摘要：电力机车已逐渐成为电网主要的大型谐波源之一。介绍了谐波的基本定义结合电气化铁路的自身特点，对电力系统的谐波危害做出分析，提出合理的治理建议。

关键词：电气化铁路，谐波分析，谐波抑制    

电气化铁路运输是经济和社会发展的大动脉，在国民经济中占有重要的地位。电气化铁路具有牵引重量大、速度高、节约能源、乘务员劳动条件好、对环境污染小等优点，已经成为我国铁路动力改造的主要方向。电气化铁路牵引供电网的供电可靠和安全性是电力机车安全、可靠、经济运行的重要保障。

电气化铁路的迅猛发展也使得电力系统中非线性负荷大量增加，大大加重了谐波污染。电气化铁路作为电力系统的一个特殊用户，其负荷具有非线性、不对称和波动性的特点。而电气化铁路产生的谐波具有时变性、波动性，需要特别的关注和处理。电力机车作为一种特殊的电力负荷，其釆用单相供方式，在未采取补偿措施时不可避免地向上级电力系统注入负序电流^[1，2]；由于电力机车负荷为整流驱动和具有随机性，同时带来了无功、谐波、电压波动等电能质量问题^[3]，严重恶化了牵引供电网及其上级电力系统的电能质量，给电力系统和牵引网的安全可靠供电带来了挑战。电气化铁路谐波问题已经在欧美地区造成多次较为严重的事故，因此我们也要防患于未然，做好电铁谐波治理工作。

电气化铁路的电能质量特性包括谐波、负序、电压偏差和电压波动特性。我国对电能质量制定了标准，包括对电压偏差、频率偏差、谐波含量、三相不平衡度、电压波动与闪变的规定。其中，谐波污染是近年来最受关注的电能质量问题之一。

谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。由于谐波的频率是基波频率的整数倍，所以我们常称它为高次谐波。

电网谐波主要来自于三个方面：一是发电电源质量不高产生的谐波；二是输配电系统中产生的谐波；三是用电设备产生的谐波。系统中产生谐波的设备即谐波源，是具有非线性的用电设备。谐波源的非线性特性主要有三大类。

l)铁磁饱和型：各种铁芯设备，如变压器、电抗器等。在电力电子装置大量使用以前,电力系统中主要的谐波源是发电机和电力变压器。

2)电子开关型：主要为各种交直流换流装置(整流器、逆变器)以及双向晶闸管可控开关设备等。电气化铁路等大量工矿企业以及家用电器中都广泛使用这种类型的非线性装置。

3)电弧炉：各种炼钢电弧炉在熔化期间以及交流电弧焊机在焊接期间，其电弧的点燃和剧烈变动形成高度非线性，它的谐波主要是由起弧的延时和电弧的严重非线性引起的，电弧长度的不稳定性和随机性，使得其电流谐波频谱非常复杂，而且随时间会有明显的变化。

由于电气化铁路负荷具有单相不对称、波动剧烈的特点，因此其产生的谐波有别于其它电力客户产生的谐波^[4]。电气化铁路负荷谐波特性主要表现在：特征谐波相比普通负荷有所不同，谐波初相角分布广泛，可在复平面的0°-360°之间随机分布；谐波幅值随机剧烈波动并在一定条件下具有日周期性；谐波从110kV、220kV或330kV电压等级直接注入电网。

电气化铁路谐波通常是由整流器等电力电子设备以及具有非线性特性的用电负荷引起的，整流型电力机车是牵引供电系统的谐波源，下图为多段相控桥式整流电力机车原理电路^[5]。

图1 多段相控桥式整流电力机车原理电路

机车电流是周期性的非正弦波，利用傅立叶级数可将其分解为一系列频率为基波频率整数倍的正弦波的叠加，表达式为

                                   （1）

式中 为直流分量；为基波；为第次谐波电流有效值；为第次谐波电流初相角。

电气化铁路谐波造成的危害主要体现在以下几个方面。

1)并联谐振：当谐波电流沿牵引站返送电网时，由于牵引电网对地分布电容和回路电感的影响，可能构成某次谐波的谐振回路，造成牵引负荷谐波电流的谐振放大。

2)对牵引变压器的危害：谐波电流流过牵引变压器，会产生谐波电压降，高次谐波电流、电压会引起附加铁损和铜损，使变压器容量减小、效率降低。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短以至损坏。

3)对轨道电路信号系统的危害：信号系统主要利用轨道电路通过车上和地面的传感器来传递控制信号，而轨道同样作为电气化铁路的电源回馈电路，所以必须使网侧谐波电流的频率避开轨道电路的某些敏感区域。同时机车车体下布置的主变压器、牵引电动机等电气设备发出的电磁噪声也可能对轨道信号产生干扰。

