清华大学牵引供电系统的电能质量问题

电气化铁路牵引供电系统的
电能质量问题
电气化铁道发展过程／年
1958～19781033
世界第25
10000
1997世界第8
200520000
亚洲第一、世界第三
俄罗斯：4万km以上
德国：2万km以上
202050000国务院批准：《中长期铁路网规划》
（／km ）
所建成的里程数
污染设备（电力电子）应用和敏感设备（计算机）应用
进入人口稠密经济发达地区干扰不容忽视。

电铁电能质量问题1
¾单相交流工频牵引制式－负序
220KV
110KV
27.5KV27.5KV
带来问题：结构上不对称、返回系统大量负序电流。

以铁路钢轨与大地为导体的单相移动负荷，线路电抗与电阻比为3左右，分析计算时不能忽略。

三相牵引变电所主结线（a）Y/△(b)V/V
Scott牵引供电方式接线图
¾采用Scott 变压器的电气化铁道变电所的作用是将交流电网的三相交流电力通过变压器变换为M相与T相两个相位相差90度的两相交流电力，实现双单相供电。

中日韩用。

Scott供电方式正负序电流分析1¾T1和T2向量矢量图, ( a )M；( b )T
¾M相的牵引负荷与T相的牵引负荷在电力系统中引起的正序电流同相，而负序电流却滞后于T 120°角度。

Scott 供电方式正负序电流分析2¾M 有单相负荷
¾T 有单相负荷
¾M 、T 有单相负荷
注意到:
¾单相负荷时正序电流的模与负序电流的模相同;¾当单相负荷时Scott 接法时负序功率与正序功率相等;¾较之三相变压器接法并没有改善。

Scott 供电方式正负序电流分析3¾M 、T 两相负荷为牵引时
¾T 牵引、M 再生时
M I T I ¾滞后90度
¾当时，二相的负荷相等时，负序电流为0
32M T I I ＝¾该结构的关键在于使其M相与T相的负荷特性相等M I T I ¾超前90度
21123T i I =+ （）¾负序电流¾所需补偿的负序电流达到最大值，为牵引负荷与再生负荷容量之和。

以此可以作为设计依据。

但我国国标GB/T15543－1995“电能质量三相电压允许不平衡度”规定容许值2％，短时间不超过4％，单个负荷不超过1.3%。

而由负
序近似计算式注意到电力机车的功率通常在10MW以下（日本700型为13.2MW，SS8
4.8MW），由于没有对负序电流的要求，所以单一变电所单个列车的运行对于短路容量在500MVA的系统而言满足国标要求。

EPRI对纽约－波士顿铁路的的测试结果：平均不平衡度0.3%，最大0.8%，支持上述结论。

此外列车作为冲击性负荷引起
的短时间闪变值在17天测量结果为0.1%;同样认为是可以忽略
的。

%100×=k
L U S S ε
电铁电能质量问题2
谐波和无功功率
¾我国绝大部分电力机车采用单相晶闸管相控整流制式，国内电气机车绝大部分采用韶山型机车，如SS4改进型、SS8、SS9型，机车牵引均采用脉流直流电机，采用平波电抗器抑制电流脉动。

带来问题：牵引供电网功率因数低（一般额
定工况时在0.8左右）、谐波含量高。

谐波与无功功率的影响1
目前我国电力牵引绝大部分采用交-直电力机车，此类电力机车通 过变压器降压，整流，供给直流牵引电动机。

机车每个转向架的 牵引电动机各由一套整流装置供电，整流装置为二段半控整流 桥，交流侧分别由独立的牵引绕组供电，输出整流电压串联后经 平波电抗器供给直流牵引电机


谐波与无功功率的影响2
由于电机为感性负荷，以及采用移相触发控制牵引绕组侧交流 电流会相移，而为了改善直流电机的换相电路中采用了平波电 抗器以抑制电流脉动。

在忽略换向重叠角的条件下，变流器所 输出的交流电流为理想方波，相应的高次谐波的有效值可以近 似用下式加以表示：
单相半控桥：
2⋅ Id 1+cos(nα) In = nπ
半控桥的高次谐波 幅度和相位特性图


谐波与无功功率的影响3
交流平波电抗器的增加： （a）一方面有利于抑制原边电流中高次谐波含量； （b）另一方面却加大了交流侧基频电流和接触网电压之 间的相位差，导致功率因数的下降，并进而增加运行的损 耗。

