張 策，劉 莉，王 達(dá)，尹 博，趙文靜

(沈陽(yáng)工程學(xué)院 電力學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

電氣化鐵路具有運(yùn)輸能力大、行駛速度快、工作條件好等特點(diǎn)，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，在全世界得到了廣泛的關(guān)注。電氣化鐵路的優(yōu)點(diǎn)固然很多，但是由于電氣化鐵路屬于一種比較特別的電力子系統(tǒng)，而且作為一種單相整流或逆變負(fù)荷的大功率電力機(jī)車會(huì)通過牽引供電系統(tǒng)向電力系統(tǒng)中注入較大且波動(dòng)性很大的諧波電流以及負(fù)序電流，當(dāng)這些電流被注入到電網(wǎng)后，不僅會(huì)降低電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量，還會(huì)危及整個(gè)電力系統(tǒng)的供電安全問題。

文獻(xiàn)[1-2]介紹了SS1和SS4型電力機(jī)車的諧波電流計(jì)算方法。文獻(xiàn)[3]介紹了電力機(jī)車的各次諧波電流概率分布的計(jì)算方法。文獻(xiàn)[4]提出了一種韶山SS4型電力機(jī)車的動(dòng)態(tài)模型，并介紹了不同規(guī)模數(shù)量的電力機(jī)車接入電網(wǎng)后隨機(jī)產(chǎn)生的諧波電流分布函數(shù)的計(jì)算方法，結(jié)合控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)分析了影響電力機(jī)車產(chǎn)生諧波電流的主要因素。文獻(xiàn)[5]推導(dǎo)了多輛電力機(jī)車運(yùn)行條件下電氣化鐵道牽引變電所諧波電流計(jì)算公式，考慮牽引負(fù)荷主要的隨機(jī)因素，利用蒙特卡羅法得到牽引變電所高壓母線全天24小時(shí)和諧波電流的概率分布和統(tǒng)計(jì)特性。文獻(xiàn)[6]在建立了電力系統(tǒng)多導(dǎo)體傳輸線模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合牽引網(wǎng)等值電路的自身特點(diǎn)，利用多導(dǎo)體降階方法，并通過電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真平臺(tái)建立了牽引網(wǎng)的諧波模型。

采用某高速客車的典型數(shù)據(jù)，對(duì)牽引網(wǎng)中的諧波電流放大現(xiàn)象和規(guī)律進(jìn)行了仿真分析和驗(yàn)證。

利用電力電氣軟件分析系統(tǒng)ETAP建立了區(qū)域電網(wǎng)仿真模型，進(jìn)行諧波仿真潮流計(jì)算，根據(jù)仿真得到的數(shù)據(jù)，分析了電氣化鐵路對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生諧波的影響因素以及加裝濾波裝置后對(duì)諧波產(chǎn)生的抑制效果。

1 電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)基本原理

電氣化鐵路是由牽引供電系統(tǒng)、機(jī)務(wù)系統(tǒng)以及電力機(jī)車組成的一種通過軌道進(jìn)行運(yùn)輸?shù)慕煌ǚ绞?。其中，電力機(jī)車作為電氣化鐵路最主要的牽引動(dòng)力，由于電力機(jī)車的驅(qū)動(dòng)需要大量的電能，因此，牽引供電系統(tǒng)主要為電力機(jī)車提供所需的電能。牽引變電所和接觸網(wǎng)是牽引供電系統(tǒng)最主要的兩個(gè)部分，電力系統(tǒng)將電能輸送到牽引變電所，這些電能經(jīng)過牽引變電所的轉(zhuǎn)換后被輸送到沿鐵路線布置的接觸網(wǎng)中，接觸網(wǎng)通過與電力機(jī)車受電弓的接觸，將電能供給電力機(jī)車[7-8]。牽引供電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 牽引供電系統(tǒng)

牽引供電系統(tǒng)主要電流制式有4種，分別是直流制、低頻單相交流制、單相工頻交流制和三相交流制。牽引網(wǎng)的供電方式有以下4種：

1)直接供電方式。直接供電方式包括正常供電方式以及事故供電方式(越區(qū)供電)。其中正常供電方式分為單邊供電和雙邊供電。

2)吸流變壓器-回流線裝置BT供電方式。吸流變壓器原邊串入接觸網(wǎng)，副邊串入沿鐵路架設(shè)的回流線，回流線懸掛在接觸網(wǎng)外側(cè)的橫擔(dān)上。缺點(diǎn)是電力機(jī)車在吸流變壓器附近時(shí)防護(hù)效果差，使?fàn)恳W(wǎng)阻抗增大。

