電鐵牽引負(fù)荷對(duì)縣級(jí)電網(wǎng)電能質(zhì)量影響的測(cè)量與治理仿真

江宇，楊文群，王治玲，劉江，趙春

(1. 國(guó)網(wǎng)重慶秀山縣供電有限責(zé)任公司，重慶 409900; 2. 國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司江津分公司，重慶 402260)

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電鐵牽引負(fù)荷對(duì)縣級(jí)電網(wǎng)電能質(zhì)量影響的測(cè)量與治理仿真

江宇1，2，楊文群1，王治玲2，劉江2，趙春2

(1. 國(guó)網(wǎng)重慶秀山縣供電有限責(zé)任公司，重慶 409900; 2. 國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司江津分公司，重慶 402260)

縣級(jí)電網(wǎng)電源點(diǎn)少電氣結(jié)構(gòu)較弱，縣級(jí)電網(wǎng)接入的電鐵牽引負(fù)荷具有的非線性、單相獨(dú)立性和隨機(jī)波動(dòng)性的特點(diǎn)，是影響縣級(jí)電網(wǎng)電能質(zhì)量的主要原因，利用ELSPEC電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀對(duì)縣級(jí)電網(wǎng)110 kV母線電壓進(jìn)行連續(xù)測(cè)試，分析得出電鐵牽引負(fù)荷產(chǎn)生的電壓驟降、諧波注入、電壓波動(dòng)及閃變、負(fù)序不平衡度對(duì)縣級(jí)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響程度，根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)負(fù)荷側(cè)擬采用的SVC補(bǔ)償方案利用PSCAD電網(wǎng)仿真計(jì)算軟件進(jìn)行仿真分析，得出采用SVC治理措施后電壓合格水平得到有效提升的結(jié)論。

電鐵；縣級(jí)電網(wǎng)；電能質(zhì)量；測(cè)量；仿真

0 引 言

隨著電氣工業(yè)的發(fā)展進(jìn)步，特別是數(shù)字式自動(dòng)控制技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的大規(guī)模應(yīng)用，對(duì)供電系統(tǒng)的電壓質(zhì)量提出了更高的要求。而根據(jù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)用電需要，縣級(jí)電網(wǎng)和大城市核心電網(wǎng)相比布置的電源點(diǎn)較少，電氣結(jié)構(gòu)較弱，電網(wǎng)運(yùn)行中電能質(zhì)量受到?jīng)_擊性大負(fù)荷的影響更大，電網(wǎng)中接入敏感負(fù)荷越來越多，電能質(zhì)量對(duì)這些敏感負(fù)荷正常運(yùn)行造成了嚴(yán)重影響[1]，全面監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量已成為供電部門的重要任務(wù)。

秀山電網(wǎng)處于渝東南地區(qū)，僅有一座220 kV變電站作為電源支撐點(diǎn)，電網(wǎng)內(nèi)接有二座110 kV電鐵牽引站，電鐵負(fù)荷為波動(dòng)性很大的大功率單相整流負(fù)荷，具有不對(duì)稱性、非線性、波動(dòng)性和功率大的特性[2-3]，對(duì)電網(wǎng)電壓質(zhì)量影響明顯，在電網(wǎng)側(cè)利用ELSPEC電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀對(duì)縣級(jí)電網(wǎng)110 kV母線電壓進(jìn)行連續(xù)測(cè)試，分析得出電鐵牽引負(fù)荷產(chǎn)生的電壓驟降、諧波注入、電壓波動(dòng)及閃變、負(fù)序不平衡度對(duì)縣級(jí)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響程度，結(jié)合秀山電網(wǎng)實(shí)際情況提出從負(fù)荷側(cè)采用SVC補(bǔ)償?shù)拇胧肞SCAD電網(wǎng)仿真計(jì)算軟件對(duì)擬采用的補(bǔ)償方案進(jìn)行仿真分析，得出治理后電能質(zhì)量仿真結(jié)果。

