哈大高鐵客運專線對黑龍江省電網的影響分析

張明江

(黑龍江省電力科學研究院，哈爾濱150030)

哈大高鐵客運專線是中國目前嚴寒地區設計建設標準最高的一條高速鐵路，全長921 km，全線設17個牽引站向電鐵供電，為雙線電氣化鐵路。其中黑龍江省境內有2個牽引站，分別為哈西客站牽引變電所和雙城北牽引變電所。哈大客運專線動車組采用的CRH380B高寒動車組是交直交傳動電動車組，并且是單相系統供電，在機車運行過程中將產生大量的諧波和負序分量注入電網，波及其他用戶［1－2］;而且電鐵機車沿鐵路移動用電，產生的危害程度比其他類型的諧波源設備要嚴重得多［3－4］。對此，本文主要從電能質量角度分析哈大高鐵客運專線對黑龍江省電網的影響。

1 供電方式

根據國家電網公司《電氣化鐵路牽引站接入電網導則(試行)》的要求，電力牽引負荷為一級負荷，采用集中供電方式，牽引站應由兩路電源供電，當任一路出現故障時，另一路仍應正常供電。牽引站的兩路電源宜取自不同電源點的兩座變電站(發電廠)。如牽引站的電源取自同一變電站(發電廠)，原則上應同時滿足以下條件:1)兩路電源取自不同段母線;2)該站應至少有兩路電源進線(含來自高一級電壓的不同降壓變壓器)。根據黑龍江省電網實際情況，哈西客站牽引變電所由哈西一次變電所和城鄉一次變電所各出一回220 kV線路供電，雙城北牽引變電所由雙城一次變電所出2回220 kV線路供電，供電網示意圖如圖1所示。

圖1 供電網示意圖Fig．1 Schematic diagram of power supply network

牽引變電所有兩回220 kV進線，220 kV側主接線為帶隔離開關分段的單母線接線，內設4臺220 kV/27.5 kV單相變壓器(哈西客站牽引變電所兩臺額定容量為31.5 MVA，兩臺額定容量為40 MVA;雙城北牽引變電所額定容量均為40 MVA)。兩臺變壓器與一回兩相220 kV線路構成兩組線路—變壓器單元接線，采用固定備用方式，一組運行，一組備用，設有備用自動投入裝置。牽引變電所27.5 kV側接線采用單母線接線形式，牽引變壓器低壓側設置27.5 kV斷路器，饋線斷路器上下行互為備用，采用上下行饋線間隔聯絡電動負荷隔離開關運行方式。牽引站供電接線圖如圖2所示。

2 電鐵線路運行對電網的影響

2.1 系統參數

1)電能質量考核點(PCC點):城鄉一次變電所、哈西一次變電所和雙城一次變電所的220 kV母線。

2)由城鄉一次變供電時的供電設備容量為466 MVA，由哈西一次變供電時的供電設備容量為1063 MVA，由雙城一次變電所供電時的供電設備容量為463 MVA。

3)城鄉一次變220 kV系統最小短路容量為2373.4 MVA，哈西一次變220 kV系統最小短路容量為7646.6 MVA，雙城一次變電所220 kV系統最小短路容量為2896.7 MVA。

4)哈西客站牽引變電所用電協議容量為223 MVA，雙城北牽引變電所用電協議容量為160 MVA。

2.2 負序分量

電鐵線路兩相供電系統，相當于正常三相對稱系統經大阻抗兩相短路［5］，其等值網絡圖如圖3所示。

圖2 哈西客站牽引變電所主接線示意圖(括號內標注為雙城北牽引變電所進出線)Fig．2 Schematic diagram of main wire linein Harbin west railway traction station

圖3 電鐵線路等值網絡圖Fig．3 Electric railway line equivalent network diagram

由圖3可知

假設Xs1=Xs2，Xl1=Xl2，Xe1=Xe2，則

I2=I1=Es/(2Xs1+2Xl1+2Xe1)

式中:Xs1，Xs2為系統等值正、負序電抗;Xl1，Xl2為電鐵輸電線路正、負序電抗;Xe1，Xe2為牽引站單相變壓器正、負序勵磁電抗。

由中鐵第一勘察設計院集團有限公司提供的牽引變電所220 kV側的負序功率平均值為31.13 MVA，短時值92.29 MVA，負序電流平均值為81.7 A，短時值242.2 A。

根據電力分析理論知識和系統及發電廠參數，計算出注入哈三B電廠和哈一熱電廠的負序電流(I2)及其與額定電流之比(I2/IN)如表1所示。

表1 注入電廠的負序電流(I2)及其與額定電流之比(I2/IN)值Tab．1 Negative sequence current of injecting power plant and the ratio of negative sequence current(I2)to the rated current(I2/IN)

當公共連接點的正序阻抗與負序阻抗相等時，負序電壓不平衡度計算公式為

式中:I2為負序電流值，A;Sk為公共連接點的三相短路容量，VA;UL為線電壓，V。

根據式(1)，當牽引變電所分別由城鄉一次變、哈西一次變供電和雙城一次變供電時，公共連接點的三相電壓不平衡度如表2所示。

表2 牽引變電所運行時公共連接點三相電壓不平衡度Tab．2 Three-phase voltage unbalance for common point when traction station operating

根據國家標準《隱極同步發電機技術要求》(GB/T 7064－2008)、國家標準《旋轉電機 定額和性能》(GB 755－2008)和國家電力公司標準《汽輪發電機運行規程》(1999年版 國電發［1999］579號)的規定，當三相負荷不對稱時，如發電機所承受的負序電流分量(I2)與額定電流之比(I2/IN)符合表3的規定，且定子每相電流均不超過額定值時，應能連續運行。

