格庫鐵路供電系統對新疆電網電能質量的影響分析

張 崢，白 洋，易 鵬

(中國能源建設集團新疆電力設計院有限公司，烏魯木齊 830001)

格庫鐵路供電系統對新疆電網電能質量的影響分析

張 崢，白 洋，易 鵬

(中國能源建設集團新疆電力設計院有限公司，烏魯木齊 830001)

為了解決庫格鐵路對所經過地區電網產生的電能質量問題，消除諧波和負序電流對電網造成的危害，根據格庫鐵路新疆段電氣化鐵路牽引站供電方案，建立了新疆電網及格庫鐵路供電系統模型，分析了相關站點短路容量和電壓波動水平，并通過電能質量評估方法評估了各站點的諧波和負序電流。分析結果表明，基于PSASP建立的新疆電網仿真模型能夠正確評估相關站點短路容量和電壓波動結果。格庫鐵路相關牽引站部分站點諧波和負序電流超標，可以通過采取消諧等治理措施，避免后期格庫鐵路的運行風險。

格庫鐵路；新疆電網；電能質量；諧波

青海格爾木至新疆庫爾勒的電氣化鐵路(以下簡稱“格庫鐵路”)沿線區域，目前尚無電網覆蓋。格庫鐵路牽引站供電系統的建設，解決了負荷供電問題，但衍生出了薄弱電網區域電能質量問題，其諧波和負序電流對電網造成了電壓波動等危害。本文根據格庫鐵路牽引站供電方案，分析相關站點短路容量和電壓波動水平，并通過電能質量評估方法評估各站點的諧波和負序電流。通過計算結果提出相關治理措施，保障格庫鐵路牽引站供電的可靠性。

1 電氣化鐵路電能質量特性及其對電網的影響

目前，中國電氣化鐵路采用的供電方式為工頻單相25 kV交流制式[1]，格庫鐵路牽引供電采用自耦變壓器(AT)供電方式。該鐵路牽引變壓器為三相V/x接線型式，采用相序輪換方式接入電力系統。

1.1 諧波特性

不對稱性與隨機波動性是電氣化鐵路牽引負荷[2]與一般負荷最重要的區別[3]，格庫鐵路擬采用交—直—交型電力機車，諧波含量較小，但考慮到當地電網短路容量較小，諧波會導致電網元件產生附加諧波損耗，引起發電機機械振動、噪聲和過電壓，造成電容器發熱，影響繼電保護設備運行。

1.2 負序特性

三相電壓不平衡是鐵路牽引供電系統運行中最常見的現象。對于三相對稱系統而言，采用單相整流負荷的電氣化鐵路會產生大量負序電流，具有不對稱性與單相獨立性。

1.3 電壓閃變與波動

電氣化鐵路牽引供電系統的電壓波動和電壓閃變是由隨機波動的牽引負荷、無功沖擊以及機車啟動等產生的勵磁涌流引起的。

2 牽引站供電系統方案

格庫鐵路新疆段共11座電氣化鐵路牽引站，供電方案如圖1所示。

圖1 格庫鐵路新疆段牽引站供電方案Fig.1 Power supply scheme of Golmud-Korla Railway traction station of Xinjiang section

從圖1可以看出，由于受沿線經濟發展和負荷分布限制，該區域電網結構薄弱，電網自巴州750 kV變至末端祁曼變距離長達670 km，各站點短路容量偏小。因此，電氣化鐵路的投運對電網電能質量影響較大。

3 電能質量評估方法

電氣化鐵路牽引機車在運行的過程中單相供電且自身容量較大，具有沖擊性、隨機波動性、三相不對稱性以及電力機車自身產生諧波的滲透性，使電氣化鐵路對三相電力系統必然會產生影響[4-5]。對于電氣化鐵路負荷來說，三相不平衡度、電壓偏差、頻率偏差等指標是構成其電能質量評估的主要內容[6]。

3.1 諧波評估方法

3.1.1 諧波評估三級規定

第一級規定：根據牽引站負荷的特殊性，第一級規定并不適用，直接采用第二級規定。

第二級規定： 參照GB/Z 17625.4-2000的三級評估法，結合系統承受諧波、負序的能力來評估牽引負荷的特性。同時應考慮從上一級系統滲透的諧波水平。

第三級規定：不滿足第二級規定的單個用戶，應采取相應治理措施。經過治理后仍超過其標準限值，可根據 PCC點實際狀況和電網的發展預測適當放寬注入限值，但PCC點的電壓質量仍必須符合相應標準限值。根據負荷特性和電網情況進行預測計算。諧波評估程序框圖如圖2所示。

