哈大高鐵客運專線對黑龍江省電網(wǎng)的影響分析

張明江

(黑龍江省電力科學(xué)研究院，哈爾濱150030)

哈大高鐵客運專線是中國目前嚴(yán)寒地區(qū)設(shè)計建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)最高的一條高速鐵路，全長921 km，全線設(shè)17個牽引站向電鐵供電，為雙線電氣化鐵路。其中黑龍江省境內(nèi)有2個牽引站，分別為哈西客站牽引變電所和雙城北牽引變電所。哈大客運專線動車組采用的CRH380B高寒動車組是交直交傳動電動車組，并且是單相系統(tǒng)供電，在機(jī)車運行過程中將產(chǎn)生大量的諧波和負(fù)序分量注入電網(wǎng)，波及其他用戶［1－2］;而且電鐵機(jī)車沿鐵路移動用電，產(chǎn)生的危害程度比其他類型的諧波源設(shè)備要嚴(yán)重得多［3－4］。對此，本文主要從電能質(zhì)量角度分析哈大高鐵客運專線對黑龍江省電網(wǎng)的影響。

1 供電方式

根據(jù)國家電網(wǎng)公司《電氣化鐵路牽引站接入電網(wǎng)導(dǎo)則(試行)》的要求，電力牽引負(fù)荷為一級負(fù)荷，采用集中供電方式，牽引站應(yīng)由兩路電源供電，當(dāng)任一路出現(xiàn)故障時，另一路仍應(yīng)正常供電。牽引站的兩路電源宜取自不同電源點的兩座變電站(發(fā)電廠)。如牽引站的電源取自同一變電站(發(fā)電廠)，原則上應(yīng)同時滿足以下條件:1)兩路電源取自不同段母線;2)該站應(yīng)至少有兩路電源進(jìn)線(含來自高一級電壓的不同降壓變壓器)。根據(jù)黑龍江省電網(wǎng)實際情況，哈西客站牽引變電所由哈西一次變電所和城鄉(xiāng)一次變電所各出一回220 kV線路供電，雙城北牽引變電所由雙城一次變電所出2回220 kV線路供電，供電網(wǎng)示意圖如圖1所示。

圖1 供電網(wǎng)示意圖Fig．1 Schematic diagram of power supply network

牽引變電所有兩回220 kV進(jìn)線，220 kV側(cè)主接線為帶隔離開關(guān)分段的單母線接線，內(nèi)設(shè)4臺220 kV/27.5 kV單相變壓器(哈西客站牽引變電所兩臺額定容量為31.5 MVA，兩臺額定容量為40 MVA;雙城北牽引變電所額定容量均為40 MVA)。兩臺變壓器與一回兩相220 kV線路構(gòu)成兩組線路—變壓器單元接線，采用固定備用方式，一組運行，一組備用，設(shè)有備用自動投入裝置。牽引變電所27.5 kV側(cè)接線采用單母線接線形式，牽引變壓器低壓側(cè)設(shè)置27.5 kV斷路器，饋線斷路器上下行互為備用，采用上下行饋線間隔聯(lián)絡(luò)電動負(fù)荷隔離開關(guān)運行方式。牽引站供電接線圖如圖2所示。

2 電鐵線路運行對電網(wǎng)的影響

2.1 系統(tǒng)參數(shù)

1)電能質(zhì)量考核點(PCC點):城鄉(xiāng)一次變電所、哈西一次變電所和雙城一次變電所的220 kV母線。

2)由城鄉(xiāng)一次變供電時的供電設(shè)備容量為466 MVA，由哈西一次變供電時的供電設(shè)備容量為1063 MVA，由雙城一次變電所供電時的供電設(shè)備容量為463 MVA。

3)城鄉(xiāng)一次變220 kV系統(tǒng)最小短路容量為2373.4 MVA，哈西一次變220 kV系統(tǒng)最小短路容量為7646.6 MVA，雙城一次變電所220 kV系統(tǒng)最小短路容量為2896.7 MVA。

4)哈西客站牽引變電所用電協(xié)議容量為223 MVA，雙城北牽引變電所用電協(xié)議容量為160 MVA。

2.2 負(fù)序分量

電鐵線路兩相供電系統(tǒng)，相當(dāng)于正常三相對稱系統(tǒng)經(jīng)大阻抗兩相短路［5］，其等值網(wǎng)絡(luò)圖如圖3所示。

圖2 哈西客站牽引變電所主接線示意圖(括號內(nèi)標(biāo)注為雙城北牽引變電所進(jìn)出線)Fig．2 Schematic diagram of main wire linein Harbin west railway traction station

