興泉鐵路接入對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響分析

黃俊

（中國(guó)電建集團(tuán)江西省電力設(shè)計(jì)院有限公司，江西 南昌 330000）

實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的關(guān)鍵在于能源轉(zhuǎn)型。鐵路電氣化是中國(guó)能源轉(zhuǎn)型背景下的必然選擇，在鐵路電氣化快速發(fā)展帶來(lái)巨大社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，大規(guī)模接入對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行也產(chǎn)生了一定的影響。中國(guó)電氣化鐵路牽引系統(tǒng)主要由牽引變電所、外部供電線路及內(nèi)部接觸網(wǎng)等組成。電力機(jī)車電源由接觸網(wǎng)的27.5 kV單相工頻交流電，經(jīng)機(jī)車內(nèi)部的整流設(shè)備整流成直流供給牽引電動(dòng)機(jī)[1]。因此，牽引負(fù)荷是單相整流負(fù)荷，是一種非線性負(fù)荷，相對(duì)于電網(wǎng)三相穩(wěn)定負(fù)荷，具有隨機(jī)特性，且不對(duì)稱。牽引負(fù)荷接入電網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生較大負(fù)序分量和諧波分量，這將對(duì)電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量有一定的影響。

1 興泉鐵路概況

新建興國(guó)至泉州鐵路（以下簡(jiǎn)稱“興泉鐵路”）西起江西省贛州市興國(guó)縣京九鐵路興國(guó)站，經(jīng)于都、寧都、石城3縣，進(jìn)入福建省三明市寧化縣。根據(jù)項(xiàng)目可研批復(fù)和初設(shè)批復(fù)，興泉鐵路江西省境內(nèi)新建興國(guó)南、葛坳、寧都、石城共4座牽引變電所。興泉鐵路江西段新建的4座牽引站變電所均采用雙回路110 kV進(jìn)線電源，互為熱備用；110 kV側(cè)接線采用帶跨條分支接線形式，其中牽引變壓器采用平衡接線方式，一主一備，設(shè)置備用電源及主變自動(dòng)投切裝置。27.5 kV側(cè)采用單母線分段接線，饋線斷路器采用固定備用方式。

2 電能質(zhì)量計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2.1 計(jì)算條件

計(jì)算負(fù)荷水平、電源及網(wǎng)絡(luò)，依據(jù)電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃中的相關(guān)內(nèi)容。牽引變所在地區(qū)110 kV及以上網(wǎng)絡(luò)參與計(jì)算，電網(wǎng)220 kV及以上網(wǎng)絡(luò)參與計(jì)算。牽引站負(fù)荷均按遠(yuǎn)期有效負(fù)荷、最大負(fù)荷進(jìn)行校驗(yàn)計(jì)算。計(jì)算工具采用美國(guó)ETAP電能質(zhì)量計(jì)算仿真軟件ETAP 12.6.0版本。

2.2 計(jì)算參數(shù)

興泉鐵路全路段開(kāi)行電力機(jī)車全部為交直交型電力機(jī)車。電力負(fù)荷隨電力機(jī)車運(yùn)行變化，負(fù)荷曲線波動(dòng)較大，牽引變壓器負(fù)荷率和容量利用率較低，功率因數(shù)較高，牽引變電站內(nèi)不設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償裝置。本線各型電力機(jī)車主要技術(shù)指標(biāo)如下：貨車機(jī)型為HXD3，客車機(jī)型為HXD3D，速度分別為120 km/h、160 km/h，額定功率為7 200 kW（雙機(jī)14 400 kW），功率因數(shù)大于0.97，綜合諧波含量小于2.5%。設(shè)計(jì)采用平衡結(jié)線牽引變壓器以減小電氣化鐵路對(duì)電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響。興泉鐵路各型電力機(jī)車諧波含有率如表1所示。系統(tǒng)變電站110 kV母線的諧波電壓現(xiàn)狀如表2所示。

表1 貨車HXD3諧波含有率

表2 系統(tǒng)變電站110 kV母線的諧波電壓現(xiàn)狀

3 電能質(zhì)量計(jì)算分析結(jié)果

3.1 諧波計(jì)算

本鐵路機(jī)車均為HXD系列，因此仿真計(jì)算時(shí)諧波源主要考慮HXD3交直交型貨機(jī)列車產(chǎn)生的諧波。另考慮由于9次以后諧波影響較小，因此下列結(jié)果分析中只列出9次之前的諧波結(jié)果。電力機(jī)車在運(yùn)行中負(fù)荷波動(dòng)大，根據(jù)遠(yuǎn)期負(fù)荷特性數(shù)據(jù)，分別計(jì)算了各牽引變電站在有效負(fù)荷、95%最大概率負(fù)荷2種情況下注入變電站的諧波電流。

