黃　金， 王志峰

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院　機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

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電動(dòng)車組諧波評(píng)判方式簡(jiǎn)析

黃金， 王志峰

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)諧波及其評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)一直是電力和鐵路部門關(guān)注的問(wèn)題。電動(dòng)車組及電力機(jī)車為主要諧波源，對(duì)其評(píng)判仍沒(méi)有明確的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)定。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外供電系統(tǒng)的諧波評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)和方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，同時(shí)結(jié)合動(dòng)車組實(shí)測(cè)網(wǎng)側(cè)諧波，對(duì)電動(dòng)車組網(wǎng)側(cè)諧波評(píng)判方式提出了相關(guān)建議。

電動(dòng)車組，;諧波; 評(píng)判方式

關(guān)于電氣化鐵道諧波標(biāo)準(zhǔn)，一直是電力和鐵道兩個(gè)部門爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。目前，我國(guó)更多的采用GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》作為電氣化鐵道諧波評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合中國(guó)國(guó)情，在吸收國(guó)外諧波標(biāo)準(zhǔn)研究成果的基礎(chǔ)上提出，于1994年3月實(shí)施。目前來(lái)說(shuō)電氣化鐵路作為國(guó)家電網(wǎng)的用戶，諧波發(fā)射水平應(yīng)嚴(yán)格遵循GB/T 14549的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：110 kV高壓電網(wǎng)諧波電壓限值標(biāo)準(zhǔn)為2.0%[1]。然而該標(biāo)準(zhǔn)考核對(duì)象為電力系統(tǒng)公共接入點(diǎn)(PCC)，對(duì)電氣化鐵道來(lái)說(shuō)即為牽引變電所110 kV側(cè)。限制110 kV側(cè)的諧波不僅可以限制用戶列車的諧波，還可以在牽引變電所增加補(bǔ)償裝置或諧波抑制裝置。然而，動(dòng)車組及電力機(jī)車始終是電氣化鐵道諧波的源頭，根治諧波還得從源頭抓起。對(duì)動(dòng)車組或電力機(jī)車來(lái)說(shuō)，沒(méi)有任何諧波標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行約束，唯一相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為TB/T 2517-1995《電力機(jī)車功率因數(shù)和諧波的測(cè)試方法》標(biāo)準(zhǔn)中僅對(duì)諧波測(cè)量和等效干擾電流進(jìn)行了規(guī)定，諧波發(fā)射值仍未有明確規(guī)定。導(dǎo)致各型動(dòng)車組技術(shù)文件中對(duì)牽引變壓器網(wǎng)側(cè)及整車諧波電流規(guī)定各不相同，不利于變電站的統(tǒng)一整治或增加了整治成本。因此對(duì)動(dòng)車組諧波發(fā)射值進(jìn)行探討，以期得出結(jié)論為標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)車組諧波規(guī)定作為支撐。

1　電動(dòng)車組諧波評(píng)價(jià)方式

1.1國(guó)標(biāo)諧波與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)諧波限值規(guī)定的比較

針對(duì)電力系統(tǒng)的諧波限值和評(píng)判，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定和要求有所不同。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以GB/T 14549為主要參考，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)以IEC 61000系列標(biāo)準(zhǔn)為主要參考。

GB/T 14549-1993中沒(méi)有細(xì)分奇次諧波電壓，而是對(duì)不同電壓等級(jí)下各次諧波電流的允許值進(jìn)行了規(guī)定。在電壓總畸變率指標(biāo)上，IEC 61000-3-6較GB/T 14549寬松。IEC 61000-3-6技術(shù)文件把奇次諧波電壓分為了非3倍數(shù)和3的倍數(shù)次諧波進(jìn)行考慮，更加符合電氣化鐵道的諧波分布特點(diǎn)。