而由于实际的电抗的值有限，所以电流仍存在脉动； 所以实际应用中谐波含量低于前述值。

电气化铁道的谐波特点
单相独立性，我国铁路供电系统均采用两相供电制，但两相负荷 相关性很小，通常认为两臂负荷是独立的。

随机波动性，相控机车电流的波形随相控角的变化而改变，谐波 电流随基波负荷剧烈波动，谐波含量取决于机车的运行工况。

相位广泛分布，电气化铁道谐波向量可在复平面4个象限上广泛 分布。

高压渗透性，电气化铁道其任一次谐波都通过高压系统向全网渗 透，不受变压器接线方向的阻碍。

稳态奇次性，单相整流负荷在稳态运行时只产生奇次谐波，只在 涌流中含有偶次谐波。

国内实测机车谐波电流为负荷电流的百分 数：3次—20～25%，5次—10～13%，7次—6～8%。

EPRI对纽约－波士顿的城际铁路进行24小时测量结果为 例，表明95%时间谐波电流小于73A，谐波电压小于3.3％。

但电流THD为17.4%，三次谐波为16％左右，由于不能抵 消，建议在27kV侧接入3次滤波器，将其降到5％以下(阴 影为补偿的部分。

谐波含量与IEEE－ 519之间的关系曲线。

高速列车采用前后端变流器均采用PWM调制，新干线 700型采用3电平IGBT变流器，开关频率1500。

可以使 功率因数接近1；并消除低次谐波。

韩国高速铁路（300km/H）测量结果：154kV母线电力变电 所谐波电压THD超过标准（1.5%);（两台机车运行）滤波 器仍是需要的。

电气化铁道的电能质量问题3
负荷随列车重量、线路坡道、牵引或制动等不同运行条件而剧烈 变化；引起闪变。

通常短路容量与负荷容量比较小，并且线路阻抗在800－1200Hz 之间存在明显的并联谐振特性。

下图为长度为20km的供电线的幅 频特性。

韩国高速铁路谐振 频率为30次谐波。

实际中
谐振过电压是一个需要
考虑的问题。

电铁电能质量问题的解决方案
治理情况 无功补偿和谐波治理 牵引变电站 我国治理现状 轮流换相技术 负序治理 平衡变压器或V/V接线方式 国外治理现状 SVC 基于电压源逆变器 机车本身


无功补偿和谐波治理——机车本身1
补偿装置电路由串联的电容器和 电抗器组成，并接于主变压器的 牵引绕组上，用晶闸管开关投切 吸收整流桥 吸收整流桥 产生的谐波电流 产生的谐波电流 降低流入电网 降低流入电网 的谐波电流分量 的谐波电流分量
电 路 呈 现 低 阻 抗
低次谐波频率 3、5、7次
电力机车装设 电力机车装设 5OHz工频 无功补偿装置 无功补偿装置
具 体 措 施
补 偿 电 路
向电网返回 向电网返回 超前的无功电流 超前的无功电流
呈
容 性
起无功补偿 起无功补偿 的作用 的作用
在每个牵引绕组设 在每个牵引绕组设 一组三次补偿电路 一组三次补偿电路
根据机车 无功大小投切
每个机车4组
降低接触网 降低接触网 电压损失 电压损失
改善机车 改善机车 电能质量 电能质量


无功补偿和谐波治理——机车本身2多段桥：韶山4型改进型电力机车主电路简图，
工作流程
采用了不等分三段半控桥式整流电路
首先投入上臂桥，即相继触发T5和T6，顺序移相，整流电压
由零逐渐升至1/2Ud，当T5和T6满开放后，下桥投入
维持T5和T6满开放，触发T1和T2顺序移相，
整流电压在1/2Ud～3/4Ud之间调节
T1和T2
满开放后
T1、T2、T5和T6维持满开放，并触发T3和T4
顺序移相，整流电压在3/4Ud～Ud之间调节
好处：
¾大大地提高了功率因数；
¾有效地抑制了谐波
无功补偿和谐波治理——机车本身3韶山4型功率因数与速度的关系
TSC ，不足是不能连续调节。

但分级控制电压在额定电压3～4％范围内是可接受的。

使用于行车密度低、列车为重载的区间；也可以用固定电容饱和或可调电抗器
{升级措施
¾开关投切时间的随机性，投切时有很大的电流冲击与很高的过电压，易使开关与电容器损坏。

{缺点在变电站集中补偿，需要的补偿设备总容量较小，节省投资；可补偿接触网线路电感产生的无功功率；
根据供电臂的无功电流而调整补偿量，变电站有较高的功率因数，流入电力网的无功电流与谐波电流相对较小。

{优点
¾在变电站牵引母线通过真空开关投入三次谐振滤波器补偿电路。

{实施方案无功补偿和谐波治理——牵引变电站1
总容量5625Mvar，其中冶金系统为2819Mvar，占50.1%；电力系统1465Mvar占26%；铁路系统1328Mvar，占23.6%。

