鄭偉 丁寧 周喜超 劉穎英 智勇 楊勇

(1.甘肅電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730050;2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100192)

0 引言

甘肅電網(wǎng)在西北電網(wǎng)中具有地理核心位置，是西北電網(wǎng)的樞紐和省際功率交換中心。甘肅省的地理位置、氣候特點(diǎn)及工業(yè)分布特點(diǎn)決定了其負(fù)荷分布具有特殊性:風(fēng)力發(fā)電、電氣化鐵路負(fù)荷以及各類工業(yè)冶煉負(fù)荷在甘肅電網(wǎng)中分布相對(duì)集中，這些大容量非線性、沖擊性負(fù)荷的接入，必然會(huì)對(duì)甘肅電網(wǎng)電能質(zhì)量造成不同程度的影響。一方面，這些特殊負(fù)荷本身的電能質(zhì)量特性將會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生影響;另一方面，多種特殊負(fù)荷集中區(qū)域的電能質(zhì)量問題疊加后對(duì)電網(wǎng)的影響將會(huì)表現(xiàn)出新的特性。此外，在穩(wěn)態(tài)極端工況或暫態(tài)情況下多種特殊負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的影響，也是值得探討與分析的。

目前，對(duì)風(fēng)電［1-5］、電氣化鐵路［6-9］以及冶煉負(fù)荷［10-13］本身的電能質(zhì)量特性及其治理措施的研究較多，已取得較為成熟的成果。在電能質(zhì)量疊加問題方面，文獻(xiàn)［14-16］對(duì)諧波疊加問題進(jìn)行了理論分析，采用隨機(jī)相位概率分析法、Monte Carlo模擬法、電磁暫態(tài)仿真模型等方法對(duì)多諧波源系統(tǒng)的諧波疊加及抵消等問題進(jìn)行了一系列的研究。但多種特殊負(fù)荷集中區(qū)域的電能質(zhì)量問題疊加特性，以及穩(wěn)態(tài)極端工況或暫態(tài)情況下特殊負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的影響特性方面的研究尚少。因此，本文對(duì)該方面問題進(jìn)行了分析，以掌握多種特殊負(fù)荷集中可能對(duì)區(qū)域電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生的最嚴(yán)重影響，從而避免多種特殊負(fù)荷集中的電能質(zhì)量問題給電網(wǎng)帶來的損失。

本文首先對(duì)風(fēng)電、電氣化鐵路及冶煉負(fù)荷本身的電能質(zhì)量特性進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié)和介紹。然后，通過對(duì)甘肅電網(wǎng)某區(qū)域電網(wǎng)的仿真分析，研究了多種非線性負(fù)荷同時(shí)工作在最大功率、不對(duì)稱負(fù)荷接入電網(wǎng)、沖擊性負(fù)荷投切、牽引負(fù)荷過電分相等暫態(tài)和極端情況下的電網(wǎng)電能質(zhì)量問題，分析結(jié)果可以作為該區(qū)域電網(wǎng)電能質(zhì)量治理及管理的參考依據(jù)。

1 特殊負(fù)荷的電能質(zhì)量問題

1.1 風(fēng)力發(fā)電的電能質(zhì)量特性

風(fēng)力發(fā)電的電能質(zhì)量特性主要是:電壓偏差、電壓波動(dòng)與閃變以及諧波特性。

1.1.1 電壓偏差特性

無功功率在電網(wǎng)中流動(dòng)是造成電網(wǎng)電壓偏差的主要原因。對(duì)于定速風(fēng)電機(jī)組，由于其吸收的無功功率隨發(fā)出的有功功率增大而增大，因此會(huì)造成電壓偏差。而對(duì)于變速風(fēng)電機(jī)組，雖然能夠通過有功和無功的解耦控制實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)無功交換為0，但當(dāng)期出力較高時(shí)，輸出的較大有功功率在輸電線中也會(huì)引起無功損耗，從而引起電壓偏差。此外，當(dāng)輸電線路較長(zhǎng)時(shí)，線路對(duì)地電容將導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)在出力較低時(shí)風(fēng)電場(chǎng)端電壓高于電網(wǎng)電壓。

