計(jì)及電氣化鐵路接入影響的電能質(zhì)量預(yù)測(cè)評(píng)估方法

于丹文，張 巖，張青青，許慶燊

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.電網(wǎng)智能化調(diào)度與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（山東大學(xué)），山東 濟(jì)南 250061）

0 引言

到“十三五”期末，我國預(yù)計(jì)鐵路運(yùn)營的總里程14.6 萬km，其中高鐵運(yùn)營里程約3.8 萬km，居世界第一位，覆蓋95%的100 萬人口及以上的城市［1］。隨著高速電氣化鐵路的大規(guī)模建設(shè)和高速列車技術(shù)的日益成熟，鐵路機(jī)車的取用功率顯著增加，使其對(duì)電網(wǎng)的影響在影響程度不斷加深，影響范圍日益擴(kuò)大。

國內(nèi)外關(guān)于電氣化鐵路用戶對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影 響［2-4］及其檢 測(cè)［5］、監(jiān)測(cè) 情 況［6］的研 究以 及國 內(nèi) 開展的大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及分析［7］結(jié)果均表明，對(duì)電力系統(tǒng)而言，電氣化鐵路屬于大容量、非線性、波動(dòng)性負(fù)荷，在運(yùn)行中具有高負(fù)載率、高可靠性、高波動(dòng)頻率等特點(diǎn)［8-11］，且機(jī)車受電時(shí)間長，是典型的短時(shí)集中負(fù)荷，由于其非線性，將在供電系統(tǒng)中產(chǎn)生各次諧波；由于其波動(dòng)性，將引起供電系統(tǒng)電壓波動(dòng)。因此，在電氣化鐵路用戶接入系統(tǒng)前，需要根據(jù)所在區(qū)域電網(wǎng)的參數(shù)、接入系統(tǒng)方案、牽引供電資料、牽引負(fù)荷資料等建立評(píng)估模型，結(jié)合牽引所供電變電站的背景諧波測(cè)試結(jié)果，預(yù)測(cè)在電氣化鐵路接入后，公共連接點(diǎn)各項(xiàng)電能質(zhì)量穩(wěn)態(tài)指標(biāo)是否超出國家標(biāo)準(zhǔn)允許的限值，并針對(duì)超標(biāo)情況提出治理要求［12-13］。通過對(duì)電氣化鐵路用戶進(jìn)行電能質(zhì)量預(yù)測(cè)評(píng)估，可實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量干擾治理措施前移，降低用戶接入后期出現(xiàn)電能質(zhì)量指標(biāo)異常情況的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)提高供電質(zhì)量、優(yōu)化用戶營商環(huán)境具有重要意義。

以某電氣化鐵路工程接入系統(tǒng)的實(shí)際提資內(nèi)容為基礎(chǔ)，將牽引變電站各典型次諧波電流作為注入電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)的諧波源，從各次諧波含量、總諧波畸變率、三相電壓不平衡度、電壓偏差、電壓波動(dòng)等多個(gè)角度評(píng)估電氣化鐵路用戶接入對(duì)區(qū)域電網(wǎng)電能質(zhì)量指標(biāo)的影響，利用ETAP 軟件建立仿真評(píng)估模型，為計(jì)及電氣化鐵路接入影響的電能質(zhì)量預(yù)測(cè)評(píng)估工作提供參考。

1 工程概況

1.1 接入系統(tǒng)方案

以某電氣化鐵路工程為例，該工程新建1 座牽引變電站，由系統(tǒng)中A、B 兩個(gè)相互獨(dú)立的220 kV 變電站各出1 回110 kV 線路供電，其中A 變電站為主供站。A、B 變電站參數(shù)如表1 所示。

表1 變電站參數(shù)

1.2 電能質(zhì)量背景測(cè)試

在測(cè)試時(shí)間方面，為盡可能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)牽引負(fù)荷周期性變化給附近電網(wǎng)的公共連接點(diǎn)母線造成的影響，在進(jìn)行電能質(zhì)量預(yù)測(cè)評(píng)估時(shí)首先應(yīng)對(duì)公共連接點(diǎn)的背景電能質(zhì)量狀況進(jìn)行連續(xù)長時(shí)間測(cè)試，一般不少于24 h。

