格庫電氣化鐵路接入對(duì)新疆電網(wǎng)電壓不平衡影響分析及治理措施

克帕依吐·吐爾遜 焦春雷 李 明 陳 旭 許 雷

(1.國網(wǎng)新疆電力科學(xué)研究院 烏魯木齊 830011；2.新疆電力系統(tǒng)全過程仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 烏魯木齊 830011；3.國網(wǎng)新疆巴州供電公司 庫爾勒 841000)

1 引言

青海格爾木至新疆庫爾勒的電氣化鐵路(以下簡稱“格庫鐵路”)沿線區(qū)域經(jīng)過新疆巴州若羌片區(qū)，截至目前，巴州地區(qū)格庫鐵路牽引變電站共有10座。2020年12月9日，格庫鐵路通車運(yùn)行后，因電鐵負(fù)荷為非線性兩相沖擊性負(fù)載，造成若羌片區(qū)電壓三相電壓嚴(yán)重不平衡，且諧波超標(biāo)，對(duì)末端電網(wǎng)220 kV塔東變、蘇拉木變大用戶正常用電及新能源發(fā)電造成嚴(yán)重影響，衍生出了若羌電網(wǎng)區(qū)域(圖1)的電能質(zhì)量問題，其諧波和三相電壓不平衡對(duì)電網(wǎng)造成了電壓波動(dòng)等危害。其中包括若羌縣某水泥有限責(zé)任公司被迫停產(chǎn)、中交集團(tuán)伊若線隧道無法正常施工、金岳礦業(yè)電弧爐無法正常運(yùn)行、國電投光伏一電站無法正常發(fā)電。本文通過電能質(zhì)量評(píng)估方法評(píng)估各站點(diǎn)的諧波和三相電壓不平衡度，依據(jù)計(jì)算結(jié)果提出相關(guān)治理措施，保障若羌片區(qū)部分重要用戶正常生產(chǎn)及新能源場(chǎng)站正常發(fā)電[1-2]。

圖1 若羌片區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

2 若羌片區(qū)電能質(zhì)量問題分析

2.1 以某水泥廠為例

某水泥廠在電動(dòng)機(jī)投入運(yùn)行后，水泥廠部分電動(dòng)機(jī)跳閘。通過調(diào)取現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控及蘭泥線供電線路電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置數(shù)據(jù)，可發(fā)現(xiàn)跳閘時(shí)刻110 kV母線電壓最大不平衡度達(dá)到 4.32%，三相電壓分別為115.4 kV、116.4 kV、123.1 kV。

某水泥廠部分電動(dòng)機(jī)跳閘前，現(xiàn)場(chǎng)電壓電流錄波圖如圖2所示。從圖2可以看出，負(fù)序電壓最大值7.627 V時(shí)刻，正序電壓為233.87 V，負(fù)序不平衡度為 3.26%，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的正序電流和負(fù)序電流分別為4.341 A、1.763 A，負(fù)序電流占正序電流的40.6%。顯然，負(fù)序電壓很小，負(fù)序電流卻很大。但是負(fù)序電壓滿足電能質(zhì)量對(duì)負(fù)序電壓不平衡度測(cè)量最大值不超過4%的要求。

圖2 某水泥廠部分電動(dòng)機(jī)跳閘前的現(xiàn)場(chǎng)電壓電流錄波

對(duì)于這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，本文進(jìn)行如下分析。當(dāng)電網(wǎng)電壓三相不對(duì)稱時(shí)，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)序電流可用式(1)表示為

式中，為負(fù)序電流標(biāo)幺值；Kss為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流倍數(shù)(通常電流啟動(dòng)倍數(shù)很大)。

