計及電氣化鐵路接入影響的電能質(zhì)量預(yù)測評估方法

于丹文，張 巖，張青青，許慶燊

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.電網(wǎng)智能化調(diào)度與控制教育部重點實驗室（山東大學(xué)），山東 濟(jì)南 250061）

0 引言

到“十三五”期末，我國預(yù)計鐵路運營的總里程14.6 萬km，其中高鐵運營里程約3.8 萬km，居世界第一位，覆蓋95%的100 萬人口及以上的城市［1］。隨著高速電氣化鐵路的大規(guī)模建設(shè)和高速列車技術(shù)的日益成熟，鐵路機(jī)車的取用功率顯著增加，使其對電網(wǎng)的影響在影響程度不斷加深，影響范圍日益擴(kuò)大。

國內(nèi)外關(guān)于電氣化鐵路用戶對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影 響［2-4］及其檢 測［5］、監(jiān)測 情 況［6］的研 究以 及國 內(nèi) 開展的大規(guī)模現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)及分析［7］結(jié)果均表明，對電力系統(tǒng)而言，電氣化鐵路屬于大容量、非線性、波動性負(fù)荷，在運行中具有高負(fù)載率、高可靠性、高波動頻率等特點［8-11］，且機(jī)車受電時間長，是典型的短時集中負(fù)荷，由于其非線性，將在供電系統(tǒng)中產(chǎn)生各次諧波；由于其波動性，將引起供電系統(tǒng)電壓波動。因此，在電氣化鐵路用戶接入系統(tǒng)前，需要根據(jù)所在區(qū)域電網(wǎng)的參數(shù)、接入系統(tǒng)方案、牽引供電資料、牽引負(fù)荷資料等建立評估模型，結(jié)合牽引所供電變電站的背景諧波測試結(jié)果，預(yù)測在電氣化鐵路接入后，公共連接點各項電能質(zhì)量穩(wěn)態(tài)指標(biāo)是否超出國家標(biāo)準(zhǔn)允許的限值，并針對超標(biāo)情況提出治理要求［12-13］。通過對電氣化鐵路用戶進(jìn)行電能質(zhì)量預(yù)測評估，可實現(xiàn)電能質(zhì)量干擾治理措施前移，降低用戶接入后期出現(xiàn)電能質(zhì)量指標(biāo)異常情況的風(fēng)險，對提高供電質(zhì)量、優(yōu)化用戶營商環(huán)境具有重要意義。

以某電氣化鐵路工程接入系統(tǒng)的實際提資內(nèi)容為基礎(chǔ)，將牽引變電站各典型次諧波電流作為注入電力系統(tǒng)公共連接點的諧波源，從各次諧波含量、總諧波畸變率、三相電壓不平衡度、電壓偏差、電壓波動等多個角度評估電氣化鐵路用戶接入對區(qū)域電網(wǎng)電能質(zhì)量指標(biāo)的影響，利用ETAP 軟件建立仿真評估模型，為計及電氣化鐵路接入影響的電能質(zhì)量預(yù)測評估工作提供參考。

1 工程概況

1.1 接入系統(tǒng)方案

以某電氣化鐵路工程為例，該工程新建1 座牽引變電站，由系統(tǒng)中A、B 兩個相互獨立的220 kV 變電站各出1 回110 kV 線路供電，其中A 變電站為主供站。A、B 變電站參數(shù)如表1 所示。

表1 變電站參數(shù)

1.2 電能質(zhì)量背景測試

在測試時間方面，為盡可能準(zhǔn)確地預(yù)測牽引負(fù)荷周期性變化給附近電網(wǎng)的公共連接點母線造成的影響，在進(jìn)行電能質(zhì)量預(yù)測評估時首先應(yīng)對公共連接點的背景電能質(zhì)量狀況進(jìn)行連續(xù)長時間測試，一般不少于24 h。

在采樣頻率方面，要求工作頻率為50 Hz，每周波采樣128 點及以上，采樣間隔須滿足國標(biāo)及IEC標(biāo)準(zhǔn)要求，諧波分析至少4 個周波，建議采樣窗口取8 個工頻周期，并采用合適的窗函數(shù)，如矩形窗、漢寧窗等。諧波次數(shù)至少至第25 次。

在測試項目方面，電能質(zhì)量背景測試應(yīng)至少包括供電變電站公共連接點母線處的2～25 次諧波電壓含有率、三相電壓不平衡度以及三相總諧波畸變率，其中三相電壓不平衡度、諧波的測量結(jié)果采用95%概率值，三相總諧波畸變率以最大值相的數(shù)值作為評估背景依據(jù)。該工程供電變電站電能質(zhì)量背景測試結(jié)果如表2 所示。