IEC 61000-3-6只給出了中、高壓電力系統(tǒng)的電壓畸變限值，并沒(méi)有給出電流畸變限值，因此評(píng)估用戶諧波水平僅使用電壓畸變限值，諧波電流不單獨(dú)考核。但I(xiàn)EC 61000-3-6也認(rèn)為“即使其目的在于限值電網(wǎng)中的諧波電壓。最好還是規(guī)定諧波電流”，并給出用戶諧波電流限值相關(guān)算法，其原則與GB/T 14549的用戶諧波電流限值分配方法類似。

諧波電壓是諧波電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生的，歸根結(jié)底電氣化鐵路上運(yùn)行的動(dòng)車組或電力機(jī)車是諧波源。要控制供電網(wǎng)中的諧波電壓，保證供用電質(zhì)量，限制諧波源的注入諧波電流才是根本。因此GB/T 14549規(guī)定了各級(jí)電網(wǎng)基準(zhǔn)短路容量時(shí)的諧波電流允許值。電氣化鐵路中，動(dòng)車組是一種典型的諧波源，由于其四象限變流器的工作特點(diǎn)，其特征次諧波為3，5，7次，一般情況下以3次諧波電流含有率最大。因此，如果以GB/T 14549諧波電流限值來(lái)評(píng)價(jià)電氣化鐵路，比國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格。

1.2電動(dòng)車組的諧波標(biāo)準(zhǔn)

從上文可以看到，目前對(duì)于諧波限值的規(guī)定都是針對(duì)牽引變電所側(cè)的要求，針對(duì)諧波源電動(dòng)車組仍沒(méi)有明確的規(guī)定。

對(duì)于動(dòng)車組網(wǎng)側(cè)諧波的要求，各主機(jī)廠動(dòng)車組技術(shù)條件中的規(guī)定有所不同，例如：

CRH380A：主變壓器原邊電流畸變率(THD)<10%。

CRH380B：一列車在額定功率時(shí)的原邊電流畸變率<5%；一個(gè)變壓器(一個(gè)牽引單元)額定功率時(shí)的原邊電流畸變率<10%。

CRH380AL：主變壓器原邊電流畸變率(THD)<10%。

CRH380BL：一列車在額定功率時(shí)的原邊電流畸變率<5%；一個(gè)變壓器(一個(gè)牽引單元)額定功率時(shí)的原邊電流畸變率<10%。

CRH380CL：一列車在額定功率時(shí)的原邊電流畸變率<3%；一個(gè)變壓器(一個(gè)牽引單元)額定功率時(shí)的原邊電流畸變率<10%。

從各車技術(shù)文件和型式試驗(yàn)大綱看出，各車對(duì)牽引變壓器的原邊電流畸變率要求相同，均為小于10%，對(duì)于整車的要求有所不同。CRH2系列動(dòng)車組由于沒(méi)有總網(wǎng)流的監(jiān)測(cè)，因此未做規(guī)定。CRH380B及CRH380BL動(dòng)車組均要求小于5%。CRH380CL整車電流要求小于3%。然而不管3%或5%，對(duì)于諧波電流均沒(méi)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或計(jì)算支撐該要求。按GB/T 14549的要求，注入110 kV公共接點(diǎn)PCC的各次諧波電流要求如表1所示。從表中可以看出，諧波電流限制值是給出了絕對(duì)值，而不是相對(duì)值，因此現(xiàn)階段各型動(dòng)車組技術(shù)條件中對(duì)于電流諧波限值的規(guī)定方式是不合理的。

表1　注入110 kV公共聯(lián)接點(diǎn)的諧波電流允許值

諧波電流標(biāo)準(zhǔn)并不是獨(dú)立的，它由諧波電壓限值除以諧波阻抗得到，因此諧波電流與諧波電壓理論上存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。但由于對(duì)3次和3的奇倍數(shù)次諧波電流乘以系數(shù)0.6，牽引負(fù)荷阻抗特性非線性，因此實(shí)際上諧波電流和諧波電壓不是完全對(duì)應(yīng)的。即各次諧波電流未超標(biāo)不等于諧波電壓不超標(biāo)。但是國(guó)家及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)均未對(duì)用戶端口處的諧波電壓限值進(jìn)行規(guī)定，電氣化鐵路的諧波源作為電流源，為了保證變電站總諧波電壓的不超標(biāo)，保證動(dòng)車組各次諧波電流不會(huì)超標(biāo)是首先要滿足的。基準(zhǔn)短路容量下，各次諧波電流限值參照表1的要求。