1 電鐵牽引負(fù)荷的原理及特性

目前我國(guó)電氣化鐵道仍主要采用交直型電力機(jī)車和交直交型電力機(jī)車，交直型電力機(jī)車是典型的不平衡、整流型負(fù)荷，其產(chǎn)生的諧波、負(fù)序?qū)秒娋W(wǎng)造成的主要電能質(zhì)量問題是電壓驟降、閃變大、諧波、無功和負(fù)序，交直交電力機(jī)車產(chǎn)生少量高次諧波，主要影響是負(fù)序。秀山地區(qū)運(yùn)行的主要是交直型電力機(jī)車，本文主要研究交直型電力機(jī)車的影響。

圖1 交直型電力機(jī)車電氣示意圖

電鐵牽引供電系統(tǒng)是電氣化鐵路從電力系統(tǒng)接引電源，降壓轉(zhuǎn)換后給電力機(jī)車供電的電力網(wǎng)絡(luò)。它由牽引變電所和牽引網(wǎng)兩部分組成。牽引變電所采用二路電源進(jìn)線，二臺(tái)牽引變壓器，一主一備方式運(yùn)行。110 kV或220 kV電源經(jīng)牽引變壓器后，降壓為1×27.5 kV或2×27.5 kV，然后供給牽引網(wǎng)。牽引網(wǎng)如同電力系統(tǒng)的輸電線路，由供電線路、接觸網(wǎng)、軌道回路等組成。接觸網(wǎng)架設(shè)在鐵路上方，電力機(jī)車通過受電弓與接觸線滑動(dòng)接觸而獲得電能。牽引供電系統(tǒng)電氣原理圖如圖1所示[4]。

電鐵牽引供電系統(tǒng)的任務(wù)是向電力機(jī)車供電。電鐵牽引供電系統(tǒng)的負(fù)荷特性，主要取決于電力機(jī)車的電氣特性、鐵路線路條件和運(yùn)輸組織方案等因素。交直型電力機(jī)車采用半控橋式整流，通過晶閘管控制導(dǎo)通角來控制機(jī)車出力，所以，交直機(jī)車在整流過程中會(huì)產(chǎn)生諧波，導(dǎo)致功率因數(shù)較低[5-6]。

2 電鐵牽引負(fù)荷對(duì)電能質(zhì)量影響的測(cè)量

2.1 測(cè)試點(diǎn)和測(cè)試量的選擇

圖2 電網(wǎng)接線及測(cè)量點(diǎn)選取示意圖

秀山電網(wǎng)兩座電鐵牽引站分別接入220 kV秀山站的110 kV母線，和平凱站110 kV母線，接線示意圖如圖2所示，為得出電鐵牽引負(fù)荷對(duì)秀山電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，選擇兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)分別為平凱站110 kV母線電壓和平梅北線電流，涌圖站110 kV母線電壓。兩臺(tái)ELSPEC電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀G4400從12月2日至12月8日分別對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行了一周的連續(xù)測(cè)量，在涌圖變電站高壓側(cè)母線主要測(cè)量在無電鐵負(fù)荷影響下的電壓偏差情況，在平梅北線主要測(cè)量有電鐵負(fù)荷影響下的有功負(fù)荷、無功負(fù)荷和電壓波動(dòng)情況。測(cè)量點(diǎn)設(shè)置如圖2所示。

