电铁综合谐波治理设计思路探索

摘　要：从电铁谐波源数学模型入手，采用Carson定理，从牵引网导线－地，轨道－地两个地回路，推导出牵引网的等效谐波输出阻抗，以解决电铁谐波治理的理论计算问题。并从无源滤波器与有源滤波器的历史渊源、滤源原理、优劣利弊进行分析比较，提出以“无源”为主，“有源”为辅的混合滤波器来综合治理电铁谐波的经济实用方案。

关键词：电铁谐波；等效谐波输出阻抗；无源滤波器；有源滤波器；混合滤波器 （上接第3期）





4　“无源”与“有源”的原理比较

4．1　“无源”与“有源”滤波器的历史渊源

　　所谓“滤波器滤去电力谐波”的概念，源于“富氏变换”的数学手段，而非其物理本质，其物理本质是解决1927年首先提出的电压波形“畸变”问题——工频正弦波的扭曲畸变。这样，滤波器的目的或功能即在于对畸变的正弦波进行“滤除”或“整形”使其恢复原貌——标准工频正弦波。前者即20世纪30年代发展起来的传统的“无源”滤波器（PPF，本文简称PF），将畸变的工频正弦波按富氏级数分解成基波（50Hz），及100 Hz、150 Hz、250 Hz……等各次谐波成份，然后采用LC串联谐振的原理将谐波成分“滤除”；而后者即20世纪80年代以来，随着动力电子学及元件（GTR，GTO，IGBT等）的发展而推出的“有源”滤波器（APF，本文简称AF），1971年日本学者SaSaKa首先提出了直接用电力电子设备产生一个整形矫正波将畸变了的工频正弦的畸变部分抵消掉的滤波新概念，1976年由美国西屋公司L·Gyugyi率先研制出800kVA的AF（美国每年因谐波、负序等公害的损失超过200亿美元，故对谐波等公害的治理特别重视），由于AF的造价太高，且建立在日本赤木学者的瞬时虚无功功率新概念基础上的检测控制技术，虽然大大促进了有源AF的发展，但在实际应用中尚存在不少问题，因而限制了它的发展，被迫走出了一条以“无源”PF为主，“有源”AF为辅的组合式滤波器（HAPF）的设计思路，并于1986年首次将一套6 600 kvar无源PF加900 kvar有源AF的组合滤波器（HAPF）用于轧机整流拖动系统，两年后的1988年，Peng等学者又提出了串联有源AF加并联无源PF的混合型式，并于1991年在日本首次将20 Mvar无源PF加20 Mvar有源AF用于电弧炉炼钢进行谐波及闪变抑制。20世纪末，又进一步提出了IGBT＋SPWM逆变技术的有源滤波器，并利用“多重化技术”将“有源”AF从低电压扩张到中电压领域，但进入21世纪后，仍因为AF的某些技术难点尚未完全攻克，加之每kvar的造价大大高于“无源”PF，所以目前钢铁、冶金、石油、化工、矿山、机械、地铁、电铁、原子能、磁悬浮列车等工业领域的谐波治理仍以无源PF为主，PF＋AF的组合滤波器（HAPF）也逐步发展起来。

　　国内有源AF的研制始于20世纪80年代中期，清华、浙大、西交大、哈工大、华北电力大学等高校相继开展理论研究、仿真试验。1987年华北电力科学研究院正式立项研制，1989年该院与北京供电局、冶金部自动化所合作研制AF，于1990年研制出20 kVA样机，1991年12月中国第一台400 V50 kVA有源滤波器AF在北京某中心变电站投入运行，于1992年通过了能源部冶金部鉴定，填补了国内空白，达到20世纪80年代末国际水平，1994年荣获电力部科技进步二等奖。进入21世纪，华北电力科学研究院AF科研组（国家电力科研项目组），又将AF的容量提高到10 kV480 kVA。本文即在采用以“无源”为主，“有源”为辅的组合滤波方式这一基本设计思路的指导下为综合治理电铁谐波而撰写的。

4．2　无源PF与有源AF的滤波原理及比较

4．2．1　无源滤波（PF）的滤波原理

　　采用电工理论的LC串联谐振原理，即当2πhf1 L＝1／2πhf1 C时，LC串联阻抗为0，而对hf1频率即h次谐波呈现低阻通道而滤除，这是其物理本质，而在数学形式上可分为一阶，二阶，三阶滤波器；从接线方式上，可分为单调谐，双调谐，高通滤波器，关于品质因素q，失谐度δ，谐波放大，近频谐振等概念可参考有关文献，本文着重分析有源滤波原理。