1.1.2 電壓波動(dòng)與閃變特性

風(fēng)電機(jī)組輸出功率的波動(dòng)是引起電網(wǎng)電壓波動(dòng)與閃變的主要原因。引起風(fēng)電機(jī)組輸出功率波動(dòng)的原因有很多，風(fēng)速的隨機(jī)性、風(fēng)力機(jī)組的類型和控制策略、風(fēng)電機(jī)組的操作、風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)特性以及風(fēng)電機(jī)組所接入電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)都會(huì)引起輸出功率變動(dòng)［1］。

1.1.3 諧波特性

風(fēng)電機(jī)組中大功率的電力電子裝置是諧波問題的主要來源。包括雙饋機(jī)和直驅(qū)式風(fēng)機(jī)的變速風(fēng)機(jī)，在電網(wǎng)側(cè)采用PWM逆變器，逆變器裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制方法及相應(yīng)濾波器的設(shè)計(jì)將使風(fēng)電機(jī)組表現(xiàn)出不同的諧波特性，并且該諧波電流與風(fēng)機(jī)的輸出功率基本呈線性關(guān)系。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，高頻逆變技術(shù)將使風(fēng)電機(jī)組的特征諧波集中于易于濾除的高頻區(qū)域，并產(chǎn)生一定量的高頻間諧波成分。

1.2 電氣化鐵路的電能質(zhì)量特性［6］

電鐵負(fù)荷的電能質(zhì)量特性包括諧波、負(fù)序、電壓偏差和電壓波動(dòng)特性。其中，諧波和負(fù)序是電鐵負(fù)荷的主要電能質(zhì)量特性。

1.2.1 諧波特性

由于電鐵負(fù)荷具有單相不對(duì)稱、波動(dòng)劇烈的特點(diǎn)，因此其產(chǎn)生的諧波有別于其它電力用戶產(chǎn)生的諧波。電鐵負(fù)荷諧波特性主要表現(xiàn)在:①特征諧波相比普通負(fù)荷有所不同;② 諧波初相角分布廣泛，可在復(fù)平面的0～360°之間隨機(jī)分布;③ 諧波幅值隨機(jī)劇烈波動(dòng)并在一定條件下具有日周期性;④ 諧波從110kV或220kV(330kV)電壓等級(jí)直接注入電網(wǎng)等。

1.2.2 負(fù)序特性

由于電氣化鐵路是單相負(fù)荷，當(dāng)三相電力系統(tǒng)對(duì)其供電時(shí)，它將向電力系統(tǒng)注入負(fù)序電流。單相工頻交流電氣化鐵路的首要問題就是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不對(duì)稱，加之單相負(fù)荷的獨(dú)立性和變化的隨機(jī)性，使得其返回系統(tǒng)的負(fù)序問題頗為復(fù)雜。電氣化鐵路接入系統(tǒng)一般會(huì)采用輪流換相的方法進(jìn)而減小其單相性對(duì)電網(wǎng)各公共連接點(diǎn)的影響。

1.3 冶煉負(fù)荷的電能質(zhì)量特性

冶煉類負(fù)荷的類型多種多樣，包括交(直)流電弧爐、電熱爐、中頻爐、精煉爐以及電解設(shè)備等。該類負(fù)荷主要的電能質(zhì)量特性包括諧波和電壓波動(dòng)特性，此外對(duì)于不對(duì)稱冶煉設(shè)備還具有負(fù)序特性。

1.3.1 諧波特性

冶煉設(shè)備的諧波特性主要取決于兩方面:非線性電阻特性和整流電路特性。如果冶煉過程中存在電弧，而這些電弧是非線性電阻性的，因此電弧燃燒時(shí)就產(chǎn)生了諧波電流。該諧波電流由于電極的陽極和陰極壓降不同，因此存在偶次諧波成分。此外，由于電弧的導(dǎo)電率和長(zhǎng)度隨時(shí)間變化，諧波幅值也會(huì)隨機(jī)變化，從而產(chǎn)生連續(xù)的諧波頻譜，使主要的諧波頻譜都存在邊頻帶，即間諧波。如果冶煉負(fù)荷存在整流電路，則整流裝置將使冶煉負(fù)荷產(chǎn)生特征諧波注入電網(wǎng)。