圖2 諧波評估程序框圖Fig.2 Block diagram of harmonic assessment procedure

3.1.2 諧波發射限值估算

對于單個牽引站的限值，按牽引站協議容量Si與接入系統PCC點處供電容量St之間的比例提供一個注入限值，計算式為

(1)

式中：Euh為第i個牽引負荷第h次諧波的發射限值；Lh為牽引站接入系統中第h次諧波的電壓限值；Si為牽引站的MVA額定值；St為PCC處總供電容量；F為同時發生畸變的牽引負荷的同時率，其典型值在0.4～0.5。

3.1.3 諧波估算方法

在計算牽引站諧波發射值時，重饋線取日饋線電流1 min平均有效值的95%概率大值，輕饋線取日方均根值。

饋線機車數量為

(2)

式中：IAV為饋線給電運行列車平均電流，A。

根據列車數量和諧波頻譜，確定饋線諧波電流。 重饋線諧波電流為

(3)

輕饋線諧波電流為

(4)

若牽引站采取無功兼濾波裝置，設各次諧波的濾波率為dh，則饋線中流向牽引變壓器的電流計算公式為

Iht=Ih×(1-dh)

(5)

牽引站重、輕饋線中流向牽引變壓器的各次諧波電流按正交考慮，則牽引站注入PCC點諧波電流的計算公式(對于V/v接線的牽引變)為

(6)

各次諧波電壓含有率為

(7)

式中：Uk為PCC點線電壓，kV；Sk為PCC三相最小短路容量，MVA。

牽引負荷產生的總諧波電壓畸變率為

(8)

3.2 負序評估方法

對于單相接線、V/v接線、V/x接線等非平衡牽引站，將牽引負荷看作單相負荷，取重饋線電流最大值Imax，牽引站注入PCC點的不平衡度計算公式為

(9)

式中：Imax為饋線電流最大值，A；Uf為牽引饋線電壓，V；Sk為公共連接點的三相短路容量，VA。

對于平衡牽引站，牽引站注入PCC點的不平衡度計算公式為

(10)

若兩個牽引站輪流換相接入同一PCC點，則牽引站注入PCC點的不平衡度計算公式為

(11)

若3個牽引站輪流換相接入同一PCC點，則牽引站注入PCC點的不平衡度計算公式為

(12)

3.3 電壓波動評估方法

本文利用PSASP6.282對牽引站負荷進行沖擊負荷模擬，監視電壓波動范圍得出電壓波動結果。

4 電能質量評估結果

建立基于PSASP的新疆電網仿真模型，并根據仿真結果評估短路容量和電壓波動。

4.1 諧波評估結果

計算2019年牽引站諧波注入PCC點的水平和電壓畸變率，如表1和表2所示。

表1 PCC點諧波電流與允許值比較結果Table 1 Comparison results of harmonic currents and allowable values of PCC A

表2 諧波畸變率計算結果Table 2 Calculation results of harmonic distortion rate %

由表1和表2可以看出：阿爾金山北和望塔牽引站注入PCC點的3次諧波電流已超過允許值，不滿足國標[7]要求。

4.2 負序評估結果

計算2019年牽引站引起的PCC點的電壓不平衡度結果如表3所示。

表3 不平衡度計算結果Table 3 Calculation result of unbalance degree %

由表3可以看出，索爾庫里、阿爾金山北、望塔和通古斯巴牽引站無法滿足國標要求。其中祁曼變不平衡度為2.12%～2.13%，揚布拉克開關站不平衡度為2.45%，鐵干里克變不平衡度為1.35%，超過國標[8]規定1.3%，但滿足短時不超過2.6%的標準。

4.3 電壓波動評估結果

根據供電系統模型，分別計算沖擊負荷情況下的電壓波動值，沖擊負荷條件為 3.5 s負荷開始沖擊，3.6 s負荷達到最大值1，12.5 s負荷開始下降，12.6 s負荷恢復到0。祁曼變位于電網末端，最嚴重情況下電壓波動情況如圖3所示。根據計算，祁曼變110 kV母線電壓波動值達到0.5%，滿足國標[9]3%的限值。

