電氣化鐵路接入末端電網的三相不平衡影響因素分析

段 玉，侯 冰3，張 媛，南東亮，董雪濤，宋朋飛3，劉 震，段青熙，王小云

(1.國網新疆電力有限公司電力科學研究院，新疆 烏魯木齊 830011；2.新疆電力系統(tǒng)全過程仿真重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011；3.國網新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊 830011)

0 引 言

新疆電網目前已全覆蓋新疆14個地州，但由于新疆地域遼闊，部分地區(qū)在塔克拉瑪干沙漠邊緣，網架結構相對薄弱。新疆巴州若羌地區(qū)電網位于新疆電網末端，短路容量較小，電氣聯(lián)系相對薄弱。2020年格庫鐵路建成通車后接入若羌電網，由于電氣化鐵路負荷具有單相、時變、沖擊性等特點[1]，接入電力系統(tǒng)時產生大量的負序電流、諧波，如果處理不善，將嚴重危害公共電網的安全和可靠性[2-5]。故格庫鐵路接入新疆電網后造成若羌地區(qū)電能質量問題突出，三相不平衡問題已嚴重影響到該地區(qū)用戶、新能源場站及系統(tǒng)的正常運行[6-8]。

電氣化鐵路作為單相非線性負荷，接入電網后產生電能質量問題[9-11]。文獻[12]分析了高速電氣化鐵路產生的負序電流和諧波在電力系統(tǒng)中的滲透情況,但僅分析了負序在電網常用元件中的傳遞特性，未考慮對元件的影響。文獻[13]應用ETAP軟件仿真了電氣化鐵路對電網的影響，分析發(fā)現交直交電力機車的各相電能質量指標均滿足國家標準要求，但未考慮其他類型電力機車帶來的電能質量問題。文獻[14]基于某地區(qū)電網分析電氣化鐵路產生的三相不平衡以及負序對該地區(qū)電網的影響，驗證了ETAP仿真模型的準確性。但未考慮電氣化鐵路對網架薄弱地區(qū)弱聯(lián)系電網電能質量的影響。文獻[15]分析了電氣化鐵路接入對新疆薄弱地區(qū)電網電能質量的影響，主要分析了三相不平衡的傳遞規(guī)律，未考慮三相不平衡的影響因素，也未提出有效的改善措施。

因此，首先從理論分析的角度研究三相不平衡的影響因素；隨后基于ETAP搭建格庫鐵路的典型仿真模型仿真分析短路容量、電壓、負荷對三相不平衡的影響；接著分析了三相不平衡超標給新能源場站、用戶和電力系統(tǒng)帶來的影響；再基于仿真結果提出相應的改善措施；最后對基于ETAP的格庫鐵路典型仿真模型進行仿真驗證。

1 三相不平衡的計算及影響因素分析

理想的三相交流系統(tǒng)是A、B、C三相幅值相同，相位互成120°角，是完全平衡的。然而，實際三相電力系統(tǒng)并不是完全平衡的，電力系統(tǒng)中發(fā)生事故或不平衡的設備接入都會導致三相不平衡，下面主要分析不平衡的設備接入系統(tǒng)導致的三相不平衡問題。

1.1 三相不平衡的基本概念及其表達式

電力系統(tǒng)是由發(fā)電設備、輸電設備、變電設備和配電設備及用電負荷組成，當發(fā)輸變配用任一設備不對稱時，就會引起三相電壓不平衡。三相不平衡的評價指標通常由三相電壓不平衡度表示。三相電壓不平衡度用負序分量比正序分量的百分數表示，正序分量和負序分量通過對稱分量法計算得到。依據國家標準GB/T 15543—2008《電能質量 三相電壓不平衡》[16]，三相電壓不平衡度的表達式為：

(1)

(2)

式中：εU2為電壓的負序不平衡度；εU0為電壓的零序不平衡度；U2為三相電壓的負序分量方均根值，kV；U1為三相電壓的正序分量方均根值，kV；U0為三相電壓的零序分量方均根值，kV。

式(1)可作為負序電壓不平衡度的準確計算公式。通過測量三相電力系統(tǒng)中A、B、C三相的相位及幅值后，利用對稱分量法求出正序分量和負序分量，借助式(1)求得負序電壓不平衡度。據此可知三相電壓不平衡度與正序和負序分量有關。

下面介紹幾種不平衡度的近似估算式：

(3)

(4)

式中：εU為三相電壓的不平衡度；Δmax為三相中對平均電壓的最大偏差值，kV；Uavg為三相線電壓的平均值，kV；ΔPmax為公共連接點處單相有功功率的變化量最大值，MW；ΔQmax為公共連接點(point of common coupling，PCC)處單相無功功率的變化量最大值，Mvar；R為等效電阻，Ω；X為等效電抗，Ω；UN為額定電壓，kV。

