基于城市軌道交通運行圖的供配電系統諧波預評估仿真

朱明星 錢辰辰，3 段曉波 胡文平 戎士洋

(1.安徽大學教育部電能質量工程研究中心，230601，合肥;2.河北省電力公司電力科學研究院，050021，石家莊;3.陽光電源股份有限公司，230601，合肥∥第一作者，副教授)

城市軌道交通的快速建設使城市軌道交通供電給公共電網帶來的影響受到高度的關注。因此，需對城市軌道交通接入配電網進行預評估研究。

文獻［1－4］指出了城市軌道交通負荷接入城市公共電網引起電網電能質量的下降，給出了城市軌道交通接入電網的電能質量解決方案;文獻［5－9］建立了城市軌道交通牽引站仿真模型，對整流機組諧波電流進行了分析;文獻［10－12］對城市軌道交通列車運行圖進行介紹，研究列車運行圖編制方法和評價方法。以上的研究內容均沒涉及城市軌道交通供電系統諧波預評估，其研究成果為本文提出的基于城市軌道交通列車運行圖的供配電系統諧波預評估提供了基礎支撐。

本文提出基于城市軌道交通列車運行圖對城市軌道交通供配電系統諧波進行預評估的思想，建立了城市軌道交通供配電系統諧波預評估的仿真方法，給出了城市軌道交通供配電系統諧波預評估的仿真原則和流程;并仿真了某城市軌道交通線供配電系統的11 次諧波潮流，找出了11 次諧波超標的原因。

1 某城市軌道交通線的列車運行圖

為了研究不同城市軌道交通線運行規律對城市軌道交通供配電系統諧波潮流的影響，就必須結合其列車的運行圖進行分析。根據圖1a)中給出的某城市軌道交通1號線運行交路及對數，結合城市軌道交通列車運行圖的編制規則，對該城市軌道交通1號線的運行圖進行了簡化，如圖1b)所示。

該城市軌道交通1號線列車運行圖是建立在同一方向列車的運行速度相同、列車在區間兩端站的到發或通過的運行方式相同等理想條件下，未考慮客流量、線路土建結構、成本、效率等因素。

圖1 某城市軌道交通1號線的列車運行交路及運行圖

假設每個牽引變電所主要為本車站和左右相鄰兩車站的列車供電，選取某一固定時間間隔，對某一主變電所所轄的各個牽引變電所承擔的列車數進行統計，得出各個牽引變電所所帶負荷大小，最后根據牽引變電所諧波電流的仿真結果或既有的諧波電流發生量數據庫，來確定各牽引變電所在該運行方式下的諧波電流發生情況，并以此為基礎數據，結合供配電系統線路參數對城市軌道交通供配電系統的諧波潮流進行仿真，進而實現對城市軌道交通供電系統進行諧波預評估的目的。

2 諧波預評估仿真

2.1 仿真原則

1)將城市軌道交通供配電系統參數全部折算到35 kV 電壓等級，將各牽引變電所的諧波電流發生量折算到35 kV 電壓等級，并忽略各降壓站的諧波發生量。

2)根據文獻［13］關于矢量疊加的求和法則，對城市軌道交通各級母線的諧波電壓分別進行合成。合成后的諧波電壓就是該級母線的最終評估值。合成h 次諧波電壓的求和法則是:

式中:

Uh——對所考慮的一組諧波源計算出的合成h次諧波電壓值;

Uh，i——要進行合成的各單個 h 次諧波電壓的值;

α——求和指數，本文取 α=2。

3)根據文獻［14］關于諧波電流的合成方法，對城市軌道交通供配電系統各進線電流進行合成。合成后的諧波電流就是該進線的諧波仿真結果。2 個諧波源的同次諧波電流在同1 條線路上同一相迭加，即可得諧波電流的合成值Ih。當相位角已知時:

式中:

Ih，1——諧波源 1 的 h 次諧波電流;

Ih，2——諧波源 2 的 h 次諧波電流;

φ——諧波源1 和2 的 h 次諧波電流之間的相位差。

當相位角不確定時:

式中:

Kh——當相位角不確定時諧波電流的疊加系數，如表1所示。

表1 諧波電流疊加系數

2.2 仿真模型

基于城市軌道交通列車運行圖的供配電系統諧 波預評估的仿真模型如圖2所示。

圖2 諧波預評估仿真模型

諧波預評估需設置的參數如下:

1)主變電所220 kV 母線的短路容量;

2)220 kV 變電所 220 kV/110 kV 變壓器參數;

3)220 kV 變電所至城市軌道交通主變電所110 kV 母線的線路參數和線路長度;

4)城市軌道交通主變電所110 kV/35 kV 變壓器參數;

5)城市軌道交通主變電所35 kV 母線至各牽引變電所和降壓變電所的線路參數;

6)不含牽引變電所的城市軌道交通站內降壓變電所的個數N，含牽引變電所的城市軌道交通站內降壓變電所的個數K;

7)不含牽引變電所的城市軌道交通站內各降壓站35 kV/0.4 kV 變壓器參數，以及所帶負荷的有功和無功功率;