在采樣頻率方面，要求工作頻率為50 Hz，每周波采樣128 點(diǎn)及以上，采樣間隔須滿足國標(biāo)及IEC標(biāo)準(zhǔn)要求，諧波分析至少4 個(gè)周波，建議采樣窗口取8 個(gè)工頻周期，并采用合適的窗函數(shù)，如矩形窗、漢寧窗等。諧波次數(shù)至少至第25 次。

在測(cè)試項(xiàng)目方面，電能質(zhì)量背景測(cè)試應(yīng)至少包括供電變電站公共連接點(diǎn)母線處的2～25 次諧波電壓含有率、三相電壓不平衡度以及三相總諧波畸變率，其中三相電壓不平衡度、諧波的測(cè)量結(jié)果采用95%概率值，三相總諧波畸變率以最大值相的數(shù)值作為評(píng)估背景依據(jù)。該工程供電變電站電能質(zhì)量背景測(cè)試結(jié)果如表2 所示。

表2 電能質(zhì)量背景測(cè)試結(jié)果

1.3 牽引系統(tǒng)概況

根據(jù)鐵路設(shè)計(jì)單位提供的資料，該工程新建牽引變電站1 個(gè)，采用110 kV 電源設(shè)計(jì)，牽引變壓器110 kV／27.5 kV、單相接線形式，阻抗電壓為8.4%，預(yù)留V 接條件，正常時(shí)，牽引變壓器一臺(tái)運(yùn)行，另一臺(tái)備用。

近期牽引變電站低壓側(cè)折算到27.5 kV 的平均電流、短時(shí)最大電流如表3 所示。

2 仿真和計(jì)算評(píng)估

2.1 仿真模型

在ETAP 軟件中建立牽引變電站接入系統(tǒng)仿真模型，對(duì)牽引變電站接入后供電變電站母線的諧波電壓、三相電壓不平衡度、電壓偏差、電壓波動(dòng)等電能質(zhì)量穩(wěn)態(tài)指標(biāo)進(jìn)行仿真，對(duì)注入系統(tǒng)的諧波電流進(jìn)行計(jì)算分析。仿真模型如圖1 所示。

表3 近期牽引變電站低壓側(cè)電流 A

2.2 諧波電壓評(píng)估

在評(píng)估計(jì)算中需要對(duì)各種供電方式進(jìn)行排列，以驗(yàn)證各種工況下公共連接點(diǎn)處的諧波電壓含有率是否符合國標(biāo)要求。

一般可將牽引變電站的兩供電臂同時(shí)流過短時(shí)最大電流假設(shè)為極端工況，此時(shí)供電變電站公共連接點(diǎn)母線總諧波畸變率存在最大值。在忽略背景諧波情況下，公共連接點(diǎn)母線的典型次 （3 次、5 次、7次）諧波電壓含有率如圖2 所示。

圖1 ETAP 仿真模型

根據(jù)表2 的電能質(zhì)量背景測(cè)試結(jié)果，將仿真結(jié)果與背景測(cè)試結(jié)果迭加，得到考慮背景諧波后各供電變電站公共連接點(diǎn)母線各次諧波含有率，如圖3所示。

圖2 不考慮背景諧波情況下各次諧波電壓頻譜

圖3 考慮背景諧波情況下各次諧波電壓頻譜

兩種情況下，相應(yīng)的總諧波電壓畸變率如表4所示。

表4 總諧波電壓畸變率 %

通過與GB／T 14549—1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》 中的限值對(duì)比可知，A、B 變電站110 kV 母線電壓總諧波畸變率均不超過2%限值，3、5、7 次典型次諧波電壓含有率均不超過1.6%限值。

