北京交通大學電氣工程學院的研究人員方策、吳命利， 在2017年第12期《電氣技術》雜誌上撰文， 基於京滬高鐵諧波綜合治理試點工程， 對周立營牽引變電所及相關分區所進行了電能品質測試， 分別測試了諧波治理裝置投入前與投入後的電壓電流資料。
對功率因數、諧波和負序等指標進行了統計計算， 編寫了基於imc測試系統的電能品質分析軟體。 通過測試資料對比分析， 反映了周立營牽引變電所及相關分區所安裝的諧波治理裝置對電能品質的改善效果， 對今後電氣化鐵路電能品質治理具有參考意義。
1 引言
電氣化鐵路屬於波動性很大的單相整流負荷， 加上列車運行的流動性， 在其運行過程中， 會在電力系統產生諧波、負序電流， 導致電網電壓波形畸變、三相電壓不對稱， 劇烈變化的負荷電流還會引起電網電壓波動[1-5]。 京滬高鐵是我國規劃的“四縱四橫”高速鐵路幹線之一， 其對電網可能造成的影響自建設之初就引起電力部門的重視。
鐵道部門和電力部門長期以來一直對電鐵諧波限值存在分歧。 為保障高速鐵路建設， 原鐵道部與國家電網公司就電鐵外部電源問題開展了大量的協調溝通工作。 2011年聯合印發的“關於印發《鐵道部、國家電網公司電氣化鐵路供電協調領導小組辦公室第三次會議紀要》的通知”（計基函[2011]17號）中，
由於各個不同車型的高速鐵路動車組的諧波特性差異較大， 加上電力系統供電網路結構和負荷的複雜性， 目前國內高速鐵路均無可靠適用及成熟的諧波綜合治理技術和設備可供借鑒[6]。 此次京滬高速鐵路的諧波綜合治理選在電源薄弱的變電所增設濾波裝置的方式實施， 依據實測結果確定治理方案和設備容量。
這是國內首次在高速電氣化鐵路牽引供電系統中開展電能品質治理工程， 對其投入效果的評估， 將對今後電氣化鐵路電能品質治理的必要性評估和方案選擇具有一定的示範意義。
2 測試說明
2.1測試目的
通過京滬高速鐵路牽引供電系統的現場測試， 分別測試諧波綜合治理設備投入前和投入後的運行情況， 獲得牽引變電所、分區所的負荷資料， 統計負荷特性資料， 測量變電所、分區所加裝的濾波設備的電流資料， 分析得出治理設備的濾波效果。
2.2 測試設備
測試採用德國進口的imc測試系統和北京交通大學開發的EMAP電氣綜合測試系統， 所有的測量參數都基於通道單獨設置， 測量資料可通過設備的顯示單元進行顯示， 也可以通過TCP/IP協議連接PC， 以便進行後期分析處理。
3 電能品質相關指標（略）
反映電能品質優劣的指標很多， 即使對於同一指標， 不同的標準中提出計算方法有時也不盡相同[7]。 對電氣化鐵道來說， 最重要也是最常用的電能品質指標是總諧波畸變率和三相電壓不平衡度，
4 周立營變電所電能品質
4.1諧波治理測試安排
此次諧波治理試點工程基於鐵路現場的實際測試資料。 按照相關牽引變電所、分區所電能品質實測結果， 最終確定周立營諧波治理方案， 採用APF+RLC並聯混合濾波兼補償負序的方案。
牽引變電所兩供電臂T-N間分別設補償容量為10000kVA的有源濾波器,並按背靠背方式運行；在艾各莊和雙口兩分區所中T-N、F-N間設RLC二階高通濾波器， 電容器安裝容量為2´3600kVar。 表1為周立營測試方案的實施概況。
表1 周立營測試概況
4.2 全天測試資料分析
4.2.1 高壓側電能品質
計算出周立營測試時間內全天平均功率因數， 如表2所示。
表2 日平均功率因數
變電所APF濾波器投入與不投入相比較， 功率因數提高0.003， 分區所RLC濾波器投入後， 功率因數卻下降0.019。 表明APF濾波器對高鐵功率因數略有改善作用， 但RLC濾波器增加較大容性無功，導致過補，反使功率因數下降。
按每天統計周立營變電所高壓側三相電壓總諧波畸變率、不平衡度和負序電流最小值、平均值、95%概率大值和最大值。統計結果如表3所示。
表3 三相電壓總諧波畸變率(%)、電壓不平衡度(%)和負序電流(A)