根據式(3)、式(4)可知，三相電壓不平衡度與電壓偏差有關，電壓偏差由系統(tǒng)初始電壓、有功功率、無功功率變化量及系統(tǒng)等效電阻、電抗決定。

工程上用式(5)來估計不平衡負荷在PCC處帶來的不平衡度。

(5)

式中：I2為負荷電流的負序分量，kA；UL為線電壓，kV；Sk為PCC處的短路容量，MVA。

根據式(5)可知，三相電壓不平衡度與電流的負序分量及系統(tǒng)PCC處的短路容量有關。

對于接于相間的單相負荷，所引起的不平衡度可用更為簡單的公式為

(6)

式中，SL為單相負荷的容量，MVA。

根據式(6)可知，三相電壓不平衡度與單相負荷的容量及系統(tǒng)PCC處的短路容量有關。

綜上所述三相不平衡度與序分量、電壓偏差、系統(tǒng)PCC處的短路容量及不平衡負荷的容量有關。

1.2 基于電氣化鐵路的三相不平衡影響因素分析

格庫鐵路是由110 kV交流電經牽引變壓器(V/v接線)降壓為27.5 kV后向牽引網及電力機車單相供電的電氣化鐵路。由于該供電方式為單相供電，將在電力系統(tǒng)中產生負序分量。這里主要基于V/v接線不平衡牽引變壓器開展三相不平衡的影響因素分析。

V/v接線的牽引變壓器組成的一個變電所供電系統(tǒng)見圖1。

圖1 V/v接線的牽引變壓器

根據圖1所示結構圖可推出系統(tǒng)正負序電流與電鐵側a、b臂電流的關系為

(7)

系統(tǒng)側A、B、C三相電流與鐵路側a、b臂的電流的關系如下：

(8)

(9)

(10)

下面依據式(7)分析兩供電臂在不同負荷時對電流不平衡度的影響。

(11)

表1列出了V/v接線變壓器在3種典型工況下電流不平衡度。

表1 3種典型工況下電流不平衡度

綜上所述電氣化鐵路的電流三相不平衡度與兩供電臂負荷及所接相序有關，其中一臂電流最大、一臂電流為0時的三相不平衡度最大。

2 基于ETAP的三相不平衡仿真計算分析

ETAP是一款全圖形化的電力系統(tǒng)仿真軟件，主要利用該軟件的不平衡潮流模塊開展基于電氣化鐵路的三相不平衡影響因素研究。

2.1 基于電氣化鐵路的典型仿真模型搭建

下面以格庫鐵路沿線為典型應用場景，選取新疆電網末端3座變電站及所接牽引站負荷搭建典型仿真模型。該地區(qū)的網架結構見圖2；依據網架結構圖及用戶提供的相應負荷側參數，利用ETAP搭建的仿真模型見圖3。

電氣化鐵路模型的搭建主要為線路、選相器、單相變壓器以及等效單相負荷，線路在實際運行中為一主一備方式，模型搭建時僅考慮運行線路，相位根據收資給定，變壓器容量及參數與實際運行設備一致，負荷大小根據實測給定。

圖2 網架結構

圖3 ETAP仿真模型

本次仿真僅研究電氣化鐵路的三相不平衡問題，不考慮電氣化鐵路向系統(tǒng)注入的諧波，故圖3仿真模型搭建時考慮的邊界情況為：

1)電源情況：新能源光伏及風電不出力，所有電源均來自等效系統(tǒng)，平衡節(jié)點接入TD變電站母線。

2)負荷情況：電氣化鐵路負荷等效為輪轉換相的單相負荷，負荷大小為實際最大負荷；TD變電站正常用電負荷均等效為最大靜態(tài)負荷，功率因數按0.9考慮。

3)無功補償裝置：TD和YZ變電站無功補償裝置及線路高壓電抗器均按實際配置，投切情況根據電壓變化調整。

4)運行方式：YZ、SLM變電站均并列運行，TD變電站分列運行，TD一回線與TD一臺變壓器接帶常規(guī)用戶負荷；TD另一回線與TD另一臺變壓器接帶牽引站負荷，并且通過雙回線接入YZ變壓器。

2.2 電氣化鐵路接入電網的三相不平衡影響因素仿真分析

基于圖3所示的仿真模型開展電氣化鐵路接入弱聯(lián)系電網的三相不平衡影響因素分析，為仿真驗證第1章中理論分析的結論，本節(jié)仿真僅考慮最末端SLM變電站及其負荷，電源來自系統(tǒng)側等效電網，SLM等效仿真模型如圖4所示。