圖3 電壓波動結果Fig.3 Results of Voltage fluctuation

5 結 論

本文利用PSASP建立格庫鐵路新疆段牽引站供電系統模型，并通過模型分析相關站點短路容量和電壓波動結果，通過短路容量推算諧波和負序結果，得到如下結論：

1)祁曼變、揚布拉克開關站存在諧波超標情況。

2)祁曼變、揚布拉克開關站和鐵干里克變負序結果無法滿足要求，需采用消諧等治理措施。

3)在電氣化鐵路的實際應用中，大部分采用無源濾波器，也可以采用單調諧濾波器和高通濾波器相配合的方法進行補償。格庫鐵路相關超標站點建設時需考慮預留濾波器位置，減輕電能質量危害。

4)本文建立的供電系統模型和電能質量評估方法可以滿足電能質量評估要求并對后續工程治理設備配置提供條件，避免因電能質量問題導致格庫鐵路電能質量事故的發生。

[1] 于坤山,周勝軍,王同勛，等.電氣化鐵路供電與電能質量[M].北京:中國電力出版社,2011:13-14.YU Kunshan,ZHOU Shengjun,WANG Tongxun,et al.Electrified railway power supply and power quality[M].Beijing: China Electric Power Press,2011: 13-14.

[2] 李雪峰.電氣化鐵路對電力系統影響的分析研究[J].通信電源技術，2015,32(4)：215-216，240.LI Xuefeng.Research of adverse effects on the power network brought by electric railway system[J].Telecom Power Technology,2015,32(4): 215-216,240.

[3] Fan Chun-lei,Wu Guang-ning,Zhang Xue-yuan,Wang Yun-fei.The Measurement and Simulation Research of Electrified Railway Harmonic[J].International Conference on Condition Monitoring and Diagnosis,2008,4:21-24.

[4] Morris Brenna,Member,IEEE ,and Federica Foiadelli ,Member,IEEE.Analysis of the Filters Installed in the Interconnection Points Between Different Railway Supply Systems IEEE TRANSACTIONS ON SMART GRID,2012,3(1).15-17.

[5] Andreas Steimel,Senior Member,IEEE .Power-Electronic Grid Supply of AC,Railway Systems[J].IEEE,2012：41-44.

[6] 邱倩.電氣化鐵路牽引負荷電能質量評估方法[D].北京:華北電力大學，2014:14-15.QIU Qian.Research on electric railway power quality evaluation method[D].Beijing: North China Electric Power University,2014:14-15.

[7] GB/T 14549—1993，電能質量公用電網諧波[S].北京：中國標準出版社，1993.

[8] GB/T 15543—2008，電能質量三相電壓不平衡[S].北京：中國標準出版社，2008.

[9] GB/T 12326—2008，電能質量電壓波動和閃變[S].北京：中國標準出版社，2008.

(編輯 侯世春)

Analysis on the influence of Golmud-Korla railway power supply system on power quality of Xinjiang power grid

ZHANG Zheng,BAI Yang,YI Peng

(China Energy Engineering Group Xinjiang Electric Power Design Institute Co,.Ltd.,Urumqi 830001,China)

In order to solve the problem of power quality caused by grid in the region where the Golmud-Korla railway has passed and to eliminate the harm caused by the harmonics and the negative sequence currents to the grid,Xinjiang power grid and Golmud-Korla railway power supply system models are built,the short circuit capacity and voltage fluctuation level of the relevant stations are analyzed and the harmonics and negative sequence currents of each station are evaluated by the power quality evaluation method,according to the power supply scheme of electrified railway traction station in the Xinjiang section of Golmud-Korla railway.The analysis results show that the Xinjiang power grid simulation model built on PSASP can correctly evaluate the short circuit capacity and voltage fluctuation results of the relevant stations.When harmonics and negative sequence current in parts of Golmud-Korla railway-related traction stations exceeded,elimination of harmonic control and other measures can be used to avoid the risk in later railway operation.

Golmud-Korla railway; Xinjiang power grid; power quality; harmonics

2016-11-21;

2017-06-08。

張 崢 (1982—),男,碩士,工程師,研究方向為電力系統仿真及可再生能源在電力系統中的應用。

TM922.7

A

2095-6843(2017)04-0323-04