電氣化鐵路對(duì)電網(wǎng)諧波影響及抑制措施分析

張 策，劉 莉，王 達(dá)，尹 博，趙文靜

(沈陽(yáng)工程學(xué)院 電力學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

電氣化鐵路具有運(yùn)輸能力大、行駛速度快、工作條件好等特點(diǎn)，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，在全世界得到了廣泛的關(guān)注。電氣化鐵路的優(yōu)點(diǎn)固然很多，但是由于電氣化鐵路屬于一種比較特別的電力子系統(tǒng)，而且作為一種單相整流或逆變負(fù)荷的大功率電力機(jī)車(chē)會(huì)通過(guò)牽引供電系統(tǒng)向電力系統(tǒng)中注入較大且波動(dòng)性很大的諧波電流以及負(fù)序電流，當(dāng)這些電流被注入到電網(wǎng)后，不僅會(huì)降低電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量，還會(huì)危及整個(gè)電力系統(tǒng)的供電安全問(wèn)題。

文獻(xiàn)[1-2]介紹了SS1和SS4型電力機(jī)車(chē)的諧波電流計(jì)算方法。文獻(xiàn)[3]介紹了電力機(jī)車(chē)的各次諧波電流概率分布的計(jì)算方法。文獻(xiàn)[4]提出了一種韶山SS4型電力機(jī)車(chē)的動(dòng)態(tài)模型，并介紹了不同規(guī)模數(shù)量的電力機(jī)車(chē)接入電網(wǎng)后隨機(jī)產(chǎn)生的諧波電流分布函數(shù)的計(jì)算方法，結(jié)合控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)分析了影響電力機(jī)車(chē)產(chǎn)生諧波電流的主要因素。文獻(xiàn)[5]推導(dǎo)了多輛電力機(jī)車(chē)運(yùn)行條件下電氣化鐵道牽引變電所諧波電流計(jì)算公式，考慮牽引負(fù)荷主要的隨機(jī)因素，利用蒙特卡羅法得到牽引變電所高壓母線全天24小時(shí)和諧波電流的概率分布和統(tǒng)計(jì)特性。文獻(xiàn)[6]在建立了電力系統(tǒng)多導(dǎo)體傳輸線模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合牽引網(wǎng)等值電路的自身特點(diǎn)，利用多導(dǎo)體降階方法，并通過(guò)電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真平臺(tái)建立了牽引網(wǎng)的諧波模型。

采用某高速客車(chē)的典型數(shù)據(jù)，對(duì)牽引網(wǎng)中的諧波電流放大現(xiàn)象和規(guī)律進(jìn)行了仿真分析和驗(yàn)證。

利用電力電氣軟件分析系統(tǒng)ETAP建立了區(qū)域電網(wǎng)仿真模型，進(jìn)行諧波仿真潮流計(jì)算，根據(jù)仿真得到的數(shù)據(jù)，分析了電氣化鐵路對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生諧波的影響因素以及加裝濾波裝置后對(duì)諧波產(chǎn)生的抑制效果。

1 電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)基本原理

電氣化鐵路是由牽引供電系統(tǒng)、機(jī)務(wù)系統(tǒng)以及電力機(jī)車(chē)組成的一種通過(guò)軌道進(jìn)行運(yùn)輸?shù)慕煌ǚ绞?。其中，電力機(jī)車(chē)作為電氣化鐵路最主要的牽引動(dòng)力，由于電力機(jī)車(chē)的驅(qū)動(dòng)需要大量的電能，因此，牽引供電系統(tǒng)主要為電力機(jī)車(chē)提供所需的電能。牽引變電所和接觸網(wǎng)是牽引供電系統(tǒng)最主要的兩個(gè)部分，電力系統(tǒng)將電能輸送到牽引變電所，這些電能經(jīng)過(guò)牽引變電所的轉(zhuǎn)換后被輸送到沿鐵路線布置的接觸網(wǎng)中，接觸網(wǎng)通過(guò)與電力機(jī)車(chē)受電弓的接觸，將電能供給電力機(jī)車(chē)[7-8]。牽引供電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 牽引供電系統(tǒng)

牽引供電系統(tǒng)主要電流制式有4種，分別是直流制、低頻單相交流制、單相工頻交流制和三相交流制。牽引網(wǎng)的供電方式有以下4種：

1)直接供電方式。直接供電方式包括正常供電方式以及事故供電方式(越區(qū)供電)。其中正常供電方式分為單邊供電和雙邊供電。

2)吸流變壓器-回流線裝置BT供電方式。吸流變壓器原邊串入接觸網(wǎng)，副邊串入沿鐵路架設(shè)的回流線，回流線懸掛在接觸網(wǎng)外側(cè)的橫擔(dān)上。缺點(diǎn)是電力機(jī)車(chē)在吸流變壓器附近時(shí)防護(hù)效果差，使?fàn)恳W(wǎng)阻抗增大。