在分區所RLC高通濾波器不投入狀態下，投入變電所APF濾波器，三相電壓諧波畸變率平均值分別下降0.03%、0.02%、0.02%，三相電壓諧波畸變率95%概率大值分別下降0.03%、0.02%、0.01%。在變電所APF濾波器不投入狀態下，投入分區所RLC高通濾波器，三相電壓諧波畸變率反而有些許升高。
變電所APF濾波器和分區所RLC高通濾波器同時投入時，三相電壓諧波畸變率無明顯變化。表明變電所APF濾波器對濾除諧波降低總諧波畸變率有作用，但分區所RLC由於造成低次諧波略微放大，並不能降低總諧波畸變率。
根據高壓側三相的實測資料，在分區所RLC高通濾波器不投入狀態下，投入變電所APF濾波器，電壓不平衡度有所下降，平均值、95%概率大值分別下降0.19%、0.38%。在變電所APF濾波器不投入狀態下，投入分區所RLC高通濾波器，負序電流、電壓不平衡度反而有些許升高。
變電所APF濾波器和分區所RLC高通濾波器同時投入時，電壓不平衡度有所下降，平均值、95%概率大值分別下降0.15%、0.32%。負序電流無明顯變化。表明APF濾波器對補償負序電流有作用，而RLC無作用。
4.2.2 牽引側電能品質比較
統計周立營變電所北京方向T線、F線電壓總諧波畸變率、總諧波電流24h最小值、平均值、95%概率大值和最大值。統計結果如表4所示。
表4 北京方向T線、F線電壓總諧波畸變率（%）和總諧波電流（A）
變電所APF濾波器和分區所RLC高通濾波器同時投入時，T線、F線電壓總諧波畸變率有所下降。
4.4典型時刻資料分析
選取周立營變電所APF濾波器投入時的某個典型時刻，分析了北京方向T線電壓、APF濾波器電流及其對應的諧波含量大小，如圖1，表5所示。
圖1 周立營北京方向APF電流及其諧波含量
表5 APF電流各次諧波含量
根據APF濾波器典型波形和頻譜的實測資料分析可知，濾波器濾除的低次諧波主要集中在13次以內。
北京上海方向T線電壓的波形圖和對應的APF電流諧波含量，如圖2所示。比對了同一時刻背靠背方式下北京和上海方向有功和無功數值，表6所示。
圖2 周立營北京上海T線電壓及其APF電流諧波含量
表6 周立營APF有功無功值
根據北京和上海方向APF有功無功實測資料分析可知，北京和上海方向APF有功功率相同，驗證了APF採用背靠背變流器方式進行諧波治理，即通過直流側的相互連接轉移兩供電臂牽引負荷的有功功率實現負序補償，而兩供電臂的諧波和無功功率則分別進行補償。
選取了20日艾各莊分區所RLC高通濾波器投入時的某個典型時刻，分析了T線和F線所接RLC高通濾波器電流和對應的諧波含量大小，圖3，圖4所示。
圖3 艾各莊分區所高通濾波器T線電流波形和諧波頻譜
圖4 艾各莊分區所高通濾波器F線電流波形和諧波頻譜
RLC二階高通濾波器在設計之初用於吸收14次以上的高次諧波電流，但從諧波頻譜圖中看出，治理效果並不顯著，同時鑒於京滬高鐵本身很高的電能品質，很難反應濾波設備的濾波能力。
5 總結與建議
測試結果表明，投入APF濾波器對高壓側三相功率因數略有改善，由於高速鐵路動車組本身功率因數已經很高，這種改善並不顯著。由於電鐵低次諧波含量相對高次要大些，APF濾波器投入能有效濾除部分低次諧波電流；而RLC高通濾波器對改善總諧波畸變率沒有效果，其主要作用是抑制高次諧波諧振。此次周立營諧波治理試點也說明了京滬高鐵電能品質處在較高水準，治理裝置安裝的必要性不大。
目前我國鐵路和電力雙方在電鐵諧波限值及評估方法上尚未達成一致。從測試結果來看，京滬高鐵電能品質並沒有像前期電力部門預評估那樣嚴重。把電鐵接入電網諧波預評估結果直接用作強制用戶採取諧波治理措施的依據，可能會造成國家投資的浪費[10]。建議國家儘快制定符合我國實際條件的諧波預評估機制，為電網和鐵路的安全運行創造條件。
但RLC濾波器增加較大容性無功，導致過補，反使功率因數下降。按每天統計周立營變電所高壓側三相電壓總諧波畸變率、不平衡度和負序電流最小值、平均值、95%概率大值和最大值。統計結果如表3所示。