4．2．2　有源滤波器（AF）的滤波原理

　　对于畸变了的工频正弦波，有源AF的滤波思路是将畸变部分整形（或整容），在正弦波的基本上，将凸出的部分削掉，将凹进去的部分填补；在数学表达上是将畸变波形分解成正弦分量和畸变分量，利用GTO、IGBT＋PWN控制技术，逆变产生一个与畸变分量大小相等，方向相反的补偿分量将其抵消，从而只剩下标准的正弦波分量。现用与正弦波相差甚远的方波为例，说明有源AF的滤波原理及与无源PF的滤波原理的根本区别，可用逻辑分析图对有源AF滤波原理的进行分析论证，并希望从中再探索一些有源滤波原理的新概念、新思路。因为整形、分解、倒相、移位，再合成的这些逻辑功能是可以通过电力电子线路来实现的，现对此进行逻辑分析。

　　从数学表达式来分析有源AF的滤波原理：方波负荷电流（畸变）：Isqu经过整形、分解、倒相、5上移“＋1”，得畸变分量：Idis→经AF产生一个逆变分量IAF＝－Idis，再合成：畸变负荷Isqu＋Iaf＝Isin。

　　证明：方波经整形、分解成：Isqu＝Isin＋Idis－Idis＝Isin，标准工频正弦波，再经倒相、上移、倒相由AF逆变器IAF＝－Adis，再经过合成在共用母线上合成：Isqu＋IAF＝Isin＋Idis－Idis＝Isin。

　　启示：从上面方波、整形、分解、倒相、上移、倒相、合成的过程中，还可精炼一些步骤。从分解将整形后的方波、分解、剥离后，可直接将分离出的畸变分量Idis（1＋2＋3曲线），下移“－1”就直接得到倒相AF逆变产生的滤波电流IAF＝－Idis。

　　证明：从逻辑数学原理，从倒相、上移“＋1”，再倒相等于不倒相，直接下移“－1”即可。

　　新思路：可否利用电力电子逻辑电路实现整形、分解后再直接下移“－1”得到倒相Iaf？不防一试！

　　从上述有源AF的滤波原理逻辑分析可以归纳出二个联立方程：

　　牵引供电臂上畸变负荷电流（方波）：Isqu＝Isin＋Idis（14）牵引供电臂上无源AF逆变电流：Iaf＝－Idis（15）

　　显然，只要简单地进行数学处理：（14）＋（15）式得

Isqu＋IAF＝Isin＋Idis－Idis＝Isin（16）

即可达到滤波目的，抵消掉畸变负荷电流Isqu中的畸变分量Idis，而得到标准正弦波，而且并不存在从27．5kV供电臂到110 kV电力系统的分流问题，也不存在无源PF设备的LC支路与110 kV电力系统谐波放大甚至谐振的威胁问题，还具有可节省大量L、C、R等有效材料，占地面积少等优点，但是有源AF滤波原理的核心所在是首先要将畸变负荷电流进行分解，得到畸变分量Idis，并“立即”（强调立即）跟踪逆变产生一个－Idis＝IAF，然后与原畸变负荷电源Isqu相加得到标准正弦波，但问题正在这里，“立即跟踪”并立即逆变出Idis的“立即”是很难做到的，而供电臂上负荷畸变电流是随时随地的变化着，有时还是十分快速的变化，这就是要求极快的采样、检测、控制技术及大功率电力电子开关，GTO或IGBT，前者提高滤波效果，后者增加滤波容量，而恰恰就是在这两方面，有源AF的相关技术还不很成熟，高电压，大容量还做不上去，这就限制了有源AF的发展，有待进一步完善，提高。此外，在逻辑分析的分解过程中，也提出了一些有挑战性的问题，值得大家去思考去探索。

4．3　无源滤波与有源滤波的技术性能及成本的比较

　　由上节可知，PF和AF的滤波原理是极不相同的，前者是属于传统电工技术领域（LC串联谐振原理），而后者属高新电力电子技术领域（GTO或IGBT＋PWM控制技术逆变原理），当然，传统的技术实践的时间较长（70多年），技术成熟、应用广泛，而“高新”的技术时间较短（才20余年），技术还不太成熟，应用也不太广泛。