3)自耦變壓器(AT)供電方式。AT供電方式由接觸網(wǎng)、正饋線、自耦變壓器以及軌道大地系統(tǒng)組成。缺點(diǎn)是必須在沿線安裝大容量、高電壓的自耦變壓器，大幅度增加了牽引網(wǎng)的設(shè)備投資。

4)帶回流線的直接供電方式。該供電方式主要有接觸網(wǎng)、鋼軌、沿全線架設(shè)的負(fù)饋線組成。由于該供電方式的饋電回路和設(shè)備簡(jiǎn)單、投資小、維護(hù)方便，并且具有較好的防干擾效果，因此得到了廣泛的使用。

牽引變壓器作為一種核心設(shè)備，接線方式的不同會(huì)在不同程度上影響變壓器的性能以及電氣化鐵路產(chǎn)生的諧波電流。根據(jù)《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10009-2005)規(guī)定，牽引變壓器宜采用單相接線，也可采用三相V/V或V/X接線、三相-兩相平衡接線(包括SCOTT接線及阻抗匹配平衡接線等)、三相接線(包括YNd11及YNd11d11十字交叉接線)等其他能滿足供電要求的接線[9]。

2 潮流計(jì)算

將電力系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線、綜合負(fù)荷和牽引供電系統(tǒng)的牽引變電所都表示成相應(yīng)的三相諧波導(dǎo)納矩陣后，就可構(gòu)成全系統(tǒng)的三相諧波模型。采用潮流計(jì)算方法，該方法是將基波與諧波部分解耦，在計(jì)算過(guò)程中僅僅考慮低次諧波對(duì)基波的影響，該算法的基本流程如下所示：

2)將波次較低的節(jié)點(diǎn)基波電壓代入諧波源模型公式：

(1)

(2)

3 局部遼西電網(wǎng)電氣化鐵路諧波分析

3.1 電氣化鐵路網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及諧波負(fù)荷模型的建立

潮流計(jì)算是項(xiàng)目研究的基礎(chǔ)，對(duì)電氣化鐵路諧波的分析以及治理措施的研究都是建立在此基礎(chǔ)上。根據(jù)遼西電網(wǎng)的情況，用ETAP軟件構(gòu)建了遼西電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算仿真系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 局部遼西電網(wǎng)ETAP仿真系統(tǒng)

利用ETAP仿真軟件搭建電氣化鐵路諧波負(fù)荷模型，如圖3所示。不平衡的電氣化鐵路負(fù)荷會(huì)給供電系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)重的三相諧波電流幅值不相等的問(wèn)題，對(duì)相關(guān)的國(guó)家電網(wǎng)公司和鐵路機(jī)構(gòu)提供的動(dòng)車(chē)(CRH3型)諧波特性進(jìn)行分析、模擬可得各次諧波電流的含有率，如圖4所示。

圖3 電氣化鐵路諧波負(fù)荷模型

圖4 諧波電流含有率

3.2 諧波及抑制措施分析

3.2.1 電氣化鐵路在系統(tǒng)接入點(diǎn)注入的諧波電流

以遼西電網(wǎng)中某區(qū)域電網(wǎng)為例進(jìn)行仿真分析，變壓器采用V/V接線。均采用220 kV電壓等級(jí)直接接入系統(tǒng)，采用CRH3高速動(dòng)車(chē)組。

根據(jù)V/V接線牽引變壓器的諧波變換模型，得到220 kV側(cè)的各次諧波電流；由于電鐵負(fù)荷的不平衡特性，變換到220 kV側(cè)的各相諧波電流是不同的，選取最嚴(yán)重的一相數(shù)據(jù)，分析最嚴(yán)重的工況下各牽引站注入系統(tǒng)的諧波電流情況。

對(duì)各牽引站注入系統(tǒng)的各支路諧波電流分別進(jìn)行分析，如圖5、圖6所示，并選取特征次數(shù)諧波電流值與國(guó)家諧波標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的諧波電流限值進(jìn)行比較如表1所示。

圖5 流過(guò)各支路的各次諧波電流頻譜

圖6 流過(guò)各支路的諧波電流波形

諧波次數(shù)流過(guò)親黑線流過(guò)北水線流過(guò)北青線流過(guò)北雙線允許值/A31.0890.5543.011.2582.5650.09230.0900.3560.1582.5670.0580.0660.1890.0558.48110.0810.1220.1940.0536.98130.0200.3600.4160.2031.82150.1850.2360.3450.1516.34170.0380.1040.0440.1024.08