表2 電能質(zhì)量背景測試結(jié)果

1.3 牽引系統(tǒng)概況

根據(jù)鐵路設(shè)計單位提供的資料，該工程新建牽引變電站1 個，采用110 kV 電源設(shè)計，牽引變壓器110 kV／27.5 kV、單相接線形式，阻抗電壓為8.4%，預(yù)留V 接條件，正常時，牽引變壓器一臺運行，另一臺備用。

近期牽引變電站低壓側(cè)折算到27.5 kV 的平均電流、短時最大電流如表3 所示。

2 仿真和計算評估

2.1 仿真模型

在ETAP 軟件中建立牽引變電站接入系統(tǒng)仿真模型，對牽引變電站接入后供電變電站母線的諧波電壓、三相電壓不平衡度、電壓偏差、電壓波動等電能質(zhì)量穩(wěn)態(tài)指標(biāo)進(jìn)行仿真，對注入系統(tǒng)的諧波電流進(jìn)行計算分析。仿真模型如圖1 所示。

表3 近期牽引變電站低壓側(cè)電流 A

2.2 諧波電壓評估

在評估計算中需要對各種供電方式進(jìn)行排列，以驗證各種工況下公共連接點處的諧波電壓含有率是否符合國標(biāo)要求。

一般可將牽引變電站的兩供電臂同時流過短時最大電流假設(shè)為極端工況，此時供電變電站公共連接點母線總諧波畸變率存在最大值。在忽略背景諧波情況下，公共連接點母線的典型次 （3 次、5 次、7次）諧波電壓含有率如圖2 所示。

圖1 ETAP 仿真模型

根據(jù)表2 的電能質(zhì)量背景測試結(jié)果，將仿真結(jié)果與背景測試結(jié)果迭加，得到考慮背景諧波后各供電變電站公共連接點母線各次諧波含有率，如圖3所示。

圖2 不考慮背景諧波情況下各次諧波電壓頻譜

圖3 考慮背景諧波情況下各次諧波電壓頻譜

兩種情況下，相應(yīng)的總諧波電壓畸變率如表4所示。

表4 總諧波電壓畸變率 %

通過與GB／T 14549—1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》 中的限值對比可知，A、B 變電站110 kV 母線電壓總諧波畸變率均不超過2%限值，3、5、7 次典型次諧波電壓含有率均不超過1.6%限值。

2.3 諧波電流評估

該工程牽引變壓器為V／V 接線，評估牽引變電站注入供電變電站公共連接點母線的諧波電流值時，高壓側(cè)與低壓側(cè)電流之間存在轉(zhuǎn)換關(guān)系，應(yīng)結(jié)合接線方式對照牽引變電站接入系統(tǒng)的等值圖進(jìn)行分析，如圖4 所示。牽引供電系統(tǒng)的A、B、C 三相母線分別與牽引變壓器高壓側(cè)的三相連接，形成V 型接線。根據(jù)等值圖分析，A 相為A1，B 相為X2，C 相為X1與A2連接點，即V 的頂點，左右兩側(cè)變壓器均為單相變壓器，左右兩變壓器變比分別為ω1：ω2與ω′1：ω′2。低壓側(cè)共引出4 個端子，由于牽引變電站供電其特殊的使用的要求，若接線方式為正“V”時，“V”的頂點是相連并接地的x1和a2；α、β 兩相分別接在牽引變電站兩相母線上并作為a1、x2的兩個點。α、β 兩相向所接的牽引網(wǎng)供電。在這種正“V”接線方式下，α、β 兩相電壓的相位角度差為60°，因此這種正“V”接線方式也稱為60°接線。

圖4 牽引變電站系統(tǒng)等值圖

首先，需要明確α、β 兩臂上諧波電流與基波電流的關(guān)系，如式（1）所示。

式中：Iα、Iβ分別為α 臂和β 臂的基波電流值；λh為諧波電流含有率，h 表示諧波次數(shù)；Iαh、Iβh分別為α 臂和β 的h 次諧波電流值。

然后，根據(jù)采用V／V 型牽引變壓器的牽引變電站接入系統(tǒng)等值圖，將牽引負(fù)荷注入α、β 兩個供電臂的各次諧波電流值向高壓側(cè)，即供電系統(tǒng)的三相進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到注入高壓側(cè)三相的各次諧波電流值。轉(zhuǎn)換形式如式（2）所示。

式中：IAh、IBh、ICh分別為供電系統(tǒng)側(cè)母線A、B、C 三相的h 次諧波電流值；KT為牽引變壓器變比。

牽引供電臂的典型運行工況包括3 種：工況Ⅰ，兩供電臂正常運行狀態(tài)，兩臂均以有效值供電；工況Ⅱ，95%電流正常運行狀態(tài)，其中重負(fù)荷臂以95%電流值供電，輕負(fù)荷臂以有效值供電；工況Ⅲ，最大+正常運行狀態(tài)，其中重負(fù)荷臂以最大電流值供電，輕負(fù)荷臂以有效值供電。

