基于PSCAD的牽引站接入系統(tǒng)諧波仿真分析

于騰凱，李曉軍

(國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，河北 石家莊 050021)

電鐵牽引負(fù)荷具有隨機(jī)性、不對(duì)稱性、沖擊性、功率因數(shù)低等主要特征，產(chǎn)生諧波電流和三相不平衡負(fù)序電流，注入電網(wǎng)將引起旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)熱、變壓器使用壽命縮短、線路送電能力降低、保護(hù)裝置誤動(dòng)、安全自動(dòng)裝置不能正常投切等事件發(fā)生，對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行影響較大[1-5]。本文基于牽引站諧波特性建立牽引負(fù)荷PSCAD諧波模型，搭建仿真電路，針對(duì)不同工況下的諧波發(fā)生量對(duì)比分析電鐵站諧波對(duì)PCC造成的影響，并考慮實(shí)際牽引站的諧波特性設(shè)計(jì)了無(wú)源組合濾波支路的諧波治理方案。對(duì)方案的仿真驗(yàn)證表明，PCC諧波含量大幅度減少，滿足國(guó)標(biāo)接入要求，可供電鐵牽引站解決此類問(wèn)題參考。

1 諧波影響分析方法

牽引站接入電網(wǎng)諧波影響分析方法如下。

a. 收集主變、線路、無(wú)功補(bǔ)償電容器、牽引站諧波特性等設(shè)備參數(shù)，以及電網(wǎng)負(fù)荷水平，接入變電站的主接線圖等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，搭建基礎(chǔ)網(wǎng)架。

b. 根據(jù)供電協(xié)議中用電客戶所簽訂的用電協(xié)議容量、供電設(shè)備的額定容量，產(chǎn)生諧波設(shè)備的額定容量，以及供電系統(tǒng)的電壓等級(jí)和公共連接點(diǎn)處在系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下的短路容量，確定牽引站注入系統(tǒng)的諧波電流允許值。

c. 搭建仿真模型。基于仿真計(jì)算獲得的數(shù)據(jù)，結(jié)合國(guó)標(biāo)要求對(duì)諧波指標(biāo)進(jìn)行分析。對(duì)于未投運(yùn)站，分析結(jié)果應(yīng)考慮背景諧波水平，由背景諧波實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)疊加仿真數(shù)據(jù)最終得到各次諧波數(shù)值。疊加過(guò)程中當(dāng)注入諧波的相角不確定時(shí)，可按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：kh為各次諧波疊加時(shí)的疊加系數(shù)，取值見(jiàn)表1。

表1 諧波疊加系數(shù)

2 牽引站接入系統(tǒng)諧波仿真分析

某電鐵牽引站接入電壓等級(jí)為110 kV，由兩路獨(dú)立電源Sub1和Sub2供電，互為熱備用，站內(nèi)設(shè)有備自投裝置，接入導(dǎo)線型號(hào)均為L(zhǎng)GJ-240 mm2。Sub1為主供電源，短路容量1 490 MVA，所供機(jī)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(shí)過(guò)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(shù)為0.81。

機(jī)車運(yùn)行于不同牽引工況時(shí)會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)性很大的諧波電流，本文根據(jù)鐵路方提供的牽引站諧波特性基于PSCAD的電流源模型進(jìn)行不同比例的組合，以此模擬實(shí)際牽引負(fù)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(jiān)測(cè)點(diǎn)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(wǎng)允許注入的諧波電流值A(chǔ)

表3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(tǒng)提供的短路容量較小，系統(tǒng)承受諧波電流的能力較低，以最小運(yùn)行方式作為計(jì)算前提。牽引站對(duì)接入點(diǎn)的諧波影響與兩供電臂負(fù)載情況關(guān)系密切(見(jiàn)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(guò)牽引站接入線路A相的電流見(jiàn)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(shù)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(guò)電鐵站接入線路的電流波形、兩供電臂電壓波形已嚴(yán)重畸變。分析可得出以下結(jié)論。

a. 電鐵的負(fù)荷水平直接決定其諧波電流的大小，工況3雖然發(fā)生概率最低，但對(duì)電網(wǎng)的影響最大。

b. 3種工況下注入系統(tǒng)的3次諧波電流均超標(biāo)，為允許值的1.58～6.88倍；其他奇次諧波電流不同程度超標(biāo)；偶數(shù)次諧波電流均滿足國(guó)標(biāo)要求。

c. 工況1、工況3下，PCC母線電壓總諧波畸變率已超國(guó)標(biāo)限值要求；高次諧波含量較大時(shí)，由于諧波阻抗較大而對(duì)電壓總諧波畸變率貢獻(xiàn)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(duì)比

圖6 PCC母線A相諧波電壓含有率對(duì)比圖

3 諧波治理

針對(duì)該牽引站負(fù)荷諧波特性，設(shè)計(jì)兩臂獨(dú)立補(bǔ)償?shù)闹C波治理方案。在兩供電臂分別加裝3、5、7次單調(diào)諧濾波器和11次兼高通濾波器。考慮將兩臂牽引負(fù)荷功率因數(shù)提高至0.95，并留有部分裕量，確定補(bǔ)償總?cè)萘繛?7 Mvar，濾波支路參數(shù)如表4所示。

以牽引站A臂為例，由圖7可知，A臂母線對(duì)3、5、7次及11次以上高次諧波呈現(xiàn)低阻抗，表明設(shè)計(jì)的濾波支路有效，但同時(shí)對(duì)低次偶數(shù)次諧波有一定程度放大，但該諧波并非特征諧波，由于系統(tǒng)對(duì)應(yīng)次背景諧波并不大，對(duì)系統(tǒng)造成的影響有限。以公共連接點(diǎn)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(guó)標(biāo)限值之內(nèi)(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(guó)標(biāo)要求，表明設(shè)計(jì)的濾波器可滿足國(guó)標(biāo)要求。

表4 濾波支路參數(shù)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(yùn)后PCC母線電壓總諧波畸變率 %

4 結(jié)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(jié)果表明，該方案濾波效果較好，投入補(bǔ)償裝置后，牽引負(fù)荷產(chǎn)生的諧波滿足電網(wǎng)的接入標(biāo)準(zhǔn)，可為電鐵牽引站解決此類問(wèn)題提供一定參考。