1.3.2 電壓波動(dòng)特性

各類冶煉負(fù)荷所消耗的功率均存在不同程度的沖擊性和隨機(jī)性特點(diǎn)，而無功功率變化所帶來的主要電能質(zhì)量問題就是電壓波動(dòng)與閃變。其中，電壓波動(dòng)與閃變問題最嚴(yán)重的就是電弧爐設(shè)備。電弧爐的電壓波動(dòng)特性主要取決于其熔化期的電氣特性［10］。

交流電爐均存在不同程度的負(fù)序問題，其負(fù)序特性主要取決于電爐的大電流電感支路。大電流電感支路包括變壓器二次側(cè)連接、電極導(dǎo)線以及電極。一方面，由于導(dǎo)體的幾何對(duì)稱性總會(huì)存在偏差，在強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生不對(duì)稱的互感系數(shù)，從而使電感支路表現(xiàn)出靜態(tài)不平衡性。另一方面，大電流電感支路在電爐運(yùn)行時(shí)會(huì)改變它們之間的相對(duì)位置，從而表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)不平衡性。

2 多種特殊負(fù)荷集中區(qū)域電網(wǎng)的電能質(zhì)量問題仿真分析

2.1 仿真模型的建立

根據(jù)甘肅省的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和負(fù)荷情況，選取了上述三類負(fù)荷較集中的區(qū)域，依據(jù)實(shí)際電網(wǎng)參數(shù)和電能質(zhì)量測(cè)試數(shù)據(jù)，在PSCAD/EMTDC中搭建了相應(yīng)的仿真模型，對(duì)不同工況下多種特殊負(fù)荷集中區(qū)域電網(wǎng)的電能質(zhì)量情況進(jìn)行了仿真分析。

圖1給出了仿真時(shí)所采用的區(qū)域電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖。其中，等效電源為與該區(qū)域電氣距離較遠(yuǎn)的330kV系統(tǒng)變電站，為了分析最嚴(yán)重的情況，采用該站的330kV母線最小短路容量作為等效電源數(shù)據(jù);變電站1、變電站3、變電站6為330kV變電站，其余系統(tǒng)變電站均為110kV變電站;3座電廠經(jīng)升壓變接入110kV電網(wǎng)。該區(qū)域共有4座風(fēng)電場(chǎng)接入110kV電網(wǎng)，3個(gè)牽引站直接接入330kV接入系統(tǒng)，其中牽引站1、2共同接入變電站1的330kV母線。冶煉負(fù)荷通過110kV接入系統(tǒng)變電站7中。各系統(tǒng)變電站均考慮了所帶其他一般負(fù)荷以及加裝的補(bǔ)償裝置。

圖1 仿真分析電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

仿真中，風(fēng)電場(chǎng)的輸入為各個(gè)風(fēng)電場(chǎng)接入點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)，電鐵牽引站的輸入為該站短時(shí)最大功率情況下對(duì)應(yīng)的基波和諧波電流數(shù)據(jù)，同時(shí)考慮了牽引站的輪流換相，冶煉負(fù)荷的輸入是基于典型電弧爐模型的輸出數(shù)據(jù)。

2.2 穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量

為了考察極端情況下三種負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，將風(fēng)電場(chǎng)、電鐵負(fù)荷以及冶煉負(fù)荷同時(shí)以最大容量接入電網(wǎng)中，分析該情況下主要母線的諧波、負(fù)序以及電壓波動(dòng)的情況。

2.2.1 諧波問題

表1給出了主要母線的電壓諧波總畸變率仿真結(jié)果。

情感，對(duì)于人類而言有格外重要的意義.情感可以促使人去喜愛、探索一項(xiàng)自己并不了解的事物，進(jìn)而對(duì)其感興趣，再深入的探析.而數(shù)學(xué)課程就是這樣一門特殊的學(xué)科，需要學(xué)生們?nèi)ネ度肭楦?，去進(jìn)行深入的探索.所以，數(shù)學(xué)情感教育逐漸獲得大家的關(guān)注，成為高中數(shù)學(xué)課程改革的一個(gè)新的目標(biāo).但是很多學(xué)生和老師都對(duì)數(shù)學(xué)情感教育還不夠了解，本文將帶領(lǐng)大家對(duì)情感教育進(jìn)行深入的探究.