¾株洲变流技术国家工程研究中心研制的TCR 型静止型动态无功补偿装置于2005年10月在百色牵引变电所正式投入使用；同年10月11日进行南昆线重载牵引扩能试验，测得动补装置投入后，运行稳定，多项数据反应良好。

牵引负荷最大时，出线电压维持在24.38kV ，牵引网功率因数达到0.98。

{实践经验
¾在低压侧装设单相SVC 可以起到一定的无功补偿作用，但仅适用于晶闸管相控型电力机车，对于电压波动和负序的补偿作用相对较小。

¾采用PWM 技术的交流变频调速机车在今后逐渐投入运行，谐波和无功的问题将会得到很大的改善。

高速铁路由于采用交直交型电力机车，机车运行功率因数一般高于0.93，产生的谐波较小（总谐波电流畸变率小于5%），谐波和无功冲击等问题对电力系统的影响较小。

电能质量问题重点考察电压三相不平衡度和负序影响。

{特别指出
无功补偿和谐波治理——牵引变电站2
电铁负序治理现状1
¾轮流换相技术
¾一座系统变电站同时带三的倍数的牵引站，三座牵引站按轮流换相接入。

如三个牵引变电所的牵引负荷相等，从系统侧看为对称负荷。

实际上由于电铁负荷的波动性和随机分散性，即使换相接入，三相负荷不可能完全对称，因此还会存在一定量的负序电流注入系统；
理论分析和国外使用的实际证明，采用完整的轮流换相后，注入系统的负序电流可减少70％。

电铁负序治理现状2
¾平衡变压器或V/V接线方式
¾与采用纯单相变压器相比，采用SCOTT（斯科特）变压器等特殊供电方式可以减轻这种单相负荷不平衡对系统的影响。

但是仅对于两相负荷均为牵引时有效，当分别为牵引和再生负荷时没有正面效果。

¾电力机车是一个时变负荷，采用固定补偿不可能达到良好的结果。

¾跟随负荷变动自动调节各相补偿度的方法是有效抑制负序分量危害的关键。

电铁负序分量抑制方法研究¾( a )系统接线；( b )牵引变压器接线形式
电流单位：A
两种车型的负序大小比较
62
39.94
10000
0.97
法国动
车组
31.2513.4448000.82
SS8型电
力机车高压侧三相电流
持续功率（KW ）功率因数
补偿前高压侧A相负序电
流
在高压侧采取三相无功功率完全补偿后A相负序电流
在低压侧供电臂采取无功功率完全补偿后A相负序电流
¾根据对称分量法，可以知道电力机车返回系统中的各相各序电流
22A B C A B C
I a I aI I aI a I −−−+++⎧==⎪⎨==⎪⎩
两种车型的负序向量图
（a）SS8电力机车
（b）法国动车组B
I−
A
I
A
I−
A
I+
B
I
C
I
C
I−
B
I+
C
I+
,
A C
I I
,
A C
I I
−+
B
I
,
A C
I I−
,
B B
I I
−+
负序抑制方法的结论
¾由于高速动车组有功功率的增加，以及多采用单相变电所供电的形式将使注入系统的负序电流明显增加。

¾如果在高压侧采用三相无功补偿的方式来补偿无功可使注入
系统的负序电流大大降低，而采用在供电臂侧补偿的方式对注
入系统的负序电流基本上影响很小，特别是对高功率因数的高
速动车组，基本上对注入系统的负序电流没有任何影响。

因此为了实现负序补偿应当在在高压侧采用三相完全补偿方式，如后面讨论。

¾为了实现在高压侧对无功进行完全补偿，此时需要的补偿容量远大于机车的容量。

日本的研究表明为了抑制电压波动所需补偿容量（容性＋感性）功率因数假定为0.75时，约为单相基准负荷容量的3倍左右。

国外治理情况——澳大利亚昆士兰铁路
¾澳大利亚昆士兰铁路简介
¾运煤的重载铁路；
¾负序分量的允许值：澳大利亚和欧洲对持续时间1分钟以下峰值负荷为2％，5分钟为1％，30分钟为0.7%；
¾短时间牵引负荷可达20～40MVA，132kV线路在某些接入点的短路容量小于300MVA。

¾电气化铁路由电力系统275kV变电站经降压后，以132kV给牵引变电站供电；
¾澳大利亚昆士兰铁路治理情况
¾9套SVC安装在牵引变电所，容量达到600Mvar；
¾第10套安装在更高一级电网，容量340Mvar。

