德大電氣化鐵路接入對(duì)山東電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響

董云先，張青青，張高峰，王慶玉

（1.華電國(guó)際萊城發(fā)電廠，山東 萊城 271100；2.山東電力集團(tuán)公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250002）

0 引言

隨著電氣化鐵路的飛速發(fā)展，極大提高了鐵路運(yùn)力，但對(duì)于電力系統(tǒng)，電氣化鐵路牽引負(fù)荷是一種特殊的流動(dòng)性負(fù)荷。我國(guó)電氣化鐵路采用工頻單相交流制，電氣化鐵路牽引系統(tǒng)主要包括供電系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)。其中，供電系統(tǒng)，我國(guó)電氣化鐵路均由電力系統(tǒng)以220 kV或110 kV電壓供電；牽引系統(tǒng)，由牽引站、供電線及接觸網(wǎng)等部分組成。電力機(jī)車從接觸網(wǎng)得到27.5 kV單相工頻交流電，經(jīng)機(jī)車內(nèi)部的整流設(shè)備整流成直流供給牽引電動(dòng)機(jī)［1］。因此，牽引負(fù)荷為單相整流負(fù)荷，是一種呈隨機(jī)特性、不對(duì)稱的非線性負(fù)荷，牽引負(fù)荷所產(chǎn)生的較大負(fù)序分量和諧波分量，對(duì)電力系統(tǒng)其它用戶及發(fā)電機(jī)產(chǎn)生危害。

1 德大電氣化鐵路工程概況

德大電氣化鐵路為德龍煙鐵路其中的一段，德龍煙鐵路起自山東省德州市德城區(qū)黃河涯鎮(zhèn)，經(jīng)過(guò)濰坊市大家洼、龍口市，止于煙臺(tái)市，被稱為山東第二條“膠濟(jì)鐵路”，由德大（擬建）、大萊龍（建成）、龍煙（在建）鐵路共同組成。

德大電氣化鐵路工程新建陵縣、商河、陽(yáng)信、洛王、東營(yíng)南、東宅科 6座牽引變電所，外部電源均采用山東省電網(wǎng)110 kV電壓等級(jí)供電。電網(wǎng)供電站分別為 220 kV楊治站、龍門(mén)站、商河站、樂(lè)陵站、陽(yáng)信站、雙廟站、濱北站、利津站、丁莊站、史口站、北海站、豐臺(tái)站。新建6個(gè)直供牽引變電所設(shè)兩回獨(dú)立110 kV進(jìn)線源，進(jìn)線側(cè)采用線路變壓器接線，進(jìn)線隔離開(kāi)關(guān)的線路側(cè)設(shè)置手動(dòng)接地刀閘，牽引變壓器采用V/v結(jié)線變壓器，固定備用方式，一主一備，互為備用。

表1 德大電氣化鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2 V/v聯(lián)結(jié)牽引變壓器建模

V/v結(jié)線牽引變壓器原理和相量關(guān)系如圖1所示。

圖1 V/v結(jié)線牽引變壓器原理和相量關(guān)系圖

V/v結(jié)線牽引變壓器一次、二次側(cè)電流關(guān)系［1］：

式中，K為牽引變壓器的變壓比。

3 ETAP建模及仿真分析

Electrical Transient Analyzer Program簡(jiǎn)稱ETAP，是功能全面的綜合型電力及電氣分析計(jì)算軟件。通過(guò)收集德大電氣化鐵路供電電網(wǎng)資料，并分析德大電氣化鐵路的負(fù)荷特點(diǎn)，運(yùn)用ETAP搭建仿真模型，對(duì)德大電氣化鐵路接入山東電網(wǎng)將引起的電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行仿真計(jì)算分析。

3.1 牽引站注入系統(tǒng)的諧波電流

當(dāng)公共連接點(diǎn)的短路容量不同于基準(zhǔn)容量時(shí)，公共連接點(diǎn)的全部用戶向該點(diǎn)注入的諧波電流分量（均方根值）允許值［2］