式中，I2為電動(dòng)機(jī)負(fù)序電流；I1為電動(dòng)機(jī)正序電流；α為電壓不對(duì)稱系數(shù)。

式中，u2為電網(wǎng)電壓負(fù)序分量；u1為電網(wǎng)電壓正序分量。由式(1)～(3)可得

式(4)解釋了在較小的電壓不對(duì)稱度下會(huì)引起較大負(fù)序電流的原因。

根據(jù)GB/T 755—2019《旋轉(zhuǎn)電機(jī) 定額和性能》中規(guī)定：三相交流電動(dòng)機(jī)應(yīng)能在三相電壓系統(tǒng)的電壓負(fù)序分量不超過正序分量的1%(長期運(yùn)行)，或不超過1.5%(不超過幾分鐘的短時(shí)運(yùn)行)且零序分量不超過正序分量 1%的條件下運(yùn)行；而 DL/T 1375—2014《電能質(zhì)量評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則 三相電壓不平衡》中規(guī)定：對(duì)于電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)，供電電壓負(fù)序不平衡度測(cè)量值的10 min方均根值的95%概率大值應(yīng)不大于2%，所有測(cè)量值中最大值應(yīng)不大于4%?？梢钥闯鲭娋W(wǎng)負(fù)序電壓不平衡度允許值大于電動(dòng)機(jī)所能承受的負(fù)序電壓的能力[3-4]。

某水泥廠380 V電動(dòng)機(jī)配置的不平衡保護(hù)為：當(dāng)三相電流中最大二相電流差與最大電流的比值大于不平衡系數(shù)(默認(rèn)值為60%)，動(dòng)作時(shí)間小于等于2 s，保護(hù)裝置動(dòng)作。工作人員前后將電動(dòng)機(jī)負(fù)序電流保護(hù)定值從40%調(diào)至60%，再從60%調(diào)至70%，部分電機(jī)依然未躲過跳機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 755—2019，某水泥廠380 V電動(dòng)機(jī)即便在負(fù)序電壓不平衡小于2%(大于1%)的要求范圍內(nèi)，依然無法正常運(yùn)行，電網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量治理難度進(jìn)一步增大。

2.2 牽引線路的相序、短路容量

表1為格庫沿線各牽引變相序以及牽引線路2019年、2021年的短路容量。表1所列各牽引變相序?yàn)樵O(shè)計(jì)方提供資料，但目前由于沒有任何施工后驗(yàn)收資料，無法確認(rèn)相序的準(zhǔn)確性，進(jìn)而無法核實(shí)列車上行和下行供電臂[5]。

從表1短路容量數(shù)據(jù)可看出，2021年?duì)恳兯幎鄶?shù)牽引線路的短路容量均小于 2019年的設(shè)計(jì)容量值，不滿足列車運(yùn)行條件。

表1 各牽引變所處牽引線路的相序、短路電流、短路容量

3 改變運(yùn)行方式對(duì)電能質(zhì)量影響分析

3.1 負(fù)序電壓不平衡度數(shù)據(jù)對(duì)比

在省調(diào)進(jìn)行調(diào)整若羌電網(wǎng)運(yùn)行方式后，通過對(duì)110 kV QL變LN線、220 kV TD變塔M牽一線進(jìn)行62 h的電能質(zhì)量測(cè)試，并調(diào)整某水泥廠電動(dòng)機(jī)不平衡度保護(hù)定值。由表2數(shù)據(jù)可以看出，從40%調(diào)至60%，再調(diào)整到70%，110 kV LN線的三相電壓不平衡度雖有所下降，但效果不明顯，電動(dòng)機(jī)依然會(huì)跳閘，某水泥廠無法正常運(yùn)營。

表2 運(yùn)行方式調(diào)整前后負(fù)序電壓不平衡度對(duì)比表

3.2 趨勢(shì)對(duì)比

由圖3～6可以看出運(yùn)行方式調(diào)整后，若羌某水泥廠負(fù)序電壓不平衡度從 5.16%減小到 4.32%，仍然不滿足GB/T 755—2019的要求。且調(diào)整后110 kV TM 牽一線負(fù)序電壓不平衡度從 6.33%增加到8.55%，影響了庫格鐵路的安全運(yùn)行。

圖3 運(yùn)行方式調(diào)整前，110 kV LN線三相電壓不平衡趨勢(shì)

圖4 運(yùn)行方式調(diào)整后，110 kV LN線三相電壓不平衡趨勢(shì)

圖5 運(yùn)行方式調(diào)整前，110 kV M牽一線負(fù)序電流趨勢(shì)

圖6 運(yùn)行方式調(diào)整后，110 kV M牽一線負(fù)序電流趨勢(shì)

