基于PSCAD的牽引站接入系統諧波仿真分析

于騰凱，李曉軍

(國網河北省電力有限公司電力科學研究院，河北 石家莊 050021)

電鐵牽引負荷具有隨機性、不對稱性、沖擊性、功率因數低等主要特征，產生諧波電流和三相不平衡負序電流，注入電網將引起旋轉電機轉子發熱、變壓器使用壽命縮短、線路送電能力降低、保護裝置誤動、安全自動裝置不能正常投切等事件發生，對電網安全運行影響較大[1-5]。本文基于牽引站諧波特性建立牽引負荷PSCAD諧波模型，搭建仿真電路，針對不同工況下的諧波發生量對比分析電鐵站諧波對PCC造成的影響，并考慮實際牽引站的諧波特性設計了無源組合濾波支路的諧波治理方案。對方案的仿真驗證表明，PCC諧波含量大幅度減少，滿足國標接入要求，可供電鐵牽引站解決此類問題參考。

1 諧波影響分析方法

牽引站接入電網諧波影響分析方法如下。

a. 收集主變、線路、無功補償電容器、牽引站諧波特性等設備參數，以及電網負荷水平，接入變電站的主接線圖等基礎數據，搭建基礎網架。

b. 根據供電協議中用電客戶所簽訂的用電協議容量、供電設備的額定容量，產生諧波設備的額定容量，以及供電系統的電壓等級和公共連接點處在系統最小運行方式下的短路容量，確定牽引站注入系統的諧波電流允許值。

c. 搭建仿真模型。基于仿真計算獲得的數據，結合國標要求對諧波指標進行分析。對于未投運站，分析結果應考慮背景諧波水平，由背景諧波實測數據疊加仿真數據最終得到各次諧波數值。疊加過程中當注入諧波的相角不確定時，可按式(1)計算：

(1)

式中：kh為各次諧波疊加時的疊加系數，取值見表1。

表1 諧波疊加系數

2 牽引站接入系統諧波仿真分析

某電鐵牽引站接入電壓等級為110 kV，由兩路獨立電源Sub1和Sub2供電，互為熱備用，站內設有備自投裝置，接入導線型號均為LGJ-240 mm2。Sub1為主供電源，短路容量1 490 MVA，所供機車類型為SS9(功率4 800 kW)和SS4(功率6 400 kW)。牽引變壓器采用V/v型接線，變比110/27.5 kV，容量20 MVA，短時過載能力175%。兩臂分別由AB和BC供電，基波電流平均值/最大值分別為190.6 A/995.0 A和255.6 A/955.2 A，自然功率因數為0.81。

機車運行于不同牽引工況時會產生隨機性很大的諧波電流，本文根據鐵路方提供的牽引站諧波特性基于PSCAD的電流源模型進行不同比例的組合，以此模擬實際牽引負荷的諧波工況。圖1為基于PSCAD仿真搭建的該牽引站接入主供電源Sub1(PCC)的示意圖，表2、表3為監測點諧波限值，牽引站諧波特性如圖2所示。

圖1 基于PSCAD的電鐵站諧波仿真模型

表2 電網允許注入的諧波電流值A

表3 監測點母線諧波電壓限值 %

圖2 諧波特性分布圖

考慮到最小方式下系統提供的短路容量較小，系統承受諧波電流的能力較低，以最小運行方式作為計算前提。牽引站對接入點的諧波影響與兩供電臂負載情況關系密切(見圖3)，分3種工況分析。

工況1：一臂最大，一臂平均。

工況2：兩臂平均。

工況3：兩臂最大。

以工況1為例，流過牽引站接入線路A相的電流見圖4。3種工況下注入的諧波電流、PCC母線各次諧波電壓含有率分別如圖5、圖6所示。

由圖2—圖6可知，該牽引站諧波電流以奇數次為主，其中3次、5次、15次諧波含量較高，在一臂最大一臂平均的工況下流過電鐵站接入線路的電流波形、兩供電臂電壓波形已嚴重畸變。分析可得出以下結論。

a. 電鐵的負荷水平直接決定其諧波電流的大小，工況3雖然發生概率最低，但對電網的影響最大。

b. 3種工況下注入系統的3次諧波電流均超標，為允許值的1.58～6.88倍；其他奇次諧波電流不同程度超標；偶數次諧波電流均滿足國標要求。

c. 工況1、工況3下，PCC母線電壓總諧波畸變率已超國標限值要求；高次諧波含量較大時，由于諧波阻抗較大而對電壓總諧波畸變率貢獻率更高。

圖3 工況1兩供電臂電壓波形

圖4 工況1接入線路電流圖

圖5 諧波電流對比

圖6 PCC母線A相諧波電壓含有率對比圖

3 諧波治理

針對該牽引站負荷諧波特性，設計兩臂獨立補償的諧波治理方案。在兩供電臂分別加裝3、5、7次單調諧濾波器和11次兼高通濾波器。考慮將兩臂牽引負荷功率因數提高至0.95，并留有部分裕量，確定補償總容量為17 Mvar，濾波支路參數如表4所示。

以牽引站A臂為例，由圖7可知，A臂母線對3、5、7次及11次以上高次諧波呈現低阻抗，表明設計的濾波支路有效，但同時對低次偶數次諧波有一定程度放大，但該諧波并非特征諧波，由于系統對應次背景諧波并不大，對系統造成的影響有限。以公共連接點電壓總諧波畸變率最大的B相為例，牽引站注入PCC B相母線的諧波電流均在國標限值之內(圖8)，考慮背景諧波后PCC母線各相電壓總諧波畸變率均小于國標要求，表明設計的濾波器可滿足國標要求。

表4 濾波支路參數表

圖7 A臂母線諧波阻抗掃描

圖8 注入PCC母線B相的諧波電流

表5 濾波支路投運后PCC母線電壓總諧波畸變率 %

4 結論

基于牽引站諧波特性建立了PSCAD諧波仿真

模型，提出了治理方案。仿真結果表明，該方案濾波效果較好，投入補償裝置后，牽引負荷產生的諧波滿足電網的接入標準，可為電鐵牽引站解決此類問題提供一定參考。