電氣化鐵路牽引負荷對地區電網諧波影響分析

廖華武　鄒長春　羅慶躍　劉白楊　胡千佳

摘 要：諧波會使電壓和電流波形產生畸變，對電網經濟安全運行構成威脅。本文通過對電鐵牽引負荷諧波進行實測，用PSASP仿真軟件進行仿真，分析電鐵牽引負荷接入后，牽引變電站上級母線電壓畸變率，研究表明，懷化電網受諧波影響已到相當水平。

關鍵詞：諧波；諧波畸變；電壓畸變；PSASP

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.02.169

0 引言

隨著社會經濟持續發展，地區電網規模日趨龐大，接入電網的大型用戶類型也發生了變化，電氣化鐵路牽引負荷已占到某地區電網總負荷1/3強。電氣化鐵路機車已經成為我國交通運輸中的重要基礎設施，是國家經濟社會發展的中間力量，由于電力牽引負荷是一種大功率整流負荷，運行過程中，會產生諧波、負序、電壓波動和閃變電流[1]，侵入到電網側后，將嚴重威脅電力系統的安全穩定運行。本文在電網基礎數據庫的基礎上，運用電力系統分析綜合程序（Power System Analysis Software Package， PSASP），進行了三相不對稱諧波潮流計算，通過計算，得出該地區電網各牽引變電站供電端變電站母線存在不同程度的諧波電壓超標。

1 電鐵牽引負荷的諧波計算

諧波產生的原因是由于正弦電壓加于非線性負載導致基波電流發生畸變，常見非線性負載有開關電源、UPS、變頻器、整流器、逆變器等等。電氣化鐵路機車諧波主要為3次、5次、7次，以及11次等高次諧波，其余的奇次諧波依次衰減[2]，第h次諧波電壓含有率：

2 某地區電網現狀

近幾年隨著經濟的發展，鐵路負荷穩中有升，占懷化電網內負荷比重近1/3強，由于負荷波動大，一會吸收系統無功負荷，一會又向系統倒送無功，使變電站母線電壓波動頻繁，影響到對其他用戶的供電質量，受影響最大的有火馬沖變、瀘陽變、李家坡變、懷化變#1主變等供電用戶。鐵路牽引變負荷在懷化電網中所占比重越大，對系統電壓的影響也越來越嚴重。

（1）東端電鐵牽引變運行方式。低莊牽引變由李牽線主供（田家電源），觀煙線備用（觀音閣電源）；大江口牽引變由田李Ⅱ線主供（田家電源），田李Ⅰ線備用（田家電源）；小龍門牽引變由滬線主供（田家電源），陽火線備用（陽塘電源）。

（2）西端電鐵供電方式。懷化牽引變由陽新Ⅱ線主供（陽塘電源），公晃線備用（公坪電源）；巖田鋪牽引變由公晃線主供（公坪電源），陽新Ⅱ線備用（陽塘電源），新晃牽引變有晃新線主供（晃州電源），陽新Ⅱ線備用（陽塘電源），象鼻子、麻陽牽引變由陽錦線主供（陽塘電源），公錦線備用（公坪電源），錦和牽引變由公錦線主供（公坪電源），陽錦線備用（陽塘電源）。110kV牽引變電站供電如圖1所示。

3 PSASP建模仿真

3.1 PSASP軟件概述

電力系統分析綜合程序（Power System Analysis Software Package）簡稱PSASP。是一套歷史長久、功能強大、使用方便的電力系統分析程序，它具有中國自主知識產權，是資源共享，使用方便，高度集成和開放的大型軟件包。[3]主要功能有潮流計算、暫態穩定、短路電流、網損分析、電壓穩定、電能質量分析等。本次建模仿真中主要用到了諧波潮流計算和電能質量計算兩個模塊。[4]電能質量計算流程結構如圖2所示。

3.2 電能質量計算

電力系統諧波分析是根據給定的電網結構、參數以及負荷、諧波源濾波器等元件的運行條件，通過諧波潮流計算確定系統中諧波電流的分布以及各部分的電壓和電流波形的畸變程度，或通過計算網絡的頻率相應判斷系統是否臨近諧波諧振狀態以及怎樣減小系統諧振發生的可能性的計算[4]。

系統參數設置，錄入牽引變電站參數，牽引主變銘牌參數見表1。三相不對稱諧波潮流計算作業定義，錄入韶山SSD4型電力機車諧波參數，執行計算。

3.3 結果輸出

計算結果輸出。湘田家110受大江口牽引變電站、小龍門牽引變電站影響，總諧波畸變率達7.95%；湘陽塘供電區內有新晃2牽引變電站、錦和1牽引變電站，同時還間接收到小龍門T滬至瀘陽變等影響，總諧波畸變率為6.97%，湘公坪供電區內接有新晃1牽引變電站、錦和2牽引變電站，下一級的還有鐵路變等諧波源，諧波電壓畸變率高達10.54%，湘山塘驛、湘涼水井、湘飛山等都受到電鐵諧波侵入影響，諧波畸變率分別為4.04%、6.89、2.21。均超過電能質量公用電網諧波GB/T14549-1993不能超過2.0%的允許值。

而與牽引變電站直接供電的110kV電壓等級變電站，諧波畸變率也均超出國家標準。如湘懷化李家坡變電站，兩側有大江口牽引變電站和低莊牽引變電站，諧波電壓受電鐵諧波影響很大，總諧波畸變率李家坡110-1為10.59%、李家坡110-2為10.63%、李家坡35為10.37%，均超國標允許3到5倍。同樣與電鐵牽引變電站有聯系或簡介關聯的變電站諧波都超出國家標準允許值，典型的變電站有湘懷化瀘陽110、35，總諧波畸變率分別為6.99%、7.12%。湘懷化新街110，總諧波電壓畸變率為6.64%，湘懷化火馬沖110、35，總諧波畸變率分別為8%、7.83%。湘懷化懷化110-1與湘懷化懷化35-1受電鐵諧波侵入影響也很嚴重，總諧波畸變率分別為10.55%與9.94。而電網諧波國標允許值是35kV為不大于3%，110kV為不大于2%。

4 結論

從以上數據分析，可以得出，受電鐵諧波影響較大的變電站主要有：公坪變電站110kV側、懷化變電站1主變、火馬沖變電站、李家坡變電站、新街變電站、瀘陽變電站等110kV變電站，陽塘、田家、山塘驛、涼水井等220kV電壓等級110kV側出線也受到電鐵諧波不同程度影響。總諧波電壓畸變率超過國家標準2到5倍，影響很大，需要及時治理，使之符合國家相關標準要求。

參考文獻：

[1]羅安.電網諧波治理和無功補償技術及裝備[M].中國電力出版社，2006

[2]陳解祥.電氣化鐵道諧波污染與對策[J].湖南電力，2009（06）：4-8.

[3]中國電力科學研究院.電力系統分析綜合程序（PSASP）用戶手冊[R].北京：中國電力科學研究院，2002.

[4]中國電力科學研究院.電力系統分析綜合程序（PSASP）電能質量計算用戶手冊[R].北京：中國電力科學研究院，2015.

[5]李欣然，孫謙，朱湘有，張永旺，鄧威.基于實測數據的電鐵牽引負載諧波源模型[J].電網技術，2012（01）：158-162.