3.3 仿真計(jì)算

本次計(jì)算采用了中國電力科學(xué)研究院 PSASP程序電能質(zhì)量計(jì)算模塊，用三相電流源來模擬各牽引站高壓側(cè)向主網(wǎng)提供的三相不平衡電流，以此為依據(jù)，提出采取電網(wǎng)分列運(yùn)行方式，達(dá)到增加電鐵與常規(guī)用戶負(fù)荷電氣距離，減少電鐵沖擊負(fù)荷對(duì)常規(guī)用戶的影響的目的[6-8]。

庫格鐵路牽引站單臂列車運(yùn)行時(shí)，各牽引站最大臂電流見表3。

表3 各牽引站最大臂電流

各牽引站同時(shí)單臂運(yùn)行且運(yùn)行電流均為最大臂電流，不同運(yùn)行方式下各站負(fù)序電壓不平衡度見表4。

表4 不同運(yùn)行方式下各站負(fù)序電壓不平衡度

從表4可以看出，TD和LB同時(shí)分列運(yùn)行，某水泥廠110 kV母線負(fù)序電壓不平衡度從4.19%減小到2.19%，仍然不滿足GB/T 755—2019的要求。如果某水泥廠由且末接帶，則負(fù)序電壓不平衡度滿足GB/T 755—2019的要求，但其他變電站負(fù)序電壓不衡度不滿足DL/T 1375—2014的要求[9-10]。

4 治理措施

高壓鏈?zhǔn)絊VG由多個(gè)H橋功率單元級(jí)聯(lián)而成，連接方式有星接和角接兩種，如圖7所示。星接SVG每相橋臂承受相電壓，而角接SVG承受線電壓，在每個(gè)H橋功率單元工作電壓相同情況下，角接SVG需要更多的功率單元串聯(lián)，整體成本也更高。星接SVG星點(diǎn)電位浮動(dòng)，無法實(shí)現(xiàn)三相電流獨(dú)立控制，其不平衡電流補(bǔ)償?shù)哪芰κ艿綐O大限制[6]。而角接SVG可視為三個(gè)獨(dú)立的單相SVG，三個(gè)橋臂電流可獨(dú)立控制，可基于斯坦米茲平衡化補(bǔ)償原理，實(shí)現(xiàn)不平衡電流補(bǔ)償[11-13]。

圖7 星接SVG與角接SVG拓?fù)?/p>

由于成本原因，新能源場(chǎng)站SVG一般選用星接拓?fù)洌痪邆錈o功補(bǔ)償能力，而沒有不平衡補(bǔ)償?shù)墓δ堋?/p>

針對(duì)格庫鐵路引起的電壓不平衡問題，可以加裝角型SVG進(jìn)行治理，SVG補(bǔ)償三相電壓不平衡原理見圖8。電鐵引起的諧波問題，需要另外加裝諧波抑制設(shè)備，本文僅就治理不平衡問題所需要的SVG容量進(jìn)行理論計(jì)算。

圖8 SVG補(bǔ)償不平衡電壓示意圖

4.1 負(fù)序電流選擇原則

根據(jù)110 kV MA牽一線負(fù)序電流監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，由于鐵路機(jī)車運(yùn)行工況、電網(wǎng)運(yùn)行方式等因素影響，牽引供電線路上的負(fù)序電流結(jié)果每天都會(huì)有差異，僅取某一天的測(cè)試結(jié)果不具有代表性。綜合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果和諧波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，確定三相電壓不平衡超標(biāo)牽引站供電線路的負(fù)序電流結(jié)果見表5(最大限值分別以4%和2.6%考慮)[14]。

表5 三相電壓不平衡超標(biāo)牽引站供電線路的負(fù)序電流結(jié)果

4.2 SVG安裝位置及容量

4.2.1 安裝于牽引站高壓側(cè)

SVG通過專用變壓器Yy接法，接到牽引站高壓側(cè)母線上。電流應(yīng)采集牽引站電流和SVG電流疊加后對(duì)應(yīng)的CT[15-16]。

220 kV ZW牽一線、220 kV ZN牽一線負(fù)序電流為24 h實(shí)測(cè)值，不具有代表性，建議容量整定按照周期性最大工況考慮。按照 GB/T 15543—2008條款 4.2要求及上述負(fù)序電流補(bǔ)償基本原理，各牽引站SVG配置容量計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 各牽引站SVG補(bǔ)償容量 MVar