4)高次谐波的危害也体现在会对发电机、电气测量仪表以及继电保护装置和自动控制装置等产生负面影响。谐波使输电线路、发电机、电动机、变压器产生附加的谐波损耗、温度升高；变压器和线路是构成电网损耗的主要部分，谐波能导致网损增大；降低发电、输电及用电设备的效率。

电力系统谐波的抑制措施主要有四种:

1)受端治理：即从受到谐波影响的设备或系统出发,提高它们抗谐波干扰能力。

2)主动治理：即从谐波源本身出发,使谐波源不产生谐波或降低谐波源产生的谐波。对接入电网的设备本身进行改进，限制其产生谐波的含量或少生谐波。具体方法有：开发新型变流器，使其不产生谐波且功率因数为1。这种变流器称为单位功率因数变流器。在中小功率电力变换装置中，采用脉宽调制技术的整流电路的有关功率因数校正电路，己经在开关电源中获得了广泛应用；在大功率电力变换装置中，采用多绕组变压器的多脉冲整流或将多脉整流与控制移相相结合构成准多脉冲整流。

3)被动治理：即外加滤波器,阻碍谐波源产生的谐波注入电网,或者阻碍电力系统的谐波流入负载端。是通过外加设备达到谐波抑制的目的,即装设无源电力滤波器、有源电力滤波器或混合型电力滤波器进行滤波。采用这些电力滤波器就地吸收谐波源所产生的谐波电流，是抑制谐波污染的有效措施。

（1）无源电力滤波器（PPF：Passive power filter ）

无源滤波器安装在电力设备的交流侧，由L、C、R元件构成谐振回路，当LC回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时，即可阻止该次谐波流入电网。由于具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，无源滤波是目前采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。但无源滤波器存在着许多缺点，如滤波易受系统参数的影响；对某些次谐波有放大的可能；耗费多、体积大等。因而随着电力电子技术的不断发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。

（2）有源电力滤波器（APF：Active power filter）

有源电力滤波器（APF）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对不同大小和频率的谐波进行快速跟踪补偿，之所以称为有源，是相对于无源LC滤波器，只能被动吸收固定频率与大小的谐波而言，APF可以通过采样负载电流并进行各次谐波和无功的分离，控制并主动输出电流的大小、频率和相位，并且快速响应，抵销负载中相应电流，实现了动态跟踪补偿，而且可以既补谐波又补无功和不平衡。随着供电容量的不断提高，有源滤波技术作为改善电能质量的关键技术，其应用范围也将从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统的电能质量的方向发展。

电力有源滤波器（APF）的主电路一般由PWM逆变器构成。根据逆变器直流侧储能元件的不同，可分为电压型APF(储能元件为电容)和电流型APF(储能元件为电感)。电压型APF在工作时需对直流侧电容电压控制，使直流侧电压维持不变，因而逆变器交流侧输出为PWM电压波。而电流型APF在工作时需对直流侧电感电流进行控制，使直流侧电流维持不变，因而逆变器交流侧输出为PWM电流波。电压型APF的优点是损耗较少，效率高，是目前国内外绝大多数APF采用的主电路结构。电流型APF由于电流侧电感上始终有电流流过，该电流在电感内阻上将产生较大损耗，所以目前较少采用。

电力有源滤波器（APF）按照电源滤波器与系统的连接方式不同可分为并联型和串联型两种，前者用的多；并联有源滤波器主要是治理电流谐波，串联有源滤波器主要是治理电压谐波等引起的问题。有源滤波器同无源滤波器比较，治理效果好，主要可以同时滤除多次及高次谐波，不会引起谐振，但是价位相对高。

（3）混合型电力滤波器（HAPF: Hybrid active power filter）

混合型电力滤波器充分利用有源滤波器和无源滤波器的优点，通过适当的配合使用，有效的改进了无源滤波因电源系统阻抗会对其滤波特性产生严重的影响和导致系统发生共振的问题，并有效的控制了成本。它主要由无源滤波器抑制谐波和进行无功功率补偿，有源滤波器则只用来改善无源滤波器的滤波效果，大大减小了有源滤波器的容量，两者相互弥补不足、达到降低成本，提高效率的目的，因此混合型电力滤波器具有成本低和滤波效果好的等诸多优点，越来越多受到人们的重视。

4)改善供电环境：选择合理的供电电压并尽可能保持三相电压平衡，可以有效地减小谐波对电网的影响。谐波源由较大容量的供电点或高一级电压的电网供电，承受谐波的能力将会增大。对谐波源负荷由专门的线路供电，减少谐波对其它负荷的影响，也有助于集中抑制和消除高次谐波。

电网谐波是目前受到广泛关注的电能质量问题，电气化铁路是主要谐波源之一，而且与电网谐波相比电气化铁路谐波更有自身的特点。对电气化铁路谐波进行充分的研究有助于了解电气化铁路谐波对电网的影响。针对各牵引变电站对电气化铁路谐波的影响，应该选择合理有效的抑制谐波措施，减少谐波危害，降低谐波产生的危害，促进铁路建设和谐发展。

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