操作。同时，再生制动的反馈能量经过中间直流环节和交—直侧四象限变换器调节后，输入到电网的电能质量同样是优质的。5.2同相供电技术
采用基于有源补偿装置的同相供电技术[6]，不仅可以实现三相平衡供电，而且可以实现谐波和无功综合补偿，其供电原理如图4所示。
有源补偿装置通过两个降压变压器连接到两供电臂，主要包括两个背靠背结构的单相电压型PWM 变流器和一个共用的直流支撑电容，直流电容给两变流器提供稳定的直流电压。两变流器通过输出电抗和单相万方数据
降压变压器连接到牵引变压器的2个二次侧供电臂，额定电压为25kV 。有源补偿装置的两个变流器控制为受控电流源实现四象限控制，不仅能够实现a 、b 相间有功功率的双向流动，平衡两相功率把负序电流降至最低，并且能对高速铁路的无功和谐波进行综合补偿。
图4
同相供电原理图
Fig. 4
Schematic diagram of cophase power supply
该技术最初源于日本学者率先提出的铁路功率调
节器（railway static power conditioner,RPC）[7]
，于2002年
在日本得到应用。我国一些高校也在对此技术进行大量研究，并取得一些科研成果，目前已在装置研制试验阶段。
5.3高压直流供电技术[8]
在目前的高速铁路牵引供电系统中，是先经过牵引变电站的单相变压器降压后，形成一个25kV 的单相工频交流电，通过接触网传输给电力机车，再由车载变压器降压并经过交-直-交变流器转换为适合牵引电机所需的三相交流电。供电流程如图5所示。
图5
单相工频交流供电流程图
Fig. 5
Flowchart of single-phase industrial frequency
AC power supply
而如果将牵引变电站牵引变压器降压后的25 kV单相工频交流电，经PWM 整流器变换为高压直流电，通过接触网传输，车载直—交逆变器和变压器把高压直流电变换为适合牵引电机工作的三相交流电，则牵引网上电能由交流传输转变为直流传输。其电能供电流程如图6所示。
图6
高压直流供电流程图
Fig. 6
Flowchart of high-voltage DC power supply
由于高压直流供电技术采用了PWM 整流方式，具有工作电流小，接触网结构简单，无负序、谐波、过分相等优点，对电网影响小。目前，在城市轨道交通中使用了直流供电方式，如我国香港地区的电气化轨道交通系统就是采用此方式。但要实现在高速铁路的应用，还必须突破直流输电容量和直流电压等级等瓶颈。
理措施，并加强电能质量的监测；
（4）应积极探索高速铁路电能质量治理的新思路，加快对同相供电、直流输电等新型供电技术的研究和投入。参考文献：
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6结语
高速铁路已经在全球掀起了建设高潮，特别是我
们国家今后还将大力发展。然而高速铁路对供电系统造成的负序和谐波等不利影响，作为电网用户有责任和义务去治理，以共同维护电网的安全、可靠运行。因此，在发展高速铁路的同时必须采取措施进行综合治理：
（1）加快制定专门针对高速铁路的电能质量标准；（2）在高速铁路设计和建设阶段，要对牵引变电站接入系统后的电能质量影响进行评估；
（3）坚持电能质量同步控制原则，综合采取多项治
（上接第40页）可灵活方便地构成背靠背VSC-HVDC
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系统。既可满足电网融冰抗灾的要求，当不需融冰时，又可用于中小容量的风力发电并网等特殊场合的柔性直流输电。
（2）该装置用于融冰时可采用简单的不可控整流直流融冰和具备较高电压输出能力的单位功率因数PWM 整流直流融冰两种方式。不可控整流直流融冰的4车并联带线路负载融冰试验、PWM 整流直流融冰和背靠背VSC-并达到了预期效果。HVDC 满功率试验均通过了验收，
（3）文中较详细地讨论了系统主电路结构、融冰应用时单位功率因数PWM 整流和恒流斩波的控制方法、输电应用时两端连接有源系统的串联型背靠背VS C-HVDC 的控制方法。
但该装置若要作为VSC-HVDC 的实际工程化应用还有待完善，需要进一步研究其主电路连接形式、控制和保护策略等。
万方数据
高速铁路对供电质量的影响及治理措施
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
周方圆， 王卫安， ZHOU Fang-yuan， WANG Wei-an
株洲变流技术国家工程研究中心有限公司,湖南,株洲,412001大功率变流技术
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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dglbljs201006009.aspx