2.3 諧波電流評(píng)估

該工程牽引變壓器為V／V 接線，評(píng)估牽引變電站注入供電變電站公共連接點(diǎn)母線的諧波電流值時(shí)，高壓側(cè)與低壓側(cè)電流之間存在轉(zhuǎn)換關(guān)系，應(yīng)結(jié)合接線方式對(duì)照牽引變電站接入系統(tǒng)的等值圖進(jìn)行分析，如圖4 所示。牽引供電系統(tǒng)的A、B、C 三相母線分別與牽引變壓器高壓側(cè)的三相連接，形成V 型接線。根據(jù)等值圖分析，A 相為A1，B 相為X2，C 相為X1與A2連接點(diǎn)，即V 的頂點(diǎn)，左右兩側(cè)變壓器均為單相變壓器，左右兩變壓器變比分別為ω1：ω2與ω′1：ω′2。低壓側(cè)共引出4 個(gè)端子，由于牽引變電站供電其特殊的使用的要求，若接線方式為正“V”時(shí)，“V”的頂點(diǎn)是相連并接地的x1和a2；α、β 兩相分別接在牽引變電站兩相母線上并作為a1、x2的兩個(gè)點(diǎn)。α、β 兩相向所接的牽引網(wǎng)供電。在這種正“V”接線方式下，α、β 兩相電壓的相位角度差為60°，因此這種正“V”接線方式也稱為60°接線。

圖4 牽引變電站系統(tǒng)等值圖

首先，需要明確α、β 兩臂上諧波電流與基波電流的關(guān)系，如式（1）所示。

式中：Iα、Iβ分別為α 臂和β 臂的基波電流值；λh為諧波電流含有率，h 表示諧波次數(shù)；Iαh、Iβh分別為α 臂和β 的h 次諧波電流值。

然后，根據(jù)采用V／V 型牽引變壓器的牽引變電站接入系統(tǒng)等值圖，將牽引負(fù)荷注入α、β 兩個(gè)供電臂的各次諧波電流值向高壓側(cè)，即供電系統(tǒng)的三相進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到注入高壓側(cè)三相的各次諧波電流值。轉(zhuǎn)換形式如式（2）所示。

式中：IAh、IBh、ICh分別為供電系統(tǒng)側(cè)母線A、B、C 三相的h 次諧波電流值；KT為牽引變壓器變比。

牽引供電臂的典型運(yùn)行工況包括3 種：工況Ⅰ，兩供電臂正常運(yùn)行狀態(tài)，兩臂均以有效值供電；工況Ⅱ，95%電流正常運(yùn)行狀態(tài)，其中重負(fù)荷臂以95%電流值供電，輕負(fù)荷臂以有效值供電；工況Ⅲ，最大+正常運(yùn)行狀態(tài)，其中重負(fù)荷臂以最大電流值供電，輕負(fù)荷臂以有效值供電。

在電能質(zhì)量預(yù)測(cè)評(píng)估中，選取對(duì)供電系統(tǒng)影響最大的工況Ⅲ作為計(jì)算工況。

牽引負(fù)荷注入公共連接點(diǎn)母線的h 次諧波電流幅值最大相的諧波電流值計(jì)算結(jié)果如表5 所示。

表5 牽引變電站注入公共連接點(diǎn)的諧波電流值 A

根據(jù)GB／T 14549—1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定，當(dāng)公共連接點(diǎn)的短路容量與標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的基準(zhǔn)容量不同時(shí)，公共連接點(diǎn)處允許注入的諧波電流限值需要經(jīng)過換算得出。換算過程中，單個(gè)用戶諧波注入限值的分配基于用戶用電容量占公共連接點(diǎn)的供電設(shè)備容量的比例確定。

經(jīng)過上述兩個(gè)換算過程，公共連接點(diǎn)允許該擾動(dòng)源用戶注入系統(tǒng)的諧波電流限值如表6 所示。

表6 諧波電流允許值 A

由表5 與表6 比對(duì)可知，該工程牽引變電站接入后，注入B 變電站110 kV 母線的3 次諧波電流超標(biāo)，其余3 次、5 次、7 次諧波電流均不超標(biāo)。