遠(yuǎn)期興泉鐵路各牽引變電所注入PCC點(diǎn)的諧波電流值如表3所示。

表3 遠(yuǎn)期興泉鐵路各牽引變電所注入PCC點(diǎn)的諧波電流值

電網(wǎng)正常運(yùn)行方式下，牽引站注入PCC點(diǎn)的各次諧波電流均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，牽引變注入PCC點(diǎn)的各次諧波電流均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求[2]。

綜合考慮系統(tǒng)的背景諧波后，各個(gè)PCC點(diǎn)的諧波電壓含有率如表4所示。

表4 遠(yuǎn)期95%最大負(fù)荷時(shí)系統(tǒng)變電站諧波電壓含有率（單位：%）

電網(wǎng)正常運(yùn)行方式下，接入變電站110 kV母線的各次諧波電壓含有量和電壓總諧波畸變率均未達(dá)到國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，牽引變注入PCC點(diǎn)的各次諧波電流均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，接入變電站110 kV母線的各次諧波電壓含有量和電壓總諧波畸變率均未達(dá)到國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 電壓波動(dòng)計(jì)算

由于鐵路設(shè)計(jì)單位目前無(wú)法準(zhǔn)確提供牽引站的負(fù)荷曲線，依據(jù)GB/T 12326—2008對(duì)電壓變動(dòng)的估算方法[3]，對(duì)于沖擊負(fù)荷，為負(fù)荷沖擊時(shí)，視在功率由0上升為最大功率的變化量；Ssc為供電系統(tǒng)PCC的短路容量。本文考慮電鐵對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量影響的較嚴(yán)重情況，以高峰小時(shí)負(fù)荷進(jìn)行分析計(jì)算，估算各牽引變電站并網(wǎng)點(diǎn)處（所接入變電站的110 kV側(cè)）由牽引負(fù)荷引起的電壓波動(dòng)值分別為0.88%、0.65%、0.68%、0.99%，均低于2.5%規(guī)定限值，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 三相不平衡計(jì)算

為了充分考慮由于兩臂負(fù)荷不平衡對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的負(fù)序影響，本文中牽引變左、右2個(gè)供電臂的行車運(yùn)行狀態(tài)考慮了以下2種運(yùn)行方式：各牽引變2個(gè)供電臂正常運(yùn)行（對(duì)應(yīng)全日平均有效電流）；相鄰的2個(gè)牽引變的相鄰供電臂一個(gè)供電臂重載運(yùn)行（對(duì)應(yīng)95%概率最大電流），另一臂正常運(yùn)行（對(duì)應(yīng)全日平均有效電流）。本文中電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)負(fù)序電壓不平衡度考核標(biāo)準(zhǔn)值取為，對(duì)應(yīng)牽引變供電臂正常、重載運(yùn)行時(shí)，負(fù)序電壓不平衡度不超過(guò)2%；供電臂緊密運(yùn)行時(shí)，負(fù)序電壓不平衡度不超過(guò)4%。本文對(duì)興泉鐵路各個(gè)牽引站對(duì)近區(qū)電網(wǎng)負(fù)序電壓的影響進(jìn)行了計(jì)算，包括主供工況下的遠(yuǎn)期2種運(yùn)行方式（正常、重載）。由于各牽引站主、備供電均接入110 kV電壓等級(jí)，接入點(diǎn)短路容量較大，各牽引站對(duì)近區(qū)電網(wǎng)負(fù)序電壓的影響不大，各種計(jì)算方式下相關(guān)變電站母線負(fù)序電壓不平衡度最大為3.21%，符合規(guī)程規(guī)定。計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 興泉鐵路近區(qū)電網(wǎng)負(fù)序電壓不平衡度

三相不平衡計(jì)算結(jié)論：各個(gè)牽引站主供、備供工況下的遠(yuǎn)期2種運(yùn)行方式（正常、重載）下，牽引站近區(qū)變電站母線電壓均滿足國(guó)標(biāo)要求[4]，但建議加強(qiáng)監(jiān)視。

4 結(jié)論與建議

興泉鐵路專線為HXD3交直交型貨機(jī)和HXD3D交直交型客機(jī)時(shí)，電網(wǎng)正常運(yùn)行方式下，牽引站注入PCC點(diǎn)的各次諧波電流均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求；牽引站接入變電站110 kV母線的各次諧波電壓含有量和電壓總諧波畸變率均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。牽引站近區(qū)變電站110 kV側(cè)母線電壓波動(dòng)分別為0.88%、0.65%、0.68%、0.99%，均低于2.5%規(guī)定限值，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。牽引站近區(qū)變電站正常運(yùn)行和重載運(yùn)行時(shí)，110 kV母線電壓不平衡度分別低于2%、4%規(guī)定限值，均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。報(bào)告給出的是以典型參數(shù)為基礎(chǔ)的計(jì)算結(jié)果，可能會(huì)與建成后的實(shí)際情況有所差別，建議在本工程投運(yùn)初期進(jìn)行電能質(zhì)量測(cè)試，以準(zhǔn)確評(píng)估興泉鐵路專線各牽引變電所對(duì)電力系統(tǒng)的實(shí)際電能質(zhì)量的影響。