表3 三相電壓總諧波畸變率(%)、電壓不平衡度(%)和負序電流(A)
在分區所RLC高通濾波器不投入狀態下，投入變電所APF濾波器，三相電壓諧波畸變率平均值分別下降0.03%、0.02%、0.02%，三相電壓諧波畸變率95%概率大值分別下降0.03%、0.02%、0.01%。在變電所APF濾波器不投入狀態下，投入分區所RLC高通濾波器，三相電壓諧波畸變率反而有些許升高。
變電所APF濾波器和分區所RLC高通濾波器同時投入時，三相電壓諧波畸變率無明顯變化。表明變電所APF濾波器對濾除諧波降低總諧波畸變率有作用，但分區所RLC由於造成低次諧波略微放大，並不能降低總諧波畸變率。
根據高壓側三相的實測資料，在分區所RLC高通濾波器不投入狀態下，投入變電所APF濾波器，電壓不平衡度有所下降，平均值、95%概率大值分別下降0.19%、0.38%。在變電所APF濾波器不投入狀態下，投入分區所RLC高通濾波器，負序電流、電壓不平衡度反而有些許升高。
變電所APF濾波器和分區所RLC高通濾波器同時投入時，電壓不平衡度有所下降，平均值、95%概率大值分別下降0.15%、0.32%。負序電流無明顯變化。表明APF濾波器對補償負序電流有作用，而RLC無作用。
4.2.2 牽引側電能品質比較
統計周立營變電所北京方向T線、F線電壓總諧波畸變率、總諧波電流24h最小值、平均值、95%概率大值和最大值。統計結果如表4所示。
表4 北京方向T線、F線電壓總諧波畸變率（%）和總諧波電流（A）
變電所APF濾波器和分區所RLC高通濾波器同時投入時，T線、F線電壓總諧波畸變率有所下降。
4.4典型時刻資料分析
選取周立營變電所APF濾波器投入時的某個典型時刻，分析了北京方向T線電壓、APF濾波器電流及其對應的諧波含量大小，如圖1，表5所示。
圖1 周立營北京方向APF電流及其諧波含量
表5 APF電流各次諧波含量
根據APF濾波器典型波形和頻譜的實測資料分析可知，濾波器濾除的低次諧波主要集中在13次以內。
北京上海方向T線電壓的波形圖和對應的APF電流諧波含量，如圖2所示。比對了同一時刻背靠背方式下北京和上海方向有功和無功數值，表6所示。
圖2 周立營北京上海T線電壓及其APF電流諧波含量
表6 周立營APF有功無功值
根據北京和上海方向APF有功無功實測資料分析可知，北京和上海方向APF有功功率相同，驗證了APF採用背靠背變流器方式進行諧波治理，即通過直流側的相互連接轉移兩供電臂牽引負荷的有功功率實現負序補償，而兩供電臂的諧波和無功功率則分別進行補償。
選取了20日艾各莊分區所RLC高通濾波器投入時的某個典型時刻，分析了T線和F線所接RLC高通濾波器電流和對應的諧波含量大小，圖3，圖4所示。
圖3 艾各莊分區所高通濾波器T線電流波形和諧波頻譜
圖4 艾各莊分區所高通濾波器F線電流波形和諧波頻譜
RLC二階高通濾波器在設計之初用於吸收14次以上的高次諧波電流，但從諧波頻譜圖中看出，治理效果並不顯著，同時鑒於京滬高鐵本身很高的電能品質，很難反應濾波設備的濾波能力。
5 總結與建議
測試結果表明，投入APF濾波器對高壓側三相功率因數略有改善，由於高速鐵路動車組本身功率因數已經很高，這種改善並不顯著。由於電鐵低次諧波含量相對高次要大些，APF濾波器投入能有效濾除部分低次諧波電流；而RLC高通濾波器對改善總諧波畸變率沒有效果，其主要作用是抑制高次諧波諧振。此次周立營諧波治理試點也說明了京滬高鐵電能品質處在較高水準，治理裝置安裝的必要性不大。
目前我國鐵路和電力雙方在電鐵諧波限值及評估方法上尚未達成一致。從測試結果來看，京滬高鐵電能品質並沒有像前期電力部門預評估那樣嚴重。把電鐵接入電網諧波預評估結果直接用作強制用戶採取諧波治理措施的依據，可能會造成國家投資的浪費[10]。建議國家儘快制定符合我國實際條件的諧波預評估機制，為電網和鐵路的安全運行創造條件。