以A型、B型動(dòng)車組實(shí)測(cè)滿功率諧波為例，如表2、表3所示。A型動(dòng)車組各次諧波電流測(cè)試結(jié)果超過(guò)GB/T 14549要求，反應(yīng)到變電站110 kV側(cè)諧波電壓也存在超標(biāo)的可能。B型動(dòng)車組各次諧波電流測(cè)試結(jié)果滿足GB/T 14549的要求，但仍需監(jiān)測(cè)變電站處的諧波電壓值。

表2　A型動(dòng)車組網(wǎng)側(cè)諧波測(cè)試結(jié)果(滿功率)

表3　B型動(dòng)車組網(wǎng)側(cè)諧波測(cè)試結(jié)果(滿功率)

由此可見(jiàn)，在目前國(guó)標(biāo)沒(méi)有規(guī)定如何分配用戶諧波電壓限值的情況下，同時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)車組端口處的諧波電流和變電站處的諧波電壓對(duì)牽引供電系統(tǒng)能否滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)顯得十分重要。動(dòng)車組設(shè)計(jì)時(shí)，網(wǎng)側(cè)各次諧波值首先不得超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電流限值的要求。另外，IEC 6100-3-6技術(shù)文件詳細(xì)制定了用戶諧波電壓限值計(jì)算方法，其原則與諧波國(guó)標(biāo)的用戶諧波電流限值分配方法類似，但由于動(dòng)車組諧波源為電流源，因此無(wú)法區(qū)分諧波源和背景諧波各自的影響，由此可見(jiàn)，不管國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)還是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于動(dòng)車組端口處的諧波電壓值測(cè)試方式及評(píng)價(jià)并沒(méi)有合適的標(biāo)準(zhǔn)可依。

2　結(jié)論及建議

在目前國(guó)標(biāo)沒(méi)有規(guī)定如何分配用戶諧波電壓限值的情況下，同時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)車組端口處的諧波電流和變電站處的諧波電壓對(duì)牽引供電系統(tǒng)諧波能否滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)顯得十分重要。由于動(dòng)車組諧波源為電流源，因此無(wú)法區(qū)分諧波源和背景諧波各自的影響，不管國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)還是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于動(dòng)車組端口處的諧波電壓值測(cè)試方式及評(píng)價(jià)并沒(méi)有合適的標(biāo)準(zhǔn)可依。因此考慮到目前動(dòng)車組運(yùn)用情況及諧波分布特點(diǎn)，只能依照GB/T 14549 對(duì)牽引變電站電壓限值及諧波電流注入限值的要求對(duì)動(dòng)車組諧波電流進(jìn)行規(guī)范，對(duì)動(dòng)車組網(wǎng)流諧波從嚴(yán)要求，優(yōu)化控制。

[1]GB/T 14549-1993電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波[S].

[2]TB/T 2517-1995 電力機(jī)車功率因數(shù)和諧波源測(cè)試方法[S].

[3]ICE 6100-3-6電力機(jī)車功率因數(shù)和諧波源測(cè)試方法[S].

Brief Analysis of Harmonic Evaluation Methods for EMU

HUANGJin，WANGZhifeng

(Locomotive&Car Research Institute， China Academy of Railway Sciences， Beijing 100081)

The harmonics of the electrified railway power supply system has been a big issue of concern by electricity and railway departments. As the main harmonic source, there is still no definite standard requirements for the harmonic evaluation criteria of EMU and electric locomotive. In this paper, harmonic evaluation criteria and methods for power supply system is made a brief introduction. Combined with the measured EMU harmonics, some relevant proposals is put forward for the harmonic evaluation methods.

EMU; harmonic; evaluation methods

1008-7842 (2016) 04-0103-03

U264.3+7

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.26

男，助理研究員(

2015-12-18)