2.2 測(cè)試結(jié)果分析

2.2.1 電壓越限

根據(jù)提取的平凱站測(cè)量數(shù)據(jù)，選取一天中電網(wǎng)最大負(fù)荷時(shí)段(12月3日11點(diǎn)18分至11點(diǎn)30分)的電壓、有功、無功曲線測(cè)量結(jié)果可以看出電壓變化與電鐵負(fù)荷的啟用成對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示，電鐵負(fù)荷在12分鐘內(nèi)有三次啟停，且啟用負(fù)荷和停用負(fù)荷均為短時(shí)間完成，啟停頻繁給用戶側(cè)和電源側(cè)投切電容器補(bǔ)償無功造成較大困難。電鐵啟用負(fù)荷時(shí)從電網(wǎng)下網(wǎng)大量有功，牽引站補(bǔ)償?shù)臒o功不足造成從系統(tǒng)吸收大量無功，最多達(dá)9 Mvar，降低系統(tǒng)電壓，電壓低至111.5 kV。無電鐵通過時(shí)，牽引站倒送無功，最多達(dá)3 Mvar，抬升系統(tǒng)電壓，電壓高至114.5 kV；電鐵功率大，功率因數(shù)低特性明顯，是造成電壓頻繁越限的主要原因，電鐵牽引負(fù)荷造成的電壓降達(dá)到2.8%。

圖3 電壓曲線與有功無功負(fù)荷運(yùn)行分析圖

提取平凱站、涌圖站110 kV母線單日記錄曲線如圖4所示，一天中電壓越上限和越下限次數(shù)多，且越限持續(xù)時(shí)間短、越限時(shí)間間隔短。提取涌圖站、平凱變站110 kV母線多日記錄曲線,兩個(gè)站的110 kV側(cè)母線電壓呈現(xiàn)以天為周期的規(guī)律變化，一天內(nèi)兩站電壓變化趨勢(shì)及越限次數(shù)、超限幅值基本一致，可以統(tǒng)計(jì)得出電鐵牽引負(fù)荷對(duì)秀山電網(wǎng)電能質(zhì)量影響具有同步性和普遍性。

圖4 單日電壓變化趨勢(shì)圖

2.2.2 諧波影響

提取12月10日8點(diǎn)40分至10點(diǎn)40分平凱站110 kV母線電壓測(cè)試數(shù)據(jù)分析，在2小時(shí)內(nèi)諧波電壓統(tǒng)計(jì)值如圖5所示。根據(jù)諧波電壓統(tǒng)計(jì)情況，奇次諧波電壓含有率高于偶次諧波電壓含有率，奇次諧波含有率最高是11次諧波為1.5%，偶次諧波含有率最高是二次諧波為0.82%。國(guó)標(biāo)《GB_T_12326-2008電能質(zhì)量-公用電網(wǎng)諧波》中規(guī)定電網(wǎng)奇次諧波電壓含有率為1.6%，偶次諧波電壓含有率為0.8%，奇次諧波電壓含有率接近國(guó)標(biāo)規(guī)定，偶次諧波電壓中二次諧波電壓含有率超過國(guó)標(biāo)。

圖5 諧波電壓情況

提取12月10日8點(diǎn)40分至10點(diǎn)40分平凱站110 kV平梅北線電流測(cè)試數(shù)據(jù)分析，在2小時(shí)內(nèi)諧波電流統(tǒng)計(jì)值如圖6所示。根據(jù)諧波電流統(tǒng)計(jì)情況，除二次諧波電流外，其余奇次諧波電流高于偶次諧波電流，偶次諧波電流含有率最高是二次諧波為19 A。國(guó)標(biāo)《GB_T_12326-2008電能質(zhì)量-公用電網(wǎng)諧波》中規(guī)定諧波電流限值為20 A，而測(cè)試結(jié)果中二次諧波電流高達(dá)19.9 A接近標(biāo)準(zhǔn)限值。

圖6 諧波電流情況

2.2.3 長(zhǎng)時(shí)閃變

提取平凱站110 kV母線12月3日至12月10日的長(zhǎng)時(shí)閃變測(cè)試結(jié)果Plt如圖7所示。Plt為長(zhǎng)達(dá)7天測(cè)試時(shí)間中累計(jì)概率統(tǒng)計(jì)曲線閃變視感度不超過95%的概率短時(shí)閃變值。平凱站110 kV母線電壓長(zhǎng)時(shí)閃變大多數(shù)時(shí)間超過0.5，長(zhǎng)時(shí)閃變最高為1.0。根據(jù)《GB_T_12326-2008電能質(zhì)量-電壓波動(dòng)和閃變》要求，長(zhǎng)時(shí)閃變限值低于1.0，電鐵負(fù)荷產(chǎn)生的長(zhǎng)時(shí)閃變達(dá)到國(guó)標(biāo)限值。