2.4 三相電壓不平衡度

電氣化鐵路的牽引供電網(wǎng)中，負(fù)荷存在明顯的不平衡性，牽引系統(tǒng)電流注入到供電系統(tǒng)后，其三相諧波電流的幅值也存在明顯的不平衡性。

當(dāng)牽引變壓器為三相V／V 接線型式時(shí)，兩供電臂負(fù)荷電流的取值需要考慮各種工況，通常在預(yù)測(cè)評(píng)估中選取重負(fù)荷臂以最大負(fù)荷電流值供電，輕負(fù)荷臂負(fù)荷電流為0 這一工況校核公共連接點(diǎn)三相不平衡度最大值。針對(duì)這一工況進(jìn)行仿真計(jì)算，可得到各系統(tǒng)110 kV 供電母線三相電壓不平衡度。將計(jì)算結(jié)果與供電母線背景測(cè)試結(jié)果相疊加，可得各公共連接點(diǎn)處母線的三相電壓不平衡度，如表7所示。

表7 三相電壓不平衡度 %

根據(jù)GB／T 15543—2008《電能質(zhì)量 三相電壓不平衡》，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1.3%。由表7 計(jì)算結(jié)果分析可知，該工程接入引起的A 變電站110 kV 母線三相電壓不平衡度為1.433%，超過了國標(biāo)限值；引起的B變電站110 kV 母線三相電壓不平衡度為0.802%，符合國標(biāo)限值要求。

2.5 電壓偏差及電壓波動(dòng)

根據(jù)潮流計(jì)算結(jié)果，該工程牽引負(fù)荷接入后，系統(tǒng)A、B 變電站公共連接點(diǎn)電壓偏差及電壓波動(dòng)最大值如表8 所示。

表8 電壓偏差及電壓波動(dòng)最大值 %

根據(jù)GB／T 12325—2008《電能質(zhì)量 供電電壓偏差》、GB／T 12326—2008《電能質(zhì)量 電壓波動(dòng)和閃變》對(duì)于電壓偏差、電壓波動(dòng)的限值要求，系統(tǒng)各公共連接點(diǎn)的電壓偏差滿足國標(biāo)要求。

3 結(jié)語

以某電氣化鐵路工程為例，考慮牽引變電站各典型次諧波電流作為注入電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)的諧波源，利用ETAP 軟件建立仿真評(píng)估模型，仿真計(jì)算擾動(dòng)源對(duì)公共連接點(diǎn)電能質(zhì)量穩(wěn)態(tài)指標(biāo)可能造成的最大影響，并結(jié)合公共連接點(diǎn)電能質(zhì)量背景測(cè)試結(jié)果，將仿真計(jì)算結(jié)果與國標(biāo)限值進(jìn)行對(duì)比，綜合得出評(píng)估結(jié)論。

需要說明的是，電能質(zhì)量預(yù)測(cè)評(píng)估方法給出的是以電網(wǎng)以及用戶提供的典型參數(shù)為基礎(chǔ)的計(jì)算結(jié)果。與監(jiān)測(cè)評(píng)估不同，預(yù)測(cè)評(píng)估能夠計(jì)及較長時(shí)間尺度下的電網(wǎng)運(yùn)行方式與負(fù)荷運(yùn)行方式的變化，得到用戶接入可能對(duì)電網(wǎng)造成的最大影響，其給出的是以電網(wǎng)以及用戶提供的典型參數(shù)為基礎(chǔ)的仿真計(jì)算結(jié)果，電氣化鐵路投運(yùn)后的實(shí)際情況可能會(huì)與預(yù)測(cè)評(píng)估結(jié)果有所差別。后續(xù)還需通過對(duì)電氣化鐵路用戶安裝電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)終端、開展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等方式加強(qiáng)電能質(zhì)量指標(biāo)的持續(xù)監(jiān)測(cè)，對(duì)超標(biāo)的接入點(diǎn)及時(shí)采取有針對(duì)性的治理措施，保證供電電能質(zhì)量，保障電力系統(tǒng)和鐵路系統(tǒng)安全、高效、穩(wěn)定運(yùn)行。