石門北牽引變電所電能質(zhì)量治理的調(diào)研與思考

何春生

1 基本概況

1.1 牽引負(fù)荷特性概述

目前廣泛使用的交直交電力傳動(dòng)機(jī)車是通過交流方式供電，整流器將交流整流為直流，再逆變?yōu)榻涣?，從而?qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，其整流器通常采用可使功率因數(shù)接近于1的四象限脈沖整流器，逆變器大多采用電壓型逆變器。交直交電力機(jī)車功率因數(shù)高，高次諧波少，對電網(wǎng)污染小，目前新建鐵路電力機(jī)車均采用這種供電控制方式，比較典型的有CRH動(dòng)車組、標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組及和諧HXD系列電力機(jī)車等。而早期的電力機(jī)車多采用交直型機(jī)車，其相較交直交機(jī)車存在功率因數(shù)低、低次諧波含量高等較嚴(yán)重的電能質(zhì)量問題，新制造的電力機(jī)車已不再采用交直型制式；但目前該型機(jī)車尚未完全退出運(yùn)行，部分鐵路仍有存量尚在運(yùn)行。

由于全路各線路各牽引變電所供電臂上運(yùn)行的負(fù)荷類型、機(jī)車（動(dòng)車）數(shù)量隨著運(yùn)行圖調(diào)整而不斷變化，因此各牽引變電所負(fù)荷也各具特性。

1.2 石門北牽引變電所簡況

石長線為國家Ⅰ級鐵路，時(shí)速120 km，客貨 混跑，石門北牽引變電所采用AT供電方式為其提供電源，主變采用三相V/v接線型式，輸出電壓為110 kV/55 kV(2×27.5 kV)，安裝容量為2×(12.5+8) MV·A，其牽引負(fù)荷除交直交型列車外還包含一部分交直型列車。該牽引變電所供電系統(tǒng)簡化拓?fù)淙鐖D1所示，變壓器參數(shù)見表1。

圖1 石門北V/v牽引供電系統(tǒng)簡化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

表1 V/v變壓器參數(shù)

2 電鐵牽引變電所統(tǒng)一電能質(zhì)量控制系統(tǒng)（UPMS）概述

石門北牽引所最初投運(yùn)時(shí)存在牽引變壓器安裝容量不足、功率因數(shù)偏低、諧波電流超標(biāo)等電能質(zhì)量問題。國網(wǎng)湖南省電力公司牽頭，聯(lián)合相關(guān)單位開展技術(shù)攻關(guān)，研發(fā)了電鐵牽引變電所統(tǒng)一電能質(zhì)量控制系統(tǒng)（UPMS）[1]。

UPMS系統(tǒng)由有源部件[2]（開關(guān)裝置、單相隔離變壓器、集裝箱式背靠背潮流控制器）和無源部件[2]（濾波裝置和控制與保護(hù)系統(tǒng)）組成。系統(tǒng)樣機(jī)模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示，結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

圖2 工程樣機(jī)模塊結(jié)構(gòu)

圖3 UPMS結(jié)構(gòu)原理

（1）集裝箱式背靠背潮流控制器。圖4所示為集裝箱式背靠背潮流控制器結(jié)構(gòu)，采用戶外集裝箱式結(jié)構(gòu)，由多重背靠背潮流控制器模塊、控制系統(tǒng)和水冷裝置構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)的具體執(zhí)行功能。

圖4 集裝箱式背靠背潮流控制器模塊結(jié)構(gòu)（PFC）

（2）單相隔離降壓變壓器。單相隔離變壓器主要實(shí)現(xiàn)降壓及一二次側(cè)之間電氣隔離。

（3）FC無功補(bǔ)償兼濾波裝置。無源部分由LC調(diào)諧支路構(gòu)成，分別掛于兩饋線上，主要用于無功功率固定補(bǔ)償和諧波治理。

（4）控制和保護(hù)系統(tǒng)。控制系統(tǒng)通過與背靠背潮流控制器及站內(nèi)第三方設(shè)備通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集；同時(shí)完成整個(gè)UPMS系統(tǒng)的控制功能。

3 應(yīng)用效果

3.1 110 kV側(cè)功率因數(shù)概率密度對比

110 kV側(cè)功率因數(shù)治理前后數(shù)據(jù)見表2。

表2 110 kV側(cè)功率因數(shù)治理前后對比

由表2可見，UPMS裝置投入前功率因數(shù)主要分布在0.36～0.78，功率因數(shù)較低；治理后功率因數(shù)主要分布在0.94～1，功率因數(shù)得到大幅提高。

3.2 110 kV側(cè)電壓不平衡度數(shù)據(jù)對比

110 kV側(cè)電壓不平衡度治理前后數(shù)據(jù)見表3。

表3 電壓不平衡度治理前后數(shù)據(jù) %

由表3可見，治理前110 kV側(cè)電壓不平衡度95%概率值為2.74%，大于國標(biāo)要求值（2%），治理后降為0.56%，滿足國標(biāo)要求[4]。