根據國家標準《電能質量 三相電壓不平衡》(GB/T 15543－2008)的規定，電力系統公共連接點電壓不平衡度限值正常運行為2%，短時為4%。

表3 不平衡負荷運行限值Tab．3 Unbalanced load operation limit

2.3 諧波分量

哈大高鐵配備的是CRH380B型高寒動車組，采用交－直－交傳動方式。交直交動車組的特點是功率因數高，牽引工況接近1;諧波頻譜寬，高次諧波含量低。電鐵諧波的特征諧波為2、3、5、7次，其中3次諧波電流含有率最大，隨著諧波次數的增大，含有率快速遞減［6］。

根據中鐵第一勘察設計院集團有限公司提供的資料，在高峰時段，牽引站兩側的上、下行方向均有兩臺機車運行，單臺機車牽引最大功率為8800 kW，單臺機車的諧波電流頻譜數據如圖4所示。

圖4 單臺機車的諧波電流頻譜圖Fig．4 Harmonic current spectrum of single locomotive

從圖4可以看出，單臺機車的諧波電流頻譜主要為2次、3次、5次和 7次，其含有率分別為0.75%、1.8%、0.58%和0.6%。單臺機車的諧波電流值如表4所示。

表4 單臺機車的諧波電流值Tab．4 Harmonic current of single locomotive

國家標準《電能質量 公用電網諧波》(GB/T 14549－93)中推薦，兩個諧波源的同次諧波電流在一條線路的同一相上疊加，當相位不確定時可按下式進行計算:

式中:疊加系數Kh按表5選取;Ih1和Ih2分別為諧波源1和2的第h次諧波電流，單位為A。

表5 疊加系數Kh的值Tab．5 Superposition coefficirnt Kh

兩個以上同次諧波電流疊加時，首先將兩個諧波電流疊加，然后再與第三個諧波電流疊加，以此類推。牽引變電所正常運行時注入220 kV系統的諧波電流值如表6所示。

表6 牽引變電所正常運行時注入220 kV系統的諧波電流值Tab．6 Injeting harmonic current of 220 kV system when traction station in normal operation

根據系統參數和國家標準《電能質量公用電網諧波》(GB/T 14549－93)的規定，牽引變電所注入220 kV電網的各次諧波電流允許值如表7所示。

從表7可以看出，由雙城一次變電所供電時，牽引變電所運行時所產生的3次諧波電流超出國家標準規定的允許值。

3 電能質量治理方案

通過以上計算分析可知，由雙城一次變電所供電時，牽引變電所運行時所產生的3次諧波電流超出國家標準規定的220 kV公共連接點的諧波電流注入允許值的要求。根據《電力法》和黑龍江省電力公司相關文件的要求，在雙城北牽引變電所必須加裝電能質量治理裝置，并且與主設備同時設計、同時建設、同時驗收、同時投入使用，確保電網的安全、穩定、經濟運行。由于牽引機車為單相負荷，在運行過程中將產生負序電流，引起系統不平衡(負序)干擾，所以電能質量治理方案應綜合考慮以上問題，擬采用靜止無功補償器(SVC)［7］。整套裝置由TCR、隔離開關、高壓濾波電容器、濾波電抗器、放電線圈、氧化鋅避雷器、支柱絕緣子、安裝框架等組成。

3.1 設計原則

濾波及無功補償裝置的配置需要考慮以下幾點:

1)根據現有功率因數和目標功率因數，確定補償容量。

2)根據諧波電流的大小，確定濾波支路個數及濾波支路的有效容量。

3)根據濾波及無功補償裝置的安全性，確定濾波支路的電容器額定電壓。

4)根據電容器的串、并聯臺數以及保護方式，確定濾波支路的單臺電容器容量。

5)根據多個仿真計算的結果，確定濾波支路的最終詳細參數。

電容器組額定電壓的選取考慮下列因素:

表7 牽引變電所注入220 kV電網的各次諧波電流允許值Tab．7 Allowed harmonic current of traction station in 220 kV systemA

圖5 一次系統圖Fig．5 Primary system diagram

1)接入點的系統最高運行電壓。

2)串聯電抗器引起的濾波電容器工頻電壓升高。

3)諧波引起的電容器電壓升高。

4)相間和串聯段間的電壓分配不均勻。

3.2 參數計算及配置

本方案以綜合解決電氣化鐵路的三相電壓不平衡度、諧波和功率因數為目標。SVC包含相控電抗器TCR和濾波器FC兩部分。將35 kV TCR裝置通過一個升壓變壓器接到雙城北牽引變電所220 kV母線。濾波器裝置分為兩部分:一部分與TCR接到統一35 kV母線，采用三相單調諧濾波器，含3次、5次濾波支路，作用是濾除TCR裝置本身產生的諧波電流;另一部分是在牽引站兩段27.5 kV供電臂母線上各安裝一套單相濾波器，分別為3次、5次濾波支路，用來濾除電力機車產生的諧波電流。一次系統圖如圖5所示。

TCR三相總容量為120 MVA，濾波器基波無功補償容量為85 MVA，具體參數如表8所示。

3.3 治理效果分析

220 kV母線濾波前后諧波電流如表9所示。

SVC投運后，PCC點三相電壓不平衡度＜1.3%，雙城北牽引變電所220 kV側的功率因數大于0.95，滿足要求。

4 結語

本文從諧波和負序角度詳細分析了哈大高鐵客運專線對黑龍江省電網的影響，說明對于同一負荷接入不同系統所產生的影響也是不一樣的，對于超出國標允許值的情況，給出了治理方案，保證了電網的穩定運行。

表8 治理方案參數配置Tab．8 Parameter configuration of the control plan

表9 220 kV母線的諧波電流值Tab．9 Harmonic current of the 220 kV bus A

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