　　就目前工业应用而言，PF以其投资少、效率高、原理单一、结构简单、运行可靠、维护方便等优点而在钢铁、冶金、石油、化工、矿山、机械、地铁、电铁、原子能、磁悬浮列车等领域获得了广泛应用，但缺点是其滤波特性受电力系统参数的影响较大，而且难免谐波放大，甚至与系统发生谐振危及电网安全，而且只能滤掉几个特定的主谐波，有时滤波要求与无功补偿，电压调节难以协调，单独PF难以避免无功倒送，电压升高，谐波放大，针对某一谐波源的PF投入运行后，随着公用电网背景谐波的增大，可引起该PF的过载，甚至烧毁。此外，PF滤波器，R、L、C消耗大量有效材料，体积大，占地多，针对PF这些缺点，于20世纪80年代才发展起来的有源AF，虽然能够逐步克服它们，尤其是AF的滤波效果与电力系统谐波阻抗无关，即AF可利用不同的漏磁通，在电力系统与谐波源之间形成一道隔离防线（对工频呈低阻抗，对谐波呈高阻抗），从而还克服了与系统谐波放大甚至谐振的危险。但目前无论是采样、检测技术（提取基波分量法，FFT数字化分析法，瞬时空间矢量法）还是PWM控制技术（滞环比较控制、三角载波线性控制、无差拍控制）在工程实践上，都还不太十分成熟，有待进一步改进、完善，再加上其成本太高，每kvar造价是无源PF的6至10倍，而且运行、维护远比无源PF复杂，尤其高电压大容量的有源AF要受到GTO、IGBT等电子开关频率的限制更难制作。国外20世纪90年代初AF只作到6．6 kV，2 000 kvar，以后又提高到66 kV，上万kvar，国内单台AF容量只能做到低压500 kvar，必须通过变压器才能接到6～10 kV高压，而随着工业大量电力电子非线性负荷的投入，谐波超标越来越严重，要求滤波的容量越来越大，这是目前“有源”AF难以满足的，为此，国外在20世纪80年代中期就提出了以无源为主有源为辅的组合滤波方式，并用于轧机与电弧炉系统。值得重视的是，20世纪90年代中期，中国纪延昭、黄瀚等学者提出了一种新型非跟踪检测型有源滤波器——广义有源滤波器，它通过改变逆变器输出波形的频谱分布，使其接近于正弦波，从而达到滤波的目的，因为采用了非跟踪控制，所以其控制系统比较简单，是一种构思较新颖实用的有源滤波器，但目前尚处于仿真、试验、推出小样机的阶段，离投入工业运行还有待进一步改进与完善。

5　综合治理电铁谐波的方案

　　由于电铁牵引负荷的“四非”特性——非线性（大功率整流设备）、非正弦性（波形畸变）、非对称性（单相大功率负荷）、非连续性（有功、无功冲击严重、电压波动大），其谐波、负序等电力公害不仅危及共用电网其它用户的安全生产，还会危及电铁系统自身的安全与可靠运行。因此，英、美、法、德、日等发达国家，甚至澳大利亚、南非都加大了对电铁谐波、负序等公害治理的力度，广泛采用了SVC（TCR＋PF）或SVC（TCR＋PF＋AF）的综合治理方案，获得了不少实践经验。此外，根据国际“电磁兼容”的要求，法国就在8K电力机车上安装了数千kvar的PF滤波器，以减少机车大功率整流设备产生的谐波，克服对电子通讯及共用电网其它用户的干扰，欲达到同一电网供电，彼此互不干扰、“电磁兼容”的目的，但效果并不理想。

国内虽在20世纪80年代就开始研究电铁谐波的治理，20世纪90年代还举行过几次专家论证，也就电铁谐波治理达到一定的共识，但由于某些客观和主观的因素影响到至今尚未正式开展综合治理，自1984年以来，导致北京、张家口、驻马店、信阳、晋东南、遵义大面积停电，设备烧毁等恶性事故，这个教训是值得深刻检讨的，但就在“电铁公害”难以治理的情况下，华北电力科学院、河南电力试验研究所、西北电力试验研究院、铁道研究院、西南交大等也相继提出了云南永丰营、河南汤阴、江西威舍、广西百色、河北柳新庄等电铁牵引站治理方案，有的还付诸实践进行了治理，如清华大学与河南电力试验研究所为稳定河南电网电压，合作开发了±20 Mvar新型静止无功发生器（SVG，也称STATCOM），采用四重化共48只GTO的电压型逆变器以消除12K±1（K＝1、2、3……）以上的特征谐波，并支撑、稳定河南电网电压，免受河南电铁的间隙性无功冲击的电压波动影响，于1999年4月投入运行，成为中国SVG技术应用的先驱。此外，四川省电力局与四川大学合作，提出了成昆电铁凉山段电能质量综合治理的可行性研究报告，为一揽子解决10个牵引站的一个220 kV变电站的谐波、负序等公害问题，为下一步AVG系统工程设计打下了基础。