3.3 電壓諧波總畸變率對比

電壓諧波總畸變率治理前后數(shù)據(jù)見表4。

表4 電壓諧波總畸變率治理前后數(shù)據(jù) %

由表4可見，治理前110 kV側(cè)三相電壓諧波總畸變率都超過國標(biāo)要求（2%），治理后均滿足國標(biāo)要求[4]。

3.4 諧波電流對比

治理前后的低次諧波電流數(shù)據(jù)見表5。

表5 低次諧波電流對比 A

由表5可知：治理前，三相3次、5次、21次及C相7次諧波電流均超標(biāo)；治理后，低次諧波電流均未超標(biāo)[4]。

3.5 牽引變電所兩供電臂饋線電壓參數(shù)對比

牽引變電所兩供電臂饋線電壓參數(shù)治理前后數(shù)據(jù)對比見表6。

表6 供電臂饋線電壓

由表6可見：治理后a相供電臂母線電壓標(biāo)準(zhǔn)差從1.029 kV減小到0.415 kV，b相供電臂母線電壓標(biāo)準(zhǔn)差從0.719 kV減小到0.396 kV，表明電壓波動(dòng)有較大改善；治理后a相供電臂母線電壓最小值從23.18 kV提高到25.62 kV，b相供電臂母線電壓最小值從23.86 kV提高到26.20 kV，表明接觸網(wǎng)電壓跌落顯著減小，從而改善了供電臂末端供電能力[3]。

3.6 技術(shù)特點(diǎn)

UPMS系統(tǒng)裝置可應(yīng)用于本線各類型牽引變壓器，用于V/v接線變壓器可取代平衡變壓器。裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，擴(kuò)容方便，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活；開放性、兼容性強(qiáng)，易與所內(nèi)設(shè)備實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，替代現(xiàn)有補(bǔ)償裝置；在變壓器容量固定的情況下，可延長供電臂長度，提高選址靈活性；在供電臂長度不變的情況下，可提高牽引變電所負(fù)載能力；裝置可根據(jù)需要執(zhí)行投退，不影響牽引變電所正常供電。

4 存在的主要問題

為解決石長線石門北牽引所的變壓器安裝容量不足、功率因數(shù)偏低、低次諧波超標(biāo)、外部環(huán)境復(fù)雜等問題而研發(fā)的UPMS系統(tǒng)設(shè)備有較強(qiáng)的針對性。UPMS系統(tǒng)設(shè)備自投入以來運(yùn)行良好，石門北牽引所存在的負(fù)序、功率因數(shù)偏低等問題基本得到治理；同時(shí)，解決了牽引所的主變?nèi)萘坎蛔愕那闆r，對低次諧波也有一定濾除作用。但該裝置同時(shí)存在以下問題：

（1）UPMS系統(tǒng)自2015年投運(yùn)以來一直在不斷改進(jìn)，設(shè)備至今未徹底定型和獲得認(rèn)證。鐵路運(yùn)輸對裝備可靠性的要求較高，該系統(tǒng)由大量電子元件構(gòu)成，設(shè)備上道需通過定型和認(rèn)證評審，目前的UPMS系統(tǒng)設(shè)備難以滿足鐵路運(yùn)輸安全要求。

（2）UPMS系統(tǒng)設(shè)備投資大（約600萬元），需要進(jìn)一步優(yōu)化降低設(shè)備成本。

（3）UPMS系統(tǒng)設(shè)備占地面積較大（約400 m2），加上原變電所場坪設(shè)計(jì)面積就未滿足國家規(guī)定要求的占地面積控制標(biāo)準(zhǔn)。即使是常規(guī)牽引變電所的場坪面積仍無法滿足設(shè)置治理設(shè)備的條件，需進(jìn)一步推進(jìn)該設(shè)備的集成化以減少對空間的占用。

5 思考與建議

（1）目前國內(nèi)仍沿用1993年全國電壓電流等級和頻率標(biāo)準(zhǔn)化委員會出臺的諧波標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)不適合于電氣化鐵路[4]，至今國家電網(wǎng)與鐵路雙方仍對諧波標(biāo)準(zhǔn)存在分歧，也無治理諧波的設(shè)計(jì)依據(jù)。

（2）石門北牽引所的UPMS系統(tǒng)設(shè)備主要是針對改善交直型機(jī)車存在的無功、低次諧波、變壓器容量不足等問題。而新建的客運(yùn)專線鐵路多采用220 kV電源，新增的牽引變壓器安裝容量具有冗余，且采用的動(dòng)車組為交直交機(jī)車，不存在功率因數(shù)低、低次諧波方面的問題，即使可能出現(xiàn)質(zhì)量問題也是少量高次諧波。

（3）在新線建設(shè)中，早期電能質(zhì)量評估采用的機(jī)車類型、頻譜、行車組織等各類數(shù)據(jù)存在局限性，不能科學(xué)、有效地預(yù)測鐵路建成開通后電能質(zhì)量實(shí)際狀況，因此預(yù)測的數(shù)據(jù)不能作為電能質(zhì)量評估計(jì)算的依據(jù)。

（4）針對不同的鐵路線別、行車組織、機(jī)車類型和外部電源條件，考慮該UPMS系統(tǒng)設(shè)備的研發(fā)背景、條件和UPMS系統(tǒng)設(shè)備未定型、未認(rèn)證，并且造價(jià)高、占地面積大以及各個(gè)牽引所接引不同的電力公共聯(lián)結(jié)點(diǎn)和不同的負(fù)荷特性等原因，該UPMS系統(tǒng)設(shè)備不具備照搬至全路其他各牽引變電所的條件，特別是客運(yùn)專線。

（5）電網(wǎng)和鐵路雙方尚未就諧波標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成一致，由于不同車型會帶來不同的電能質(zhì)量問題，不同外部電源條件會產(chǎn)生不同的計(jì)算結(jié)果，因此電能質(zhì)量問題及治理方案需要雙方加快研究及工程應(yīng)用，出臺相應(yīng)的電能質(zhì)量治理管理辦法，以便為設(shè)計(jì)單位和基層單位開展相應(yīng)工作提供依據(jù)和參考。