3)自耦變壓器(AT)供電方式。AT供電方式由接觸網(wǎng)、正饋線、自耦變壓器以及軌道大地系統(tǒng)組成。缺點(diǎn)是必須在沿線安裝大容量、高電壓的自耦變壓器，大幅度增加了牽引網(wǎng)的設(shè)備投資。

4)帶回流線的直接供電方式。該供電方式主要有接觸網(wǎng)、鋼軌、沿全線架設(shè)的負(fù)饋線組成。由于該供電方式的饋電回路和設(shè)備簡(jiǎn)單、投資小、維護(hù)方便，并且具有較好的防干擾效果，因此得到了廣泛的使用。

牽引變壓器作為一種核心設(shè)備，接線方式的不同會(huì)在不同程度上影響變壓器的性能以及電氣化鐵路產(chǎn)生的諧波電流。根據(jù)《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10009-2005)規(guī)定，牽引變壓器宜采用單相接線，也可采用三相V/V或V/X接線、三相-兩相平衡接線(包括SCOTT接線及阻抗匹配平衡接線等)、三相接線(包括YNd11及YNd11d11十字交叉接線)等其他能滿足供電要求的接線[9]。

2 潮流計(jì)算

將電力系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線、綜合負(fù)荷和牽引供電系統(tǒng)的牽引變電所都表示成相應(yīng)的三相諧波導(dǎo)納矩陣后，就可構(gòu)成全系統(tǒng)的三相諧波模型。采用潮流計(jì)算方法，該方法是將基波與諧波部分解耦，在計(jì)算過程中僅僅考慮低次諧波對(duì)基波的影響，該算法的基本流程如下所示：

2)將波次較低的節(jié)點(diǎn)基波電壓代入諧波源模型公式：

(1)

(2)

3 局部遼西電網(wǎng)電氣化鐵路諧波分析

3.1 電氣化鐵路網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及諧波負(fù)荷模型的建立

潮流計(jì)算是項(xiàng)目研究的基礎(chǔ)，對(duì)電氣化鐵路諧波的分析以及治理措施的研究都是建立在此基礎(chǔ)上。根據(jù)遼西電網(wǎng)的情況，用ETAP軟件構(gòu)建了遼西電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算仿真系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 局部遼西電網(wǎng)ETAP仿真系統(tǒng)

利用ETAP仿真軟件搭建電氣化鐵路諧波負(fù)荷模型，如圖3所示。不平衡的電氣化鐵路負(fù)荷會(huì)給供電系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的三相諧波電流幅值不相等的問題，對(duì)相關(guān)的國(guó)家電網(wǎng)公司和鐵路機(jī)構(gòu)提供的動(dòng)車(CRH3型)諧波特性進(jìn)行分析、模擬可得各次諧波電流的含有率，如圖4所示。

圖3 電氣化鐵路諧波負(fù)荷模型

圖4 諧波電流含有率

3.2 諧波及抑制措施分析

3.2.1 電氣化鐵路在系統(tǒng)接入點(diǎn)注入的諧波電流

以遼西電網(wǎng)中某區(qū)域電網(wǎng)為例進(jìn)行仿真分析，變壓器采用V/V接線。均采用220 kV電壓等級(jí)直接接入系統(tǒng)，采用CRH3高速動(dòng)車組。

根據(jù)V/V接線牽引變壓器的諧波變換模型，得到220 kV側(cè)的各次諧波電流；由于電鐵負(fù)荷的不平衡特性，變換到220 kV側(cè)的各相諧波電流是不同的，選取最嚴(yán)重的一相數(shù)據(jù)，分析最嚴(yán)重的工況下各牽引站注入系統(tǒng)的諧波電流情況。

對(duì)各牽引站注入系統(tǒng)的各支路諧波電流分別進(jìn)行分析，如圖5、圖6所示，并選取特征次數(shù)諧波電流值與國(guó)家諧波標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的諧波電流限值進(jìn)行比較如表1所示。

圖5 流過各支路的各次諧波電流頻譜

圖6 流過各支路的諧波電流波形

諧波次數(shù)流過親黑線流過北水線流過北青線流過北雙線允許值/A31.0890.5543.011.2582.5650.09230.0900.3560.1582.5670.0580.0660.1890.0558.48110.0810.1220.1940.0536.98130.0200.3600.4160.2031.82150.1850.2360.3450.1516.34170.0380.1040.0440.1024.08