　　就专门进行谐波负序综合治理的企业而言，东北荣信公司在20世纪90年代末就完成了西北某电铁牵引站无源滤波器的设计制造，投入运行后，又于2001年与陕西银河中试测量公司合作，承担了陕西神朔两个电铁牵引站共7．6万kvar的SVC（TCR＋PF）工程的设计制造任务，已于2002年7月底调试投运成功，8月10日移交正式运行，从而揭开了大容量SVC综合治理电铁谐波的序幕。

　　笔者在20世纪80年代初留欧期间引进BBC（现ABB）公司的SVC（TCR＋FC）成套工程设计制造技术，填补了国内在该技术领域的空白（1992年获国家机电部科技进步一等奖及国务院突出贡献特贴专家荣誉），并结合国内外SVC工程实践经验，考虑模糊相关及加权处理的四参数补偿容量QW的精密算法。在对某工程的实测中，QW算法的预测结果与实测结果的接近程度优于国际先进国家的预测计算水平。20多年来对铜川铝厂、楚雄铁合金厂、耀县水泥厂、长江电机厂轧机、宣威磷化工厂以及电弧炉、电热炉、中频炉等谐波、负序综合治理的检测、设计或安装调试、运行中探索到一些经验，并收集了不少电铁牵引站谐波、负序电能指标的实测数据。



配电网是电力系统发电、输电和配电(有时也称供电和用电)三大系统之一。电力公司通过配电网实现产品销售--向广大电力用户提供电能。随着经济的发展，观念的变化，电力公司正经历着一场深刻的变革：电力市场自由化。这场变革使电力公司面临新的挑战，不得不采取新的策略，新的技术和管理措施，转变经营理念，增强市场竞争实力。



　　一、配电自动化简介



　　配电自动化指：利用现代电子技术、通信技术、计算机及网络技术与电力设备相结合，将配电网在正常及事故情况下的监测、保护、控制、计量和供电部门的工作管理有机地融合在一起，改进供电质量，与用户建立更密切更负责的关系，以合理的价格满足用户要求的多样性，力求供电经济性，企业管理更为有效。



　　配电自动化是一个庞大复杂的、综合性很高的系统性工程，包含电力企业中与配电系统有关的全部功能数据流和控制。从保证对用户的供电质量，提高服务水平，减少运行费用的观点来看，配电自动化是一个统一的整体。



　　配电自动化包含以下4个方面：



　　? 馈线自动化。馈线自动化完成馈电线路的监测、控制、故障诊断、故障隔离和网络重构。其主要功能有：运行状态监测、远方控制和就地自主控制、故障区隔离、负荷转移及恢复供电、无功补偿和调压等。



? 变电站自动化。变电站自动化指应用自动控制技术和信息处理与传输技术，通过计算机硬软件系统或自动装置代替人工对变电站进行监控、测量和运行操作的一种自动化系统。变电站自动化以信号数字化和计算机通信技术为标志，进入传统的变电站二次设备领域，使变电站运行和监控发生了巨大的变化，取得显著的效益。



　　变电站自动化的基本功能有：数据采集、数据计算和处理、越限和状态监视、开关操作控制和闭锁、与继电保护交换信息、自动控制的协调和配合、与变电站其他自动化装置交换信息和与调度控制中心或集控中心通信等项功能。



　　变电站自动化技术是配电自动化的重点之一。



　　配电管理系统。配电管理系统(DMS)是指用现代计算机、信息处理及通信等技术和相关设备对配电网的运行进行监视、管理和控制。它是配电自动化系统的神经中枢，整个配电自动化系统的监视、控制和管理中心。主要功能有：数据采集和监控(SCADA)、配电网运行管理、用户管理和控制、自动绘图/设备管理/地理信息系统(AM/FM/GIS)等。



　　需求侧管理。通过一系列经济政策和技术措施，由供需双方共同参与的供用电管理。包含负荷管理、用电管理及需方发电管理等。需求侧管理的几个内容涉及电力供需双方，甚至与电力管理体制有关，必须通过立法和制订相应的规则，并最终由电力市场来调节。可以看到，电力的供需双方不仅仅是一种电力买卖关系，也是以双方利益为纽带的合作伙伴关系，在电力市场环境下，需求侧管理必将被重视。