在電能質(zhì)量預(yù)測評估中，選取對供電系統(tǒng)影響最大的工況Ⅲ作為計算工況。

牽引負(fù)荷注入公共連接點母線的h 次諧波電流幅值最大相的諧波電流值計算結(jié)果如表5 所示。

表5 牽引變電站注入公共連接點的諧波電流值 A

根據(jù)GB／T 14549—1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定，當(dāng)公共連接點的短路容量與標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的基準(zhǔn)容量不同時，公共連接點處允許注入的諧波電流限值需要經(jīng)過換算得出。換算過程中，單個用戶諧波注入限值的分配基于用戶用電容量占公共連接點的供電設(shè)備容量的比例確定。

經(jīng)過上述兩個換算過程，公共連接點允許該擾動源用戶注入系統(tǒng)的諧波電流限值如表6 所示。

表6 諧波電流允許值 A

由表5 與表6 比對可知，該工程牽引變電站接入后，注入B 變電站110 kV 母線的3 次諧波電流超標(biāo)，其余3 次、5 次、7 次諧波電流均不超標(biāo)。

2.4 三相電壓不平衡度

電氣化鐵路的牽引供電網(wǎng)中，負(fù)荷存在明顯的不平衡性，牽引系統(tǒng)電流注入到供電系統(tǒng)后，其三相諧波電流的幅值也存在明顯的不平衡性。

當(dāng)牽引變壓器為三相V／V 接線型式時，兩供電臂負(fù)荷電流的取值需要考慮各種工況，通常在預(yù)測評估中選取重負(fù)荷臂以最大負(fù)荷電流值供電，輕負(fù)荷臂負(fù)荷電流為0 這一工況校核公共連接點三相不平衡度最大值。針對這一工況進(jìn)行仿真計算，可得到各系統(tǒng)110 kV 供電母線三相電壓不平衡度。將計算結(jié)果與供電母線背景測試結(jié)果相疊加，可得各公共連接點處母線的三相電壓不平衡度，如表7所示。

表7 三相電壓不平衡度 %

根據(jù)GB／T 15543—2008《電能質(zhì)量 三相電壓不平衡》，接于系統(tǒng)公共連接點的每個用戶引起該點三相電壓不平衡度不超過1.3%。由表7 計算結(jié)果分析可知，該工程接入引起的A 變電站110 kV 母線三相電壓不平衡度為1.433%，超過了國標(biāo)限值；引起的B變電站110 kV 母線三相電壓不平衡度為0.802%，符合國標(biāo)限值要求。

2.5 電壓偏差及電壓波動

根據(jù)潮流計算結(jié)果，該工程牽引負(fù)荷接入后，系統(tǒng)A、B 變電站公共連接點電壓偏差及電壓波動最大值如表8 所示。

表8 電壓偏差及電壓波動最大值 %

根據(jù)GB／T 12325—2008《電能質(zhì)量 供電電壓偏差》、GB／T 12326—2008《電能質(zhì)量 電壓波動和閃變》對于電壓偏差、電壓波動的限值要求，系統(tǒng)各公共連接點的電壓偏差滿足國標(biāo)要求。

3 結(jié)語

以某電氣化鐵路工程為例，考慮牽引變電站各典型次諧波電流作為注入電力系統(tǒng)公共連接點的諧波源，利用ETAP 軟件建立仿真評估模型，仿真計算擾動源對公共連接點電能質(zhì)量穩(wěn)態(tài)指標(biāo)可能造成的最大影響，并結(jié)合公共連接點電能質(zhì)量背景測試結(jié)果，將仿真計算結(jié)果與國標(biāo)限值進(jìn)行對比，綜合得出評估結(jié)論。

需要說明的是，電能質(zhì)量預(yù)測評估方法給出的是以電網(wǎng)以及用戶提供的典型參數(shù)為基礎(chǔ)的計算結(jié)果。與監(jiān)測評估不同，預(yù)測評估能夠計及較長時間尺度下的電網(wǎng)運行方式與負(fù)荷運行方式的變化，得到用戶接入可能對電網(wǎng)造成的最大影響，其給出的是以電網(wǎng)以及用戶提供的典型參數(shù)為基礎(chǔ)的仿真計算結(jié)果，電氣化鐵路投運后的實際情況可能會與預(yù)測評估結(jié)果有所差別。后續(xù)還需通過對電氣化鐵路用戶安裝電能質(zhì)量在線監(jiān)測終端、開展現(xiàn)場測試等方式加強(qiáng)電能質(zhì)量指標(biāo)的持續(xù)監(jiān)測，對超標(biāo)的接入點及時采取有針對性的治理措施，保證供電電能質(zhì)量，保障電力系統(tǒng)和鐵路系統(tǒng)安全、高效、穩(wěn)定運行。