綜合仿真所得到的諧波電流數(shù)據(jù)，可以看出由牽引站產(chǎn)生的諧波電流雖然先逐漸減小再逐漸增大，但是諧波電流值都沒有超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的允許值。由圖5可以看出奇次諧波的電流值相對(duì)于偶次諧波的電流值要大得多，因此偶次諧波電流可以忽略不計(jì)。對(duì)于奇次諧波電流來說，表1中列舉的諧波電流為奇次諧波中比較嚴(yán)重的諧波，觀察諧波電流頻譜圖可以發(fā)現(xiàn)3次和13次諧波電流的峰值相較于其他次諧波來說最為突出。諧波電流值會(huì)隨波次的增加逐漸接近允許值，由此可見，高次諧波對(duì)牽引供電系統(tǒng)及電力系統(tǒng)的影響更大。

3.2.2 電氣化鐵路在系統(tǒng)接入點(diǎn)產(chǎn)生的諧波電壓

對(duì)遼西某區(qū)域電網(wǎng)各個(gè)牽引站引起供電變電站的諧波電壓進(jìn)行仿真計(jì)算，由于每個(gè)牽引站都會(huì)使公共連接點(diǎn)產(chǎn)生諧波，如圖7和圖8為仿真所得到的各次諧波電壓頻譜圖以及電壓波形圖，通過仿真得到的各變電站產(chǎn)生的諧波電壓含有率，總諧波畸變率見表2所示。

圖7 各變電站各次諧波電壓頻譜

圖8 各變電站各次諧波電壓波形

綜合仿真所得到的諧波電壓數(shù)據(jù)，由表2可以看出北寧220 kV母線的THD滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定要求(不超過2%)，各變電站的各次諧波電壓的含有率也滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定要求(不超過1.6%)。由仿真圖可知諧波電壓在一段時(shí)間內(nèi)即會(huì)出現(xiàn)峰值也會(huì)出現(xiàn)谷值，具有波動(dòng)性，且牽引站的諧波特性也會(huì)影響著公共連接點(diǎn)，使其波動(dòng)特性發(fā)生改變。由圖7可以看出3次諧波電壓峰值相對(duì)于其他次諧波電壓峰值來說很高，嚴(yán)重影響了牽引供電系統(tǒng)及電力系統(tǒng)的運(yùn)行。

表2 各變電站諧波電壓含有率及總諧波畸變率THD/%

3.2.3 無緣濾波器的濾波作用

以在友誼牽引變電站一側(cè)并聯(lián)濾波裝置為例，采用單調(diào)諧濾波器，接入220 kV雙臺(tái)子變電站，對(duì)比濾波器投入前后雙臺(tái)子變電站母線電壓變化。如圖9、圖10和表3所示。

圖9 濾波器投入前，雙臺(tái)子變電站母線諧波電壓頻譜

由表3可看出投入濾波器后，總諧波畸變率減小，對(duì)電網(wǎng)的諧波影響起到改善作用。通過圖9和圖10的對(duì)比可以看出，3次諧波大大減小，印證了單調(diào)諧濾波器用于濾除某一特定頻率的諧波的這一特性效果明顯，然而其他高次諧波電流含量增大證明了此類型無源濾波器只能在一定程度上抑制某種諧波的產(chǎn)生。

圖10 投入3次濾波器之后，雙臺(tái)子變電站母線諧波電壓頻譜

公共連接點(diǎn)濾波前THD/%濾波后THD/%北寧2200.190.11雙臺(tái)子站0.220.08水泉站0.280.22青堆子站0.230.15黑山站0.280.21

4 結(jié) 論

首先，介紹了電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的基本原理；其次，介紹了仿真過程中針對(duì)諧波問題求解的潮流計(jì)算方法；最后，利用ETAP仿真軟件建立了區(qū)域電網(wǎng)仿真模型，進(jìn)行諧波潮流計(jì)算。對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)：電氣化鐵路對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的偶次諧波電流較小，奇次諧波電流較大，各奇次諧波中3次和13次諧波電流的峰值相較于其他次諧波來說最為突出。諧波電流值會(huì)隨波次的增加逐漸接近允許值，由此可見，高次諧波對(duì)牽引供電系統(tǒng)及電力系統(tǒng)的影響更大。諧波電壓在一段時(shí)間內(nèi)即會(huì)出現(xiàn)峰值也會(huì)出現(xiàn)谷值，具有波動(dòng)性，且牽引站的諧波特性也會(huì)影響著公共連接點(diǎn)，使其波動(dòng)特性發(fā)生改變。另外還對(duì)無源濾波器的濾波作用進(jìn)行了仿真，可看出投入濾波器后，總諧波畸變率減小，對(duì)電網(wǎng)的諧波影響起到改善作用，但只能在一定程度上抑制某種諧波的產(chǎn)生。

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