圖4 SLM變電站仿真模型

圖4中初始參數：等效電網的三相短路容量為644 MVA，負荷容量為21 MVA。下面仿真分析各參數對三相不平衡的影響程度。

1)電壓的正序和負序分量：不改變仿真模型中其他變量，僅通過修改系統(tǒng)側等效阻抗的序分量，來分析SLM各電壓等級正序和負序分量不同所對應的負序三相電壓不平衡度，序分量修改前如表2所示，修改后如表3所示。

表2 序分量修改前各電壓等級對應的不平衡度

表3 序分量修改后各電壓等級對應的不平衡度

對比表2和表3可知，系統(tǒng)負序分量越大，所對應的負序電壓三相不平衡度越大，與理論分析相符。

2)電壓偏差：保持仿真模型中其他變量不變，僅通過修改系統(tǒng)阻抗中電阻值來改變SLM變電站相關母線電壓偏差。通過仿真分析得到負序電壓三相不平衡度，如表4所示，其中電壓偏差取三相電壓偏差的最大值。

表4 電壓偏差不同時各電壓等級對應不平衡度

由表4可知，母線電壓偏差越大，所對應的不平衡度越大。

3)系統(tǒng)PCC的短路容量：保持仿真模型中其他變量不變，僅通過改變SLM變電站PCC處的短路容量，仿真計算得到不同短路容量所對應的負序三相電壓不平衡度，如表5所示。

表5 短路容量不同時各電壓等級對應不平衡度

由表5可知，PCC處短路容量越大，所對應的不平衡度越小。

4)不平衡負荷的容量：保持仿真模型中其他變量不變，僅通過改變SLM變電站所帶電氣化鐵路單相負荷的容量，仿真計算得到不同單相負荷容量所對應的負序三相電壓不平衡度，如表6所示。

表6 負荷容量不同時供電臂各電壓等級對應不平衡度

由表6可知，不平衡負荷容量越大，所對應的不平衡度越大。

5)電鐵供電臂：保持仿真模型中其他變量不變，僅通過改變SLM變電站所帶電氣化鐵路單相負荷供電臂的接入系統(tǒng)的相序，仿真計算得到不同接入相所對應的負序三相電壓不平衡度，如表7所示。

表7 負荷接入相不同時各電壓等級對應不平衡度

由表7可知，當兩個牽引站供電臂接入相相同時，所產生的不平衡度最大，當供電臂接入相不同時，會對負序電流有一定的中和作用，故不平衡度會減小。

綜上所述，仿真得到系統(tǒng)負序分量越大、母線電壓偏差越大、PCC處短路容量越小、不平衡負荷容量越大、供電臂接入相相同，所對應的不平衡度越大。

3 基于實測數據的格庫鐵路對電力系統(tǒng)及用戶的影響分析

為分析格庫鐵路接入新疆電網對接入地區(qū)電能質量的影響，對SLM變電站及附近的新能源場站開展了電能質量測試，下面基于實測數據開展分析。

3.1 對新能源場站的影響分析

實測新能源場站35 kV三相電壓不平衡度如圖5所示。

圖5 35 kV母線三相電壓不平衡度

由圖5可知該新能源場站母線電壓不平衡度最大達到10.77%，已嚴重超出國標規(guī)定的短時不超過4%的要求，造成新能源場站的逆變器以及無功補償裝置不能正常工作：在無列車經過時不平衡度小于4%，設備可正常工作；有列車經過且影響較大時不平衡度將大于4%造成設備頻繁跳閘。根據圖5測試曲線可以看出，不平衡度基本是時刻都在變化的，設備頻繁跳閘將影響使用壽命。且由于無功補償裝置不能正常投運，將造成新能源場站出力限制，嚴重影響到場站的經濟效益。

實測新能源場站35 kV母線電壓偏差如圖6所示。

由圖6可知該新能源場站母線電壓下偏差最大值為12.967%，此時電壓最低將低于0.9 pu，按照光伏逆變器低電壓穿越閾值，將可能存在進入低穿現象，對新能源場站的逆變器產生影響。

圖6 35 kV母線電壓偏差

3.2 對電力用戶的影響分析

實測SLM220母線三相電壓不平衡度如圖7所示。

圖7 SLM220母線三相電壓不平衡度

由圖7可知SLM220母線三相電壓不平衡度最大值為10.795%。

電力用戶通常由110 kV電壓等級接入，主變壓器將電能從220 kV變換到110 kV后供給用戶使用，該地區(qū)的主要用戶接入在TD變電站，通過實測數據將SLM220母線三相電壓不平衡度傳遞到TD變電站后，依然超出國標要求。

三相電壓不平衡度超標將增加電動機的定、轉子銅損，降低電動機的最大轉矩和過載能力，還有可能引起電動機振動。由于格庫鐵路造成的負序電壓三相不平衡度超標致使用戶TS水泥廠電動機不能正常工作，造成一定的經濟損失。