　　上述4个方面的内容可以相互独立运行，它们之间的联系十分密切，特别是信息的采集、传递、存储、利用以及这些信息经过处理作出的决策和控制相互影响。因而，信息的管理十分重要。



　　二、配电自动化发展新动向



　　1?配电网自动化功能框架奠定，且得到充实和完善



　　国际供电会议(CIGRED)特设工作小组在1995年5月提出的专题报告中，按照以下原则：　　　1)把电网功能和用户功能区别开来；



　　2)把在线功能和计划功能区别开来；



　　3)把运行工作和维修工作区别开来。



　　将配电自动化功能划分为4组：电网运行、运行计划及其优化、维修管理、用户联系和控制。



　　在上述主功能组的基础上，再分成若干功能，奠定了配电自动化系统的主功能框架。需要强调的是：



　　(1)这4个功能组并不是各行其事，而是有着十分紧密的联系，经常交换信息，这样既可做到数据共享，更可保证控制和管理的一致性。



　　(2)数据管理的重要性。数据管理本身并不是配电自动化的功能，但是，所有的功能都包含在数据管理内，要实现庞大复杂的众多功能必须依靠数据管理来完成，这些功能所交换和共享的数据引起了功能间的联系。数据管理可确定所掌握的数据是需要相关管理的、连续不断更新的还是由若干系统共享的数据。数据管理建立了能满足配电自动化要求的新的机制和管理方法，是配电自动化不可缺少的组成部分。



　　IEC TC57/WG14工作组提出了配电管理系统接口规范。该规范不仅将上述配电自动化功能按照商业应用的要求作了分类，规定了每类的具体功能要求，而且将配电自动化系统与能量管理系统(EMS)、气象信息、雇员信息及用户信息系统的接口考虑进去，充实和完善了配电自动化功能框架。



　　2?配电网优化运行



　　电力市场的不断完善迫使电力企业以效益为目标，把工作中心转移到效率管理、降低成本和为用户提供优质服务上。这使得供电企业必须不断地分析电网的运行性能、制定电网优化运行的方案。



　　配电网的优化运行主要包括：无功补偿、提高供电质量、降低线损、设备运行和维护。



　　供电质量包括安全性、电压合格率、频率合格率、供电可靠性和用户对停电、收费及服务的意见。



　　提高供电可靠性的主要技术措施有：



　　(1)缩短故障停电时间



　　?故障自动报警；



　　?快速故障定位；



　　自动/人工遥控隔离故障，非故障区段恢复供电。



　　(2)降低事故隐患和影响



　　这重点在于对设备状态和电网参数进行经常性监测，力求在故障发生前检测出潜在的事故隐患。



　　变电站自动化的发展，使供电可靠性有了很大的提高，但是，要进一步缩短故障停电时间，很大一部分取决于馈线自动化的发展。必须在馈电线路上装设电动开关，配置馈线终端设备FTU，对一些分支线路，还应装设故障指示器，并利用通信系统，向系统提供馈线运行数据和状态，执行系统下达的馈线开关遥控操作命令。



　　非线性负载、电动机直接起动、不平衡负载、焊接设备以及家用电器设备增多，降低了电压质量。电压质量对现代电子设备及计算机系统影响极大。为此，提出系统应对电压进行连续测量和质量分析，噪声越限告警。同时，要根据实际需要选择不同的无功补偿方式。



　　3?集成化、智能化和综合化是一发展趋势



　　早期配电自动化的实施采用发展独立的、单项自动化系统来解决问题，如直接的负荷控制、大用户的远程抄表等，由于配电自动化的功能之间存在着不同程度的关联，其中大部分要求很难满足，且还无法克服在扩大应用规模时确认所需投资的合理性所遇到的困难。这种按"功能定向"的方法，已造成综合化水平非常低并带来若干反面影响，如功能重叠、数据的重复、灵活性很差和维修费用高等。



　　另外，配电自动化系统作为一个庞大复杂的、综合性很高的系统性工程，包含众多的设备和子系统，各功能、子系统之间存在着不同程度的关联，其本身及其所用技术又处于不断发展之中，对任一家制造商而言，根本不可能包揽一切。



　　这就要求配电自动化系统采用全面解决的方案，走系统集成之路，使得各种应用之间可