圖3 電鐵線路等值網(wǎng)絡(luò)圖Fig．3 Electric railway line equivalent network diagram

由圖3可知

假設(shè)Xs1=Xs2，Xl1=Xl2，Xe1=Xe2，則

I2=I1=Es/(2Xs1+2Xl1+2Xe1)

式中:Xs1，Xs2為系統(tǒng)等值正、負(fù)序電抗;Xl1，Xl2為電鐵輸電線路正、負(fù)序電抗;Xe1，Xe2為牽引站單相變壓器正、負(fù)序勵磁電抗。

由中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司提供的牽引變電所220 kV側(cè)的負(fù)序功率平均值為31.13 MVA，短時值92.29 MVA，負(fù)序電流平均值為81.7 A，短時值242.2 A。

根據(jù)電力分析理論知識和系統(tǒng)及發(fā)電廠參數(shù)，計算出注入哈三B電廠和哈一熱電廠的負(fù)序電流(I2)及其與額定電流之比(I2/IN)如表1所示。

表1 注入電廠的負(fù)序電流(I2)及其與額定電流之比(I2/IN)值Tab．1 Negative sequence current of injecting power plant and the ratio of negative sequence current(I2)to the rated current(I2/IN)

當(dāng)公共連接點的正序阻抗與負(fù)序阻抗相等時，負(fù)序電壓不平衡度計算公式為

式中:I2為負(fù)序電流值，A;Sk為公共連接點的三相短路容量，VA;UL為線電壓，V。

根據(jù)式(1)，當(dāng)牽引變電所分別由城鄉(xiāng)一次變、哈西一次變供電和雙城一次變供電時，公共連接點的三相電壓不平衡度如表2所示。

表2 牽引變電所運行時公共連接點三相電壓不平衡度Tab．2 Three-phase voltage unbalance for common point when traction station operating

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《隱極同步發(fā)電機(jī)技術(shù)要求》(GB/T 7064－2008)、國家標(biāo)準(zhǔn)《旋轉(zhuǎn)電機(jī) 定額和性能》(GB 755－2008)和國家電力公司標(biāo)準(zhǔn)《汽輪發(fā)電機(jī)運行規(guī)程》(1999年版 國電發(fā)［1999］579號)的規(guī)定，當(dāng)三相負(fù)荷不對稱時，如發(fā)電機(jī)所承受的負(fù)序電流分量(I2)與額定電流之比(I2/IN)符合表3的規(guī)定，且定子每相電流均不超過額定值時，應(yīng)能連續(xù)運行。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量 三相電壓不平衡》(GB/T 15543－2008)的規(guī)定，電力系統(tǒng)公共連接點電壓不平衡度限值正常運行為2%，短時為4%。

表3 不平衡負(fù)荷運行限值Tab．3 Unbalanced load operation limit

2.3 諧波分量

哈大高鐵配備的是CRH380B型高寒動車組，采用交－直－交傳動方式。交直交動車組的特點是功率因數(shù)高，牽引工況接近1;諧波頻譜寬，高次諧波含量低。電鐵諧波的特征諧波為2、3、5、7次，其中3次諧波電流含有率最大，隨著諧波次數(shù)的增大，含有率快速遞減［6］。

根據(jù)中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司提供的資料，在高峰時段，牽引站兩側(cè)的上、下行方向均有兩臺機(jī)車運行，單臺機(jī)車牽引最大功率為8800 kW，單臺機(jī)車的諧波電流頻譜數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 單臺機(jī)車的諧波電流頻譜圖Fig．4 Harmonic current spectrum of single locomotive

從圖4可以看出，單臺機(jī)車的諧波電流頻譜主要為2次、3次、5次和 7次，其含有率分別為0.75%、1.8%、0.58%和0.6%。單臺機(jī)車的諧波電流值如表4所示。

表4 單臺機(jī)車的諧波電流值Tab．4 Harmonic current of single locomotive

國家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》(GB/T 14549－93)中推薦，兩個諧波源的同次諧波電流在一條線路的同一相上疊加，當(dāng)相位不確定時可按下式進(jìn)行計算:

式中:疊加系數(shù)Kh按表5選取;Ih1和Ih2分別為諧波源1和2的第h次諧波電流，單位為A。

表5 疊加系數(shù)Kh的值Tab．5 Superposition coefficirnt Kh

兩個以上同次諧波電流疊加時，首先將兩個諧波電流疊加，然后再與第三個諧波電流疊加，以此類推。牽引變電所正常運行時注入220 kV系統(tǒng)的諧波電流值如表6所示。

