电气化铁路电能质量问题

电气化铁路对电网电能质量的影响及治理措施

1.电气化铁路带来的电能质量问题

电气化铁路是当前我国重点发展的交通方式，它可以提高铁路运输能力、改进铁路运营，同时也有利于实现资源的合理分配、降低运营成本、保护生态环境等，因此，和其它牵引方式相比，电气化在铁路运输中显示出无可比拟的优越性。国务院批准的《中长期铁路网规划》明确，到2020年，我国铁路总里程将达到100000km，其中电气化铁路为50000km，铁路电气化率约为50％，承担的运量比重在80％以上。

电气化铁路由接触网、铁道及电力机车构成，当然还包括各运行机构、指挥自动化系统及其他相关部分。和传统的蒸汽机车或柴油机车牵引列车运行的铁路不同，电气化铁路是指从外部电源和牵引供电系统获得电能，通过电力机车牵引列车运行的铁路。它包括电力机车、机务设施、牵引供电系统、各种电力装置以及相应的铁路通信、信号等设备。它具有下述优点：可广泛利用多种一次能源功率大；速度高；效率高过载能力强运输成本低无烟气排放污染；可靠性好不受外界条件限制在山区和高寒地区电力机车功率发挥更好。电气化铁路的牵引动力是电力机车，机车本身不带能源，所需能源由电力牵引供电系统提供。牵引供电系统主要是指牵引变电所和接触网两大部分。变电所设在铁道附近，它将从发电厂经高压输电线送来的电流，送到铁路上空的接触网上。接触网是向电力机车直接输送电能的设备。沿着铁路线的两旁，架设着一排支柱，上面悬挂着金属线，即为接触网，它也

可以被看作是电气化铁路的动脉。电力机车利用车项的受电弓从接触网获得电能，牵引列车运行。牵引供电制式按接触网的电流制有直流制和交流制两种。直流制是将高压、三相电力在牵引变电所降压和整流后，向接触网供直流电，这是发展最早的一种电流制，到20世纪50年代以后已较少使用。交流制是将高压、三相电力在变电所降压和变成单相后，向接触网供交流电。交流制供电电压较高，发展很快。我国电气化铁路的牵引供电制式从一开始就采用单相工频(50赫)25千伏交流制。

电力牵引有利于提高能源的利用率。但是，电气化铁路电力机车是大功率单相整流负荷，对于三相对称的电力系统供电来说，电气化铁路牵引负荷具有非线性、不对称和冲击性等特点，将产生三相不平衡的谐波电流和基波负序电流注入系统，引起公共连接点母线的谐波电流、谐波电压、三相电压不平衡度等多项电能质量指标超标，严重影响了电力系统安全、经济、稳定运行和电力用户的安全用电，造成发电机跳闸，继电保护误动作，发电机转子烧坏，电力电容器及用户的电动机等用电设备的损坏。所以，根据国家有关标准必须对此类负荷接入电网后所产生的谐波、负序、电压闪变等进行分析论证。如不能满足国家标准所规定的允许值，则必须采取补偿措施。随着电气化铁路的比重增加，对系统各组成部分及其相互关系的研究提出了更高的要求电力牵引系统还存在有若干技术难题尚未有效的解决，诸如谐波、无功、负序、弓网关系、故障探测、继电保护等深层次的问题，，使系统很难达到最优化的运行状态在重载及高速电气化的铁路中这

些问题更加突出，将会严重影响到我国铁路电气化的发展。

2.电气化铁路电能质量问题的治理措施

个人认为电气化铁路对电能质量产生影响的主要原因有以下几点：

1）单相。由于电气化铁路采用的是单相电路，将向电网注入大量的负序分量。

整流设备。电力机车主要采用直流电机。直流电机需要电力电子设备将交流整为直流，整流器会带来谐波和无功的问题。当然，目前也有机车采用的是交流电机，而交流电机的调速必然要用到电力电子变频器，同样会带来无功和负序的问题。