綜合仿真所得到的諧波電流數(shù)據(jù)，可以看出由牽引站產(chǎn)生的諧波電流雖然先逐漸減小再逐漸增大，但是諧波電流值都沒(méi)有超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的允許值。由圖5可以看出奇次諧波的電流值相對(duì)于偶次諧波的電流值要大得多，因此偶次諧波電流可以忽略不計(jì)。對(duì)于奇次諧波電流來(lái)說(shuō)，表1中列舉的諧波電流為奇次諧波中比較嚴(yán)重的諧波，觀察諧波電流頻譜圖可以發(fā)現(xiàn)3次和13次諧波電流的峰值相較于其他次諧波來(lái)說(shuō)最為突出。諧波電流值會(huì)隨波次的增加逐漸接近允許值，由此可見(jiàn)，高次諧波對(duì)牽引供電系統(tǒng)及電力系統(tǒng)的影響更大。

3.2.2 電氣化鐵路在系統(tǒng)接入點(diǎn)產(chǎn)生的諧波電壓

對(duì)遼西某區(qū)域電網(wǎng)各個(gè)牽引站引起供電變電站的諧波電壓進(jìn)行仿真計(jì)算，由于每個(gè)牽引站都會(huì)使公共連接點(diǎn)產(chǎn)生諧波，如圖7和圖8為仿真所得到的各次諧波電壓頻譜圖以及電壓波形圖，通過(guò)仿真得到的各變電站產(chǎn)生的諧波電壓含有率，總諧波畸變率見(jiàn)表2所示。

圖7 各變電站各次諧波電壓頻譜

圖8 各變電站各次諧波電壓波形

綜合仿真所得到的諧波電壓數(shù)據(jù)，由表2可以看出北寧220 kV母線的THD滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定要求(不超過(guò)2%)，各變電站的各次諧波電壓的含有率也滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定要求(不超過(guò)1.6%)。由仿真圖可知諧波電壓在一段時(shí)間內(nèi)即會(huì)出現(xiàn)峰值也會(huì)出現(xiàn)谷值，具有波動(dòng)性，且牽引站的諧波特性也會(huì)影響著公共連接點(diǎn)，使其波動(dòng)特性發(fā)生改變。由圖7可以看出3次諧波電壓峰值相對(duì)于其他次諧波電壓峰值來(lái)說(shuō)很高，嚴(yán)重影響了牽引供電系統(tǒng)及電力系統(tǒng)的運(yùn)行。

表2 各變電站諧波電壓含有率及總諧波畸變率THD/%

3.2.3 無(wú)緣濾波器的濾波作用

以在友誼牽引變電站一側(cè)并聯(lián)濾波裝置為例，采用單調(diào)諧濾波器，接入220 kV雙臺(tái)子變電站，對(duì)比濾波器投入前后雙臺(tái)子變電站母線電壓變化。如圖9、圖10和表3所示。

圖9 濾波器投入前，雙臺(tái)子變電站母線諧波電壓頻譜

由表3可看出投入濾波器后，總諧波畸變率減小，對(duì)電網(wǎng)的諧波影響起到改善作用。通過(guò)圖9和圖10的對(duì)比可以看出，3次諧波大大減小，印證了單調(diào)諧濾波器用于濾除某一特定頻率的諧波的這一特性效果明顯，然而其他高次諧波電流含量增大證明了此類(lèi)型無(wú)源濾波器只能在一定程度上抑制某種諧波的產(chǎn)生。

圖10 投入3次濾波器之后，雙臺(tái)子變電站母線諧波電壓頻譜

公共連接點(diǎn)濾波前THD/%濾波后THD/%北寧2200.190.11雙臺(tái)子站0.220.08水泉站0.280.22青堆子站0.230.15黑山站0.280.21

4 結(jié) 論

首先，介紹了電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的基本原理；其次，介紹了仿真過(guò)程中針對(duì)諧波問(wèn)題求解的潮流計(jì)算方法；最后，利用ETAP仿真軟件建立了區(qū)域電網(wǎng)仿真模型，進(jìn)行諧波潮流計(jì)算。對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)：電氣化鐵路對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的偶次諧波電流較小，奇次諧波電流較大，各奇次諧波中3次和13次諧波電流的峰值相較于其他次諧波來(lái)說(shuō)最為突出。諧波電流值會(huì)隨波次的增加逐漸接近允許值，由此可見(jiàn)，高次諧波對(duì)牽引供電系統(tǒng)及電力系統(tǒng)的影響更大。諧波電壓在一段時(shí)間內(nèi)即會(huì)出現(xiàn)峰值也會(huì)出現(xiàn)谷值，具有波動(dòng)性，且牽引站的諧波特性也會(huì)影響著公共連接點(diǎn)，使其波動(dòng)特性發(fā)生改變。另外還對(duì)無(wú)源濾波器的濾波作用進(jìn)行了仿真，可看出投入濾波器后，總諧波畸變率減小，對(duì)電網(wǎng)的諧波影響起到改善作用，但只能在一定程度上抑制某種諧波的產(chǎn)生。

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