8)含牽引變電所的城市軌道交通站內各降壓站35 kV/0.4 kV 變壓器參數，以及所帶負荷的有功和無功功率;

9)根據軌道交通列車運行圖得出的各牽引變電所各次諧波電流發生量，以及所帶負荷的有功和無功功率。

2.3 仿真流程

基于城市軌道交通列車運行圖的供配電系統諧波預評估的仿真流程如圖3所示。

3 實例分析

3.1 某城市軌道交通1號線供配電系統介紹

現根據某城市軌道交通1號線供配電系統的實際運行數據，對本文提出的仿真模型和方法進行驗證。該城市軌道交通1號線供配電系統如圖4所示。

該線供配電系統部分參數如下:主變電所110 kV最大短路容量為1 813 MVA，最小短路容量為1 729 MVA，110 kV/35 kV 變壓器型號為 SZ 9－63 000/115，運行短路電壓百分比為10.61%，110 kV 線路采用電纜型號為YJLW－630，長度為1 363 m;主變電所35 kV 帶4 個牽引變電所，同時該城市軌道交通線的110 kV 供電為環網運行，含有11 次背景諧波電壓，白天11 次背景諧波電壓含有率約為0.8%，夜晚 11 次背景諧波電壓含有率約為0.5%。

圖3 諧波預評估仿真流程圖

圖4 某城市軌道交通1號線供配電系統圖

3.2 實測結果

對該城市軌道交通線供配電系統的1 個主變電所下轄的1 個牽引變電所進行電能質量測試，其測試時段為:2012－9－21 的00:23 至2012－9－22 的00:23，統計間隔時間為5 min。由于該城市軌道交通線的主要問題為11 次諧波超標問題，因此本文主要針對11 次諧波電流進行分析，其余各次諧波的仿真與此類似。根據測試數據可得出主變電所110 kV 11 次諧波電壓和諧波電流變化趨勢如圖5所示;主變電所35 kV 11 次諧波電壓和諧波電流變化趨勢如圖6所示;牽引變電所35 kV 11 次諧波電壓和諧波電流變化趨勢如圖7所示。

圖5 主變電所110 kV 母線11 次諧波電壓和諧波電流變化趨勢

對該城市軌道交通線供配電系統的電能質量測試結果進行分析，可得以下結論:

圖7 牽引變電所35 kV 11 次諧波電壓和諧波電流變化趨勢

1)主變電所110 kV、主變電所35 kV 和牽引變電所35 kV 各母線的11 次諧波電壓含有率具有強關聯性。其中:測試期間的前5 h，列車處于停運狀態這段時間為用電低谷期;測試開始8 h 后列車基本全部處于運營狀態，這段時間為用電高峰期。

2)在用電高峰期，主變電所110 kV、主變電所35 kV 和牽引變電所35 kV 各母線的11 次諧波電壓含有率分別為2.5%、9%和9%左右;在用電低谷期，主變電所110 kV、主變電所35 kV 和牽引變電所35 kV 各母線的 11 次諧波電壓含有率分別為0.8%、5%和5%左右。

3)在用電高峰期，主變電所110 kV、主變電所35 kV 和牽引變電所35 kV 各進線的11 次諧波電流量分別為13 A、55 A 和3 A 左右;用電低谷期，主變電所110 kV、主變電所35 kV 和牽引變電所35 kV各進線的11 次諧波電流量分別為8 A、35 A 和1.5 A 左右。

3.3 實測與仿真結果的對比

在用電高峰期和用電低谷期，主變電所110 kV、主變電所35 kV 和牽引變電所35 kV 的11 次諧波電壓和諧波電流的實測結果和仿真結果對比如表2所示。

表2 對11 次諧波電壓、電流的實測結果與仿真結果對比

根據11 次諧波電壓和諧波電流的實測結果和仿真結果的對比可知:

1)在用電高峰期和用電低谷期內，仿真結果和實測結果比較接近，驗證了本文建立的城市軌道交通線供配電系統諧波預評估仿真模型的可用性。

2)在用電高峰期和用電低谷期，牽引變電所35 kV 進線產生11 次諧波電注入主變電所35 kV 進線，被放大4 ～5 倍左右，進而在各母線產生了很高的11 次諧波電壓。這是由于主變電所35 kV 的系統阻抗與主變電所35 kV 至牽引變電所35 kV 電纜充電電容形成了串并聯諧振造成的。

3)對城市的供配電系統設計，必要時需對城市軌道交通接入電網進行電能質量評估，以保證城市軌道交通供配電系統的安全穩定。

4 結語

本文提出了基于城市軌道交通列車運行圖的城市軌道交通供配電系統諧波預評估的思想，建立了城市軌道交通供配電系統諧波預評估的仿真模型，給出了供配電系統諧波預評估的仿真方法、仿真原則和仿真流程;對某城市軌道交通線供配電系統的11 次諧波潮流進行了仿真，分析出11 次諧波超標的原因，為城市軌道交通接入配電網的預評估提供了依據。

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