圖7 長(zhǎng)時(shí)閃變情況

2.2.4 負(fù)序電壓不平衡度

提取平凱站110 kV線母線12月3日至12月10日負(fù)序電壓不平衡度的測(cè)試結(jié)果如圖8所示。在測(cè)試時(shí)間內(nèi)，平凱站110 kV母線負(fù)序電壓不平衡度有兩個(gè)時(shí)段超過2%如圖8所示，兩次負(fù)序電壓不平衡度超2%的時(shí)間分別是18 s和30 s，其余時(shí)間均小于2%。根據(jù)國(guó)標(biāo)《電能質(zhì)量_三相電壓不平衡》(GB-T_15543-2008)要求，負(fù)序電壓不平衡度不超過2%，測(cè)量結(jié)果顯示電鐵負(fù)荷引起的負(fù)序電壓不平衡度超過國(guó)標(biāo)限值。

圖8 12月3日-12月10日負(fù)序電壓不平衡度

2.3 小結(jié)

通過以上分析可知，電鐵牽引負(fù)荷與電網(wǎng)電壓質(zhì)量影響明顯，造成110 kV涌圖站、平凱變電站110 kV母線電壓高頻越限，諧波電壓和負(fù)序電壓不平衡度超過國(guó)標(biāo)限值，諧波電流和長(zhǎng)時(shí)閃變均達(dá)到國(guó)標(biāo)限值。

3 治理措施仿真分析

3.1 治理措施選取

根據(jù)目前成熟的無功補(bǔ)償和電能質(zhì)量整治的方案，擬在牽引站低壓側(cè)配置靜止無功功率補(bǔ)償器(SVC)，SVC是一種典型的柔性交流補(bǔ)償裝置可快速改變無功功率，為電力系統(tǒng)提供動(dòng)態(tài)無功電源，調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓。TSC型(晶閘管投切電容器)SVC裝置根據(jù)變電站的無功功率和電壓，控制晶閘管投切方式，改變電容器組數(shù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)階躍式可調(diào)節(jié)無功電源。TSC型SVC裝置可用于電氣化鐵路、冶金工業(yè)可有效提升功率因數(shù)，降低非線路負(fù)荷所引起的電壓影響和諧波干擾，使三相負(fù)荷平衡，改善質(zhì)量。根據(jù)運(yùn)行需要選擇補(bǔ)充容量為10 Mvar，串抗率為12%。

3.2 治理措施的仿真

根據(jù)變電站主變、輸電線路實(shí)測(cè)參數(shù)，在電網(wǎng)典型方式大負(fù)荷條件下采用PSCAD電網(wǎng)仿真計(jì)算軟件對(duì)擬采用的補(bǔ)償措施進(jìn)行傳真分析。電鐵牽引站采用站內(nèi)實(shí)際參數(shù)，電力機(jī)車參數(shù)采用實(shí)際運(yùn)行機(jī)車SS9型電力機(jī)車，利用PSCAD計(jì)算軟件，搭建仿真模型。

電網(wǎng)典型方式大負(fù)荷條件下秀山站、平凱站、涌圖站電容器全部投入運(yùn)行，典型方式下秀山站110 kV母線電壓為113.5 kV，平凱站110 kV母線的電壓為111.5 kV，涌圖站110 kV母線電壓為111.8 kV。利用搭建的模型，仿真時(shí)間10 s，分析采取改善措施后秀山電網(wǎng)電壓、諧波電流、負(fù)序電壓情況。根據(jù)仿真結(jié)果可以看出采取治理措施后秀山站110 kV母線電壓上升至115.2 kV，平凱站110 kV母線的電壓上升至114 kV，涌圖站110 kV母線電壓為114.3 kV，上升情況如表1所示。同時(shí)平凱站110母線電壓負(fù)序三相不平衡度由1.70降低至1.68。