4.2.2 安裝于牽引站低壓側(cè)

亦可將角型結(jié)構(gòu)的鏈?zhǔn)?SVG加裝在電鐵牽引變低壓側(cè)，即27.5 kV側(cè)，如圖9所示。

圖9 SVG加裝在電鐵27.5 kV側(cè)示意圖

將SVG加裝在電鐵27.5 kV側(cè)，根據(jù)斯坦梅茲策略，SVG配置容量與配置在牽引變高壓側(cè)容量一致，但可減少專用變壓器的投資，從經(jīng)濟(jì)性的角度要優(yōu)于將SVG安裝在電鐵高壓側(cè)[17-18]。

4.2.3 安裝在電網(wǎng)側(cè)

SVG可通過專用變壓器Yy接法，接到電網(wǎng)側(cè)變電站牽引線路對(duì)應(yīng)電壓等級(jí)母線上(如110 kV牽引線路則接到110 kV母線)。電流應(yīng)采集母線電流和SVG電流疊加后對(duì)應(yīng)的CT。

考慮到電網(wǎng)側(cè)負(fù)序電流補(bǔ)償量為各個(gè)牽引站線路負(fù)序電流之和，即電網(wǎng)側(cè)對(duì)應(yīng)母線三相電壓不平衡值，由于國網(wǎng)諧波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中TD變和SLM變?cè)擁?xiàng)指標(biāo)均存在問題，此處容量整定采用24 h實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算值不具有代表性，建議實(shí)際容量整定按照周期性最大工況考慮。按照 GB/T 15543—2008條款4.1要求，結(jié)合公式

基于上述負(fù)序電流補(bǔ)償基本原理，各牽引站SVG配置容量計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 牽引牽引站SVG配置容量計(jì)算結(jié)果

4.3 方案對(duì)比及建議

對(duì)于采用V/V接線方式的牽引變電站，在牽引變壓器二次側(cè)安裝角接 SVG可實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載負(fù)序電流完全補(bǔ)償，在負(fù)序電流產(chǎn)生的源頭進(jìn)行治理，符合“誰污染誰治理”的原則。無需專用升壓變壓器，補(bǔ)償方式具有一定的經(jīng)濟(jì)性[11]。補(bǔ)償后牽引變壓器的利用率可以提高，同時(shí)牽引網(wǎng)母線電壓也可更穩(wěn)定，鐵路負(fù)載的運(yùn)輸效率也可得到提升[19]。

在電網(wǎng)側(cè)裝設(shè)SVG控制變量太多(如220 kV塔東變 110 kV側(cè)有兩條電鐵牽引線路、兩個(gè)光伏廠站、四條到110 kV變電站的線路)，SVG控制策略及邏輯較為復(fù)雜，且SVG治理效果有待驗(yàn)證[13-14]。在牽引站側(cè)裝設(shè) SVG控制變量僅為牽引變高壓或低壓側(cè)電流及SVG電流，控制輸出牽引線路電流即可，技術(shù)較為成熟[20]。

5 結(jié)論

(1) 根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，TD分列運(yùn)行后，某水泥廠負(fù)序電壓不平衡度從 5.16%減小到 4.32%，不滿足GB 755—2019《旋轉(zhuǎn)電機(jī) 定額和性能》中對(duì)三相交流電動(dòng)機(jī)在三相電壓系統(tǒng)的電壓負(fù)序分量的要求，某水泥廠無法正常運(yùn)行。

(2) 根據(jù)仿真結(jié)果，某水泥廠由且末轉(zhuǎn)帶，則負(fù)序電壓不平衡度滿足GB 755—2019的要求，但會(huì)造成110 kV QL變、ZY變等變電站負(fù)序電壓不衡度增大，不滿足DL/T 1375—2014的要求。

(3) 調(diào)整電網(wǎng)運(yùn)行方式并不能從根本上解決三相電壓不平衡的問題，建議鐵路方面采取措施進(jìn)行治理。