表1 主要母線的電壓諧波總畸變率

通過表1可以看出，冶煉負(fù)荷相鄰的系統(tǒng)變電站母線的諧波含量較高，并且已經(jīng)接近國(guó)標(biāo)中110kV電壓諧波總畸變率為2%的限值。此外，與電氣化鐵路相連的系統(tǒng)變電站1由于有兩個(gè)牽引站同時(shí)接入，相應(yīng)的諧波含量也較大。圖2給出了變電站6的110kV的母線電壓波形。

圖2 變電站6的110kV母線電壓

由于仿真時(shí)考慮了系統(tǒng)變電站集中加裝的濾波和補(bǔ)償裝置，減小了諧波在電網(wǎng)中的傳播，因此仿真結(jié)果均未出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。在冶煉類負(fù)荷和電氣化鐵路接入系統(tǒng)時(shí)，需對(duì)其產(chǎn)生的諧波采取相應(yīng)的治理措施，避免大量諧波注入系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生惡劣影響。

2.2.2 負(fù)序問題

表2給出了直接接有特殊負(fù)荷的主要公共連接點(diǎn)三相電壓不平衡度仿真結(jié)果。

由表2可以看出，有電氣化鐵路接入的系統(tǒng)變電站母線相應(yīng)的三相電壓不平衡度較高。當(dāng)電氣化鐵路接入電力系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮優(yōu)化牽引系統(tǒng)的供電方式，通過輪流換相、選擇合適的牽引變壓器類型和裝設(shè)補(bǔ)償裝置等措施減小電鐵負(fù)序?qū)﹄娋W(wǎng)電能質(zhì)量的影響。圖3中給出了變電站1的330kV母線電壓相量圖。

表2 主要公共連接點(diǎn)三相電壓不平衡度

圖3 變電站1的330kV母線電壓相量

2.2.3 電壓波動(dòng)

風(fēng)力發(fā)電以及冶煉負(fù)荷都是波動(dòng)性很強(qiáng)的負(fù)荷，這種負(fù)荷同時(shí)接入電網(wǎng)會(huì)給電網(wǎng)帶來很大的電壓波動(dòng)問題。表3給出了主要公共連接點(diǎn)在三種負(fù)荷共同作用情況下的電壓波動(dòng)數(shù)據(jù)。

表3 各公共連接點(diǎn)電壓波動(dòng)

從表3可以看出，與冶煉負(fù)荷相鄰的系統(tǒng)變電站的電壓波動(dòng)較大。圖4給出了變電站6的110 kV母線電壓有效值。因此，對(duì)于有冶煉負(fù)荷和風(fēng)電場(chǎng)接入的公共連接點(diǎn)，需采取一定的治理措施，避免帶來相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)損失。

2.3 暫態(tài)電能質(zhì)量

為了考察負(fù)荷在投入(切除)或變換運(yùn)行方式的情況下，是否會(huì)對(duì)其他負(fù)荷及系統(tǒng)產(chǎn)生影響，本節(jié)對(duì)冶煉負(fù)荷投入和牽引負(fù)荷過分相進(jìn)行了仿真分析。由于風(fēng)電場(chǎng)的投入和切除受調(diào)度的影響，并且風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)時(shí)須滿足并網(wǎng)條件，故不特別針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)進(jìn)行暫態(tài)電能質(zhì)量分析。

圖4 變電站6的110kV母線電壓有效值

2.3.1 冶煉負(fù)荷投入

當(dāng)冶煉負(fù)荷投入時(shí)，將從系統(tǒng)電源汲取比正常工作時(shí)大得多的電流。流經(jīng)系統(tǒng)電源阻抗的電流突然增大，造成電源阻抗分壓增加，從而引起公共連接點(diǎn)電壓降低。反之，當(dāng)其從系統(tǒng)中切除時(shí)，電壓會(huì)隨之升高。