表1 變電站電壓降情況

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)測(cè)量結(jié)果,電鐵沖擊性負(fù)荷對(duì)秀山電網(wǎng)電壓質(zhì)量影響較大，測(cè)試期間涌圖站、平凱站電壓越限頻繁，投切普通電容器調(diào)整電壓在各范圍內(nèi)較為困難，平凱站電壓長(zhǎng)時(shí)閃變、負(fù)序不平衡度均超過《GB_T_12326-2008電能質(zhì)量-電壓波動(dòng)和閃變》要求，諧波電流接近國(guó)標(biāo)《公用電網(wǎng)諧波》限值。在牽引站低壓側(cè)配置TSC型(晶閘管投切電容器)SVC，通過對(duì)擬采用的治理措施進(jìn)行仿真分析，得出秀山電網(wǎng)電壓頻繁越限得到有效控制，平均電壓由111.5 kV上升到113 kV，負(fù)序電壓三相不平衡度由1.70降至1.68，秀山電網(wǎng)電壓越限和負(fù)序電壓三相不平衡度情況均得到改善。

[1] 江宇,夏勇,張斌.高壓線路故障產(chǎn)生電壓暫降的特性及對(duì)敏感負(fù)荷設(shè)備的影響[J].電氣自動(dòng)化, 2012,34(4): 53-55.

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Measurement and Governance Simulation to the Effect of County Power Grid's Power Quality Produced by Electric Railway Traction Load

Jiang Yu1，2, Yang Wenqun2, Wang Zhiling2, Liu Jiang2, Zhao chun2

(1. Power Supply Ltd. Co. of Chongqing Xiushan State Grid, Chongqing 409900,China;2. Jiangjin Power Supply Branch Company of State Grid Chongqing Electric Power Corporation, Chongqing 402260,China)

County grid has less power supply spots and weak electrical structure. The electric railway traction load in the county grid features nonlinear single phase independence and stochastic volatility that mainly impact the power quality of county power grid. In this paper, ELSPEC power quality monitor is used to perform continuous test of the voltage of 110 kV bus and analyze the impact level of voltage sag, harmonic injection, voltage fluctuation and flicker generated by electric railway traction load to the power quality of county power grid. According to the measured results, the load side will adopt SVC Compensation scheme and use PSCAD grid simulation software to conduct simulation analysis. The conclusion shows that the voltage quality level is effectively improved after adopting the SVC compensation scheme.

electric railway traction load； county power grid； power quality； measurement； simulation

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.03.036

TM764.1

A

1000-3886(2016)03-0116-03

江宇(1984-)，男，重慶人,電氣工程碩士，電力工程師，從事電網(wǎng)調(diào)控運(yùn)行與管理工作。

定稿日期: 2015-12-03

(1. 國(guó)網(wǎng)重慶秀山縣供電有限責(zé)任公司，重慶 409900; 2. 國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司江津分公司，重慶 402260)

摘 要： 縣級(jí)電網(wǎng)電源點(diǎn)少電氣結(jié)構(gòu)較弱，縣級(jí)電網(wǎng)接入的電鐵牽引負(fù)荷具有的非線性、單相獨(dú)立性和隨機(jī)波動(dòng)性的特點(diǎn)，是影響縣級(jí)電網(wǎng)電能質(zhì)量的主要原因，利用ELSPEC電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀對(duì)縣級(jí)電網(wǎng)110 kV母線電壓進(jìn)行連續(xù)測(cè)試，分析得出電鐵牽引負(fù)荷產(chǎn)生的電壓驟降、諧波注入、電壓波動(dòng)及閃變、負(fù)序不平衡度對(duì)縣級(jí)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響程度，根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)負(fù)荷側(cè)擬采用的SVC補(bǔ)償方案利用PSCAD電網(wǎng)仿真計(jì)算軟件進(jìn)行仿真分析，得出采用SVC治理措施后電壓合格水平得到有效提升的結(jié)論。