表6 牽引變電所正常運行時注入220 kV系統(tǒng)的諧波電流值Tab．6 Injeting harmonic current of 220 kV system when traction station in normal operation

根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)和國家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》(GB/T 14549－93)的規(guī)定，牽引變電所注入220 kV電網(wǎng)的各次諧波電流允許值如表7所示。

從表7可以看出，由雙城一次變電所供電時，牽引變電所運行時所產(chǎn)生的3次諧波電流超出國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許值。

3 電能質(zhì)量治理方案

通過以上計算分析可知，由雙城一次變電所供電時，牽引變電所運行時所產(chǎn)生的3次諧波電流超出國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的220 kV公共連接點的諧波電流注入允許值的要求。根據(jù)《電力法》和黑龍江省電力公司相關(guān)文件的要求，在雙城北牽引變電所必須加裝電能質(zhì)量治理裝置，并且與主設(shè)備同時設(shè)計、同時建設(shè)、同時驗收、同時投入使用，確保電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運行。由于牽引機(jī)車為單相負(fù)荷，在運行過程中將產(chǎn)生負(fù)序電流，引起系統(tǒng)不平衡(負(fù)序)干擾，所以電能質(zhì)量治理方案應(yīng)綜合考慮以上問題，擬采用靜止無功補(bǔ)償器(SVC)［7］。整套裝置由TCR、隔離開關(guān)、高壓濾波電容器、濾波電抗器、放電線圈、氧化鋅避雷器、支柱絕緣子、安裝框架等組成。

3.1 設(shè)計原則

濾波及無功補(bǔ)償裝置的配置需要考慮以下幾點:

1)根據(jù)現(xiàn)有功率因數(shù)和目標(biāo)功率因數(shù)，確定補(bǔ)償容量。

2)根據(jù)諧波電流的大小，確定濾波支路個數(shù)及濾波支路的有效容量。

3)根據(jù)濾波及無功補(bǔ)償裝置的安全性，確定濾波支路的電容器額定電壓。

4)根據(jù)電容器的串、并聯(lián)臺數(shù)以及保護(hù)方式，確定濾波支路的單臺電容器容量。

5)根據(jù)多個仿真計算的結(jié)果，確定濾波支路的最終詳細(xì)參數(shù)。

電容器組額定電壓的選取考慮下列因素:

表7 牽引變電所注入220 kV電網(wǎng)的各次諧波電流允許值Tab．7 Allowed harmonic current of traction station in 220 kV systemA

圖5 一次系統(tǒng)圖Fig．5 Primary system diagram

1)接入點的系統(tǒng)最高運行電壓。

2)串聯(lián)電抗器引起的濾波電容器工頻電壓升高。

3)諧波引起的電容器電壓升高。

4)相間和串聯(lián)段間的電壓分配不均勻。

3.2 參數(shù)計算及配置

本方案以綜合解決電氣化鐵路的三相電壓不平衡度、諧波和功率因數(shù)為目標(biāo)。SVC包含相控電抗器TCR和濾波器FC兩部分。將35 kV TCR裝置通過一個升壓變壓器接到雙城北牽引變電所220 kV母線。濾波器裝置分為兩部分:一部分與TCR接到統(tǒng)一35 kV母線，采用三相單調(diào)諧濾波器，含3次、5次濾波支路，作用是濾除TCR裝置本身產(chǎn)生的諧波電流;另一部分是在牽引站兩段27.5 kV供電臂母線上各安裝一套單相濾波器，分別為3次、5次濾波支路，用來濾除電力機(jī)車產(chǎn)生的諧波電流。一次系統(tǒng)圖如圖5所示。

TCR三相總?cè)萘繛?20 MVA，濾波器基波無功補(bǔ)償容量為85 MVA，具體參數(shù)如表8所示。

3.3 治理效果分析

220 kV母線濾波前后諧波電流如表9所示。

SVC投運后，PCC點三相電壓不平衡度＜1.3%，雙城北牽引變電所220 kV側(cè)的功率因數(shù)大于0.95，滿足要求。

4 結(jié)語

本文從諧波和負(fù)序角度詳細(xì)分析了哈大高鐵客運專線對黑龍江省電網(wǎng)的影響，說明對于同一負(fù)荷接入不同系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響也是不一樣的，對于超出國標(biāo)允許值的情況，給出了治理方案，保證了電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

表8 治理方案參數(shù)配置Tab．8 Parameter configuration of the control plan

表9 220 kV母線的諧波電流值Tab．9 Harmonic current of the 220 kV bus A

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