2×200MVA BOULDERCOM
132kV
275kV
50kV 50kV
12km
57km HF HF
HF
HF
TCR 3rd 5th
Y
铁路负荷铁路负荷
BC
CA CA
AB （a ）
GRANTLEIGH
ROCKLAND S
澳大利亚昆士兰铁路1
¾两个变电所装设SVC 的情况
30MVA／台
固定电容
TCR 17Mvar/相
＋
＋
3次滤波器1.5Mvar/相
＋
5次滤波器9.5/3.5/9.5Mvar
SVC
3次
4Mvar/相
5次
3Mvar/相
澳大利亚昆士兰铁路2
¾A－B和C－A相单相负载补偿所需的SVC容量图
(负荷功率因数0.866)
SVC的最大补偿容量是根据PCC点受不平衡负载影响的程度决定的;当负载过大超出了SVC所能够补偿的范围时,负序电流会迅速增长。

澳大利亚昆士兰铁路3
¾SVC对负序电压的补偿：U1-正序电压U2-负序电压
补偿效果:SVC负序电压由SVC投运前的最大4.5%下降到0.8% 。

日本新干线
日本东海道新干线西相模变电所：负荷侧两相TCR 负序电流补偿SVC
A B C
计算Im
It
IQac
IQab IQab
IQac
I ac
I ab
I'ac I'ab 世界上首例实用化电气化铁路无功补偿系统，适用于SCOTT 结线的铁路供电系统；
总容量为2×±15MVA （TCR 容量30Mvar ）用于补偿功率为10MW 的高速动车。

¾控制方案：
¾检出负荷中的无功电流和负序电流；
¾根据负荷特性计算补偿电路SVC所需无功电流的数值；
¾对TCR中的晶闸管触发信号加以控制，从而对有功功率的不平衡与负序进行补偿。

¾效果：仅适用于牵引状态电力机车，对于再生车效果不好，远不如在高压侧进行三相补偿的方式。

英法海底隧道采用了ABB提供的SVC以解决负荷平衡和电压控制问题。

英法海底隧道机车为25kV，50Hz，额定功率为10MW。

负荷总功率在功率因数为0.8时140MW
线路采用自耦变压器供电以减小线路压降。

109公里采用4个SVC，其中线路上3个接于负荷侧的SVC用于无功补偿和电压控制。

由于负荷仅接于CA相间不平衡度为2％。

为了平衡负荷采用了不对称控制的SVC，其中AB应呈现感性，BC应呈现容性。

同时在CA之间并联电容以
进行功率
因数补偿。

补偿后不平
衡度小于
0.1%.
代价是安装
容量高达
42×2×3
＝252Mvar
的TCR，和
84×2＝164
Mvar的滤波
器
能量融通型补偿装置
¾工作原理：
¾RPC 通过中间直流电容耦合的两个单相变流器，分别连接到两相负荷的变压器上。

它利用变流器可以输出与吸收有功功率的特点，通过共用中间直流电容作为换能环节的两个单相变流器，使负荷小的一侧的变流器从牵引电网吸收二臂负荷差一半的有功功率送入电容，而负荷大的供电臂所连接的变流器则从中间直流电容吸收该部分有功功率送入牵引电网，从而达到二臂功率平衡的目的。

实现两个供电臂之间的有功功率融通，同时还利用变流器的无功补偿能力以维持相应供电臂的电压恒定。

RPC 所传输的有功功率、无功功率和吸收的谐波
电流大小装配比率可以
在变流器容量范围内灵
活地设定，RPC 可以应
用于各种类型结线的不
对称补偿之中。

{优点价格较为昂贵{缺点
欧美一些国家的治理措施1
¾归结起来主要包括优化牵引供电方式技术
和无功补偿装置技术两大类
¾欧洲大陆如：德国、奥地利、瑞士和斯堪的纳维亚（瑞典和挪威采用16.7Hz的供电频率。

通过专门的供电系统为电气化铁路供电
欧美国家的治理措施2
¾由于铁路系统采用独立的发电系统，运行费用过于昂贵，逐渐采用背靠背的变频站供电方式。

ABB公司在
瑞典Giubiascc安装
容量20MVA
¾优点：电网侧三相变流器的
负荷为中间直流环节，可以提
供良好的三相对称性。

¾缺点：价格较为昂贵。

¾谐波的补偿：采用单相或三相无源与有源滤波器混合的方式，和常规电力系统的补偿没有什么明显的区别。

展望
¾随着电气化铁道的应用得到了迅速的发展，电气化铁道对电
力系统的污染成为一个不容忽视的问题。

¾国际上以补偿装置以从根本上消除负序干扰，采用固定LC滤波器和有源滤波器相组合的方法来抑制高次谐波干扰
¾我国电气化铁道采用SVC进行补偿，经济上和技术上较为可行。