电力机车在时空上的不确定性。当电力机车经过某段线路或牵引变时，相当于是瞬时增加了一个有功和无功的负荷。对这一段电网造成冲击，因此会带来电压跌落，闪边和谐波等问题。

对电气化铁路电能质量治理的思路有两个：一是从本身装置入手。如果采用全控型电力电子装置，则可以从装置本身的控制着手，谐波和无功甚至是一些暂态问题都可以得到很好的控制。另外一种思路就是增加补偿装置，如无功补偿装置（固定电容器组，STATCOM等）、电力滤波器（无源电力滤波器、APF等）。目前国内外的研究也主要是从这两方面着手的。

2.1 谐波抑制

限制电铁谐波的主要原则有：1、把电网中的谐波电压控制在允

许的范围内。2、限制谐波源注入电网的谐波电流及其在电网连接点产生的谐波电压。3、防止谐波对电网发供电设备的干扰，特别要防止高压电网发生谐振或谐波放大，维护电网安全经济运行。4、保证供电质量，使接入电网的各种用电设备免受谐波干扰，保持正常工作。解决谐波污染的思路有两个，一是设置滤波装置；一是对电力电子装置自身进行改造，使其不产生谐波，并且功率因数可控制为1：这两种思路派生出两个研究方向：电力滤波器及单位功率因数变流器。

电力滤波器主要有LC滤波器和有源电力滤波器（APF），LC滤波器技术比较成熟，电压可以做得很高，容量也可以做得很大：可兼顾无功补偿。改善功率因数；结构简单，成本较低。但LC滤波器存在固有缺陷，如：滤波特性依赖于系统参数；只能消除特定的谐波；易出现串、并联谐振，引起谐波放大、滤波器过载现象；体积庞大等。有源电力滤波器是用全控型电力电子器件构成的PWM逆变器，其优点是可以对快速变化的谐波及无功进行连续补偿，并且响应迅速，此外，在APF中贮能元件容量小。但由于全控型功率器件的成本及性能，制约了APF的实际应用。采用混合滤波(Hybrid Filter)的方法，兼顾两种滤波器的优势，取长补短，从而得到提高整个滤波装置的性能价格比的目的，和其他类型的电力滤波器相比更受青睐。

单位功率因数变流器是指功率因数为l，并且进线无谐波的变流装置。设计单位功率因数变流器是减少电网的无功与谐波的另一种重要的措施。大容量变流器提高功率因数和减少谐波的主要途径是采用

多重化技术，即将多个方波叠加，以消除次数较低的谐波，从而得到接近正弦的波形。如果要求功率因数为1，一般需使用自换相变流器，再配合PWM控制技术，将会得到更好的效果。这种方法的缺点是需要用到全控型器件，全控型器件的缺点是容量小、耐压低、价格贵。因此目前推广程度还不是很高，但这是今后发展的一个趋势。

2.2无功补偿

出于同样的思路，解决无功问题的思路有两个，一是设置无功补偿装置；一是对电力电子装置自身进行改造，控制功率因数1，甚至提供系统无功。后者的优缺点与谐波治理类似，在这里不再赘述。重点介绍常见的无功补偿装置。

无功补偿装置主要有固定电容器和动态无功补偿装置。静电电容器可串联或并联接入电网，提高系统稳定，补偿无功，改善电压质量。但固定电容器组有两个明显的缺点。一是无功不能连续可调，二是当系统电压低时提供的无功反而降低，是一个负特性，三是动态特性慢，在一些动态要求比较高的场合不太适合。因此出现了很多基于电力电子技术的动态无功补偿装置。主要有静止无功补偿器（SVC），晶闸管相控电抗器(TCR)，静止无功发生器(SVG)等。这些装置利用先进电力电子技术，将系统的无功控制在一定的范围之内。具有动态响应快，补偿特性好的特点。但缺点就是相对于固定电容器组来说，可靠性低，另外由于电力电子器件的应用使得成本很高。目前普遍采用的也就是将电容器和动态补偿装置混合使用。