當(dāng)系統(tǒng)電壓降低時(shí)，對(duì)電氣化鐵路、風(fēng)力發(fā)電廠等重要負(fù)荷的供電都會(huì)有一定的影響，嚴(yán)重時(shí)更可能造成負(fù)荷解列，帶來嚴(yán)重的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失。

圖5給出了當(dāng)額定容量為100MVA的冶煉負(fù)荷在1.5s投入時(shí)，電壓降低最嚴(yán)重的母線(變電站6的110 kV母線)的電壓有效值波形以及冶煉負(fù)荷接入點(diǎn)的電流波形。

仿真結(jié)果表明，當(dāng)冶煉負(fù)荷投入時(shí)，系統(tǒng)電壓均會(huì)有一定程度的降低，越接近冶煉負(fù)荷的接入點(diǎn)，降低幅度越大，其接入點(diǎn)(變電站6的110 kV母線)的電壓降低幅度約為4.1%。此時(shí)，與風(fēng)電場(chǎng)相連的系統(tǒng)公共連接點(diǎn)電壓降低約為1.9%，基本不會(huì)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)及電鐵供電造成嚴(yán)重的影響。其余母線的電壓降低均在3%以下，對(duì)系統(tǒng)及負(fù)荷不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。冶煉負(fù)荷投入后的電壓波動(dòng)，是由冶煉負(fù)荷的隨機(jī)性和波動(dòng)性引起的，在該區(qū)域電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，該波動(dòng)幅度較小，對(duì)電力系統(tǒng)影響較小，可忽略。

圖5 變電站6的110kV母線電壓有效值和冶煉負(fù)荷接入點(diǎn)的電流波形

2.3.2 牽引負(fù)荷過分相

通過對(duì)牽引負(fù)荷的實(shí)測(cè)，估計(jì)牽引站出現(xiàn)電壓變動(dòng)最大的運(yùn)行工況為:同一牽引供電臂上一列機(jī)車過分相后牽引運(yùn)行另一列機(jī)車從惰性轉(zhuǎn)為牽引運(yùn)行，此時(shí)相當(dāng)于有兩列機(jī)車同時(shí)牽引時(shí)，造成的電壓變動(dòng)最大。

仿真中，在牽引站1中模擬該工況(4 s時(shí)發(fā)生)，結(jié)果顯示變電站1的330 kV母線上電壓降低最大，為0.17%，基本不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。圖6給出了該母線的電壓有效值。

圖6 變電站1的330kV母線電壓有效值

由于牽引負(fù)荷接入點(diǎn)的系統(tǒng)變電站的短路容量較大，而該情況下的功率沖擊與短路容量相比微乎其微，故其帶來的電能質(zhì)量問題可以忽略不計(jì)。但是，當(dāng)系統(tǒng)短路容量較小時(shí)，該問題應(yīng)引起注意。

3 結(jié)束語

(1)當(dāng)同一系統(tǒng)母線接有多種非線性負(fù)荷時(shí)，該母線諧波含量較大，經(jīng)集中治理后可有效減小諧波在電網(wǎng)中的傳輸，減小區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)的總體諧波水平;

(2)電氣化鐵路屬單相負(fù)荷，該類負(fù)荷接入系統(tǒng)會(huì)引起供電母線的嚴(yán)重三相不平衡，因此在牽引負(fù)荷接入時(shí)，需對(duì)供電方案等內(nèi)容進(jìn)行審核，進(jìn)行電能質(zhì)量問題評(píng)估，并采取相應(yīng)的治理措施;

(3)風(fēng)力發(fā)電和冶煉負(fù)荷等波動(dòng)性較大的負(fù)荷，會(huì)帶來較大的電壓波動(dòng)問題，需對(duì)其采取治理措施;

(4)冶煉類的沖擊性負(fù)荷投入電網(wǎng)時(shí)會(huì)帶來一定的電壓沖擊，在其它類負(fù)荷接入該區(qū)域電網(wǎng)時(shí)，需考慮設(shè)備的耐受性，避免帶來相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)損失。

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