式中：Sk1為公共連接點(diǎn)的最小短路容量，MVA；Sk2為基準(zhǔn)短路容量，MVA；Ihp為第h次諧波電流允許值，A；Ih為短路容量為Sk1時(shí)的第h次諧波電流允許值，A。

按國(guó)標(biāo) GB/T14549-93《電能質(zhì)量—公用電網(wǎng)諧波》附錄C的要求，在公共連接點(diǎn)處的第i個(gè)用戶的第h次諧波電流允許值還需按式（3）進(jìn)行換算：

式中：Ih為上述短路容量為Sk1時(shí)的第h次諧波電流允許值，A；Si為第 個(gè)用戶的用電協(xié)議容量，MVA；St為公共連接點(diǎn)的供電設(shè)備容量，MVA；墜為相位疊加系數(shù)［2］。

根據(jù)式（2）及式（3），計(jì)算牽引機(jī)車注入電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)的3、5、7次諧波電流允許值如表2所示。

表2 牽引站注入系統(tǒng)的諧波電流允許值 A

根據(jù)鐵路部門(mén)提供的資料，分析牽引負(fù)荷特點(diǎn)后計(jì)算得出牽引站注入系統(tǒng)的各次諧波電流如表3所示。

表3 牽引站注入系統(tǒng)的諧波電流值 A

對(duì)比表 2及表 3可知，德大電氣化鐵路接入引起電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)3、5、7次諧波電流均嚴(yán)重超標(biāo)。

3.2 牽引站接入引起的公共連接點(diǎn)電壓畸變

在分析牽引負(fù)荷引起的電能質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，首先應(yīng)了解牽引站所接入的附近電網(wǎng)的公共連接點(diǎn)母線背景電能質(zhì)量情況。為此，對(duì)供電變電站110 kV母線以及各站重要進(jìn)線電能質(zhì)量情況進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)測(cè)試。諧波、三相電壓不平衡度的測(cè)量結(jié)果采用 95%概率值，并選取三相總諧波畸變率最大值相作為總諧波畸變率，得出諧波和不平衡度背景數(shù)據(jù)。

建立諧波網(wǎng)絡(luò)仿真模型，對(duì)牽引站引起供電變電站母線的諧波電壓進(jìn)行仿真計(jì)算。計(jì)算中考慮各牽引站供電方式 （供電變電站為一主一備方式給牽引變電站供電，對(duì)供電變電站進(jìn)行排列組合），在不同供電方式下注入根據(jù)機(jī)車諧波電流含有率計(jì)算出的機(jī)車 3～7次諧波電流，得到相應(yīng)公共連接點(diǎn)的各次諧波電壓含有率及總諧波畸變率。在不考慮背景諧波情況下，各供電變電站母線（110 kV）總諧波畸變率最大時(shí)的各次諧波含有率及相應(yīng)的總諧波電壓畸變率（THD）如表4所示。

表4 不考慮背景諧波時(shí)牽引站接入供電變電站母線諧波電壓及總諧波畸變率 %

考慮背景諧波后，各牽引站接入電網(wǎng)后，牽引站供電站母線各次諧波電壓畸變率及總諧波電壓畸變率見(jiàn)表 5［3］。

表5 考慮背景諧波時(shí)牽引站接入供電變電站母線諧波電壓及總諧波畸變率 %

根據(jù)表 4所示，不考慮背景諧波時(shí)，因牽引站接入注入系統(tǒng)的諧波電流引起的各次諧波電壓畸變較大，其中楊治站 7次諧波電壓含有率超過(guò)國(guó)標(biāo)奇次諧波電壓畸變率 1.6%限值要求，同時(shí)楊治、龍門(mén)、商河、樂(lè)陵、利津、史口、北海站諧波電壓總畸變率超過(guò)國(guó)標(biāo) 2%限值要求；根據(jù)表5所示，考慮背景諧波后，除上述諧波電壓超標(biāo)外，商河站5次諧波電壓含有率超過(guò)國(guó)標(biāo)奇次諧波電壓畸變率 1.6% 限值要求，陽(yáng)信站、雙廟站、丁莊站諧波電壓總畸變率超過(guò)國(guó)標(biāo) 2% 限值要求［2］。