3.3 對電力系統(tǒng)的影響分析

通過實測數據得到SLM220母線三相電壓不平衡度和SLM35母線三相電壓不平衡度對比曲線如圖8所示。

由圖8可知SLM220母線電壓和SLM35母線電壓三相不平衡度不考慮采樣精度的條件下基本保持一致，最大值均為10.7%。

故通過實測數據可以看出三相不平衡度將完全通過變壓器傳遞，不會發(fā)生衰減，負序三相電壓不平衡度較大將影響變壓器的壽命，產生附加損耗；將引起以負序分量為起動元件的保護發(fā)生誤動；引起電網損耗的增加。

圖8 SLM220和SLM35母線三相電壓不平衡度

4 改善三相不平衡的措施分析

基于格庫鐵路接入新疆電網帶來的電能質量問題，考慮利用三相平衡化的機理分別從鐵路側和電網側兩方面開展分析驗證。

4.1 三相平衡化的機理分析

4.2 鐵路側改進措施有效性驗證

基于“誰污染，誰治理”的原則，新疆電網若羌地區(qū)的三相不平衡主要是由于格庫鐵路不平衡負荷接入引起的，以SLM變電站為研究對象，考慮在格庫鐵路SLM變電站的SEKLqIan供電臂110 kV母線處加裝治理裝置，以平衡負序電流。

基于文獻[17]的分析機理，通過向系統(tǒng)中注入與負序電流方向相反的不平衡電流來中和系統(tǒng)中的負序電流，以不平衡度滿足國標要求的4%開展仿真分析，在ETAP仿真軟件中搭建無功電流的注入元件，仿真模型如圖11所示，基于圖11的仿真模型得到如表8所示的仿真結果。

圖9 單相系統(tǒng)

圖10 平衡后三相系統(tǒng)

圖11 鐵路側改善措施仿真模型

表8 鐵路側改善前后三相電壓不平衡度 單位：%

通過在SLM110母線上搭建無功元件，向系統(tǒng)注入BC相無功電流124 A后，將SLM變電站各母線的負序三相電壓不平衡度降低至2%以內，補償效果較好，仿真驗證了改善措施的有效性。

4.3 電網側改進措施有效性驗證

該地區(qū)網架結構相對薄弱，考慮對電網側改進措施開展仿真分析，SLM變電站220 kV母線電壓三相不平衡度超過10%的電網側原因是該站220 kV母線短路容量較小。為提升該地區(qū)的短路容量，考慮網架補強的改善措施，根據十四五規(guī)劃，該地區(qū)網架補強后短路容量將提升至1570 MVA。

根據實測SLM220的三相不平衡度最大為10.7%，利用ETAP開展仿真驗證，仿真初始不平衡度按SLM變電站電氣化鐵路帶來的最大不平衡度給定SLM220為6.5%，加入改進措施的仿真模型如圖11所示，模型中是將等效電網的短路容量改為1570 MVA來開展仿真分析的，基于圖12的仿真模型得到如表9所示的仿真結果。

圖12 電網側改善措施模型

表9 電網側改善前后三相電壓各不平衡度 單位：%

根據上述仿真結果，網架結構補強后，SLM220母線的負序三相電壓不平衡度將小于4%，滿足國標準短時不超過4%的要求。且該補強措施已開工建設，待建成后該地區(qū)三相電壓不平衡將得到改善。

5 結 論

上面分析了電氣化鐵路接入弱聯(lián)系電網的三相不平衡影響因素，得到以下結論：

1)三相不平衡的評價指標是負序三相電壓不平衡度，通過理論分析得出負序三相電壓不平衡度與序分量、電壓偏差、系統(tǒng)PCC的短路容量及不平衡負荷的容量有關。

2)基于格庫鐵路接入新疆電網的實際搭建模型，仿真分析驗證了電力系統(tǒng)負序分量越大、母線電壓偏差越大、PCC處短路容量越小、單相負荷容量越大、電氣化鐵路供電臂接入相相同，所對應的不平衡度越大。

3)通過對格庫鐵路實測數據的分析，得出負序三相電壓不平衡度超標將影響新能源場站、電力用戶的正常工作，影響電力系統(tǒng)中變壓器的壽命，產生附加損耗；將引起以負序分量為起動元件的保護發(fā)生誤動；引起電網損耗的增加。

4)借助ETAP仿真軟件分別從鐵路側和電網側兩方面仿真驗證了改善措施的有效性，鐵路側治理效果將優(yōu)于網架補強的改善效果。待若羌地區(qū)十四五網架補強后，將進一步改善格庫鐵路接入新疆電網帶來的電能質量問題。