3.3 牽引站接入引起的公共連接點(diǎn)三相電壓不平衡度

在進(jìn)行負(fù)序計(jì)算時(shí)，首先根據(jù)發(fā)電機(jī)、變壓器、線路等元件參數(shù)建立系統(tǒng)等值負(fù)序網(wǎng)絡(luò)，得到注入系統(tǒng)各母線的基波負(fù)序電流和母線負(fù)序電壓。

牽引站注入系統(tǒng)的負(fù)序電流的取值跟牽引變壓器的接線方式和牽引供電臂的負(fù)荷電流有關(guān)，牽引變壓器的接線方式為V/v接線，兩臂電流取值考慮4種方式。

方式一，重饋線取 95% 概率最大電流值，輕饋線電流為 0；

方式二，重饋線取 95% 概率最大電流值，輕饋線電流為95%概率最大電流值的50%；

方式三，重饋線取 95% 概率最大電流值，輕饋線電流為95%概率最大電流值的75%；

方式四，重饋線取 95% 概率最大電流值，輕饋線為95%概率最大電流值；

在 V/v變壓器接線時(shí)，供電臂電流的四種取值方式下，應(yīng)用 ETAP仿真得到各公共連接點(diǎn)正序電壓、負(fù)序電壓及三相電壓不平衡度，計(jì)算結(jié)果如表 6所示?？紤]各供電站公共連接點(diǎn)背景三相不平衡后，得到德大電氣化鐵路接入后各公共連接點(diǎn)母線三相電壓不平衡度見(jiàn)表 7。

表6 不考慮背景下各公共連接點(diǎn)母線三相電壓不平衡度結(jié)果 %

表7 考慮背景下各公共連接點(diǎn)母線三相電壓不平衡度結(jié)果 %

分析表 6及表 7可知，陵縣牽引站接入引起公共連接點(diǎn)母線（楊治 110 kV、龍門(mén)110 kV）三相電壓不平衡度超過(guò)國(guó)標(biāo)規(guī)定的接于系統(tǒng)公共連接點(diǎn)的每個(gè)用戶引起該點(diǎn)三相電壓不平衡度不超過(guò)1.3% 的限值要求［4］，其余牽引站接入引起的公共連接點(diǎn)三相電壓不平衡度雖未超標(biāo)，但數(shù)值較大。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)仿真計(jì)算得知德大電氣化鐵路負(fù)荷注入電網(wǎng)的3、5、7次諧波電流均超標(biāo)。不考慮背景諧波時(shí)，因牽引站接入注入系統(tǒng)的諧波電流引起楊治站7次諧波電壓含有率超過(guò)國(guó)標(biāo)奇次諧波電壓畸變率 1.6% 限值要求，同時(shí)楊治、龍門(mén)、商河、樂(lè)陵、利津、史口、北海站諧波電壓總畸變率超過(guò)國(guó)標(biāo)2%限值要求?？紤]背景諧波后，除上述諧波電壓超標(biāo)外，商河站 5次諧波電壓含有率超過(guò)國(guó)標(biāo)奇次諧波電壓畸變率 1.6%限值要求，陽(yáng)信站、雙廟站、丁莊等站諧波電壓總畸變率超過(guò)國(guó)標(biāo)2%限值要求。陵縣牽引站接入引起公共連接點(diǎn)母線（楊治 110 kV、龍門(mén)110 kV）三相電壓不平衡度超過(guò)國(guó)標(biāo)規(guī)定的接于系統(tǒng)公共連接點(diǎn)的每個(gè)用戶引起該點(diǎn)三相電壓不平衡度不超過(guò) 1.3%的限值要求。

［1］譚秀炳.交流電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2009.

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

［3］劉勇，段曉波.電氣化鐵路V/v牽引變壓器接入系統(tǒng)諧波評(píng)估［J］.河北電力技術(shù)， 2007，26（5）： 21-23.

［4］GB/T 15543-2008電能質(zhì)量 三相電壓不平衡［S］.