董云先,張青青,張高峰,王慶玉
(1.華電國(guó)際萊城發(fā)電廠,山東 萊城 271100;2.山東電力集團(tuán)公司電力科學(xué)研究院,山東 濟(jì)南 250002)
隨著電氣化鐵路的飛速發(fā)展,極大提高了鐵路運(yùn)力,但對(duì)于電力系統(tǒng),電氣化鐵路牽引負(fù)荷是一種特殊的流動(dòng)性負(fù)荷。我國(guó)電氣化鐵路采用工頻單相交流制,電氣化鐵路牽引系統(tǒng)主要包括供電系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)。其中,供電系統(tǒng),我國(guó)電氣化鐵路均由電力系統(tǒng)以220 kV或110 kV電壓供電;牽引系統(tǒng),由牽引站、供電線及接觸網(wǎng)等部分組成。電力機(jī)車從接觸網(wǎng)得到27.5 kV單相工頻交流電,經(jīng)機(jī)車內(nèi)部的整流設(shè)備整流成直流供給牽引電動(dòng)機(jī)[1]。因此,牽引負(fù)荷為單相整流負(fù)荷,是一種呈隨機(jī)特性、不對(duì)稱的非線性負(fù)荷,牽引負(fù)荷所產(chǎn)生的較大負(fù)序分量和諧波分量,對(duì)電力系統(tǒng)其它用戶及發(fā)電機(jī)產(chǎn)生危害。
德大電氣化鐵路為德龍煙鐵路其中的一段,德龍煙鐵路起自山東省德州市德城區(qū)黃河涯鎮(zhèn),經(jīng)過濰坊市大家洼、龍口市,止于煙臺(tái)市,被稱為山東第二條“膠濟(jì)鐵路”,由德大(擬建)、大萊龍(建成)、龍煙(在建)鐵路共同組成。
德大電氣化鐵路工程新建陵縣、商河、陽信、洛王、東營(yíng)南、東宅科 6座牽引變電所,外部電源均采用山東省電網(wǎng)110 kV電壓等級(jí)供電。電網(wǎng)供電站分別為 220 kV楊治站、龍門站、商河站、樂陵站、陽信站、雙廟站、濱北站、利津站、丁莊站、史口站、北海站、豐臺(tái)站。新建6個(gè)直供牽引變電所設(shè)兩回獨(dú)立110 kV進(jìn)線源,進(jìn)線側(cè)采用線路變壓器接線,進(jìn)線隔離開關(guān)的線路側(cè)設(shè)置手動(dòng)接地刀閘,牽引變壓器采用V/v結(jié)線變壓器,固定備用方式,一主一備,互為備用。
表1 德大電氣化鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
V/v結(jié)線牽引變壓器原理和相量關(guān)系如圖1所示。
圖1 V/v結(jié)線牽引變壓器原理和相量關(guān)系圖
V/v結(jié)線牽引變壓器一次、二次側(cè)電流關(guān)系[1]:
式中,K為牽引變壓器的變壓比。
Electrical Transient Analyzer Program簡(jiǎn)稱ETAP,是功能全面的綜合型電力及電氣分析計(jì)算軟件。通過收集德大電氣化鐵路供電電網(wǎng)資料,并分析德大電氣化鐵路的負(fù)荷特點(diǎn),運(yùn)用ETAP搭建仿真模型,對(duì)德大電氣化鐵路接入山東電網(wǎng)將引起的電能質(zhì)量問題進(jìn)行仿真計(jì)算分析。
當(dāng)公共連接點(diǎn)的短路容量不同于基準(zhǔn)容量時(shí),公共連接點(diǎn)的全部用戶向該點(diǎn)注入的諧波電流分量(均方根值)允許值[2]
式中:Sk1為公共連接點(diǎn)的最小短路容量,MVA;Sk2為基準(zhǔn)短路容量,MVA;Ihp為第h次諧波電流允許值,A;Ih為短路容量為Sk1時(shí)的第h次諧波電流允許值,A。
按國(guó)標(biāo) GB/T14549-93《電能質(zhì)量—公用電網(wǎng)諧波》附錄C的要求,在公共連接點(diǎn)處的第i個(gè)用戶的第h次諧波電流允許值還需按式(3)進(jìn)行換算:
式中:Ih為上述短路容量為Sk1時(shí)的第h次諧波電流允許值,A;Si為第 個(gè)用戶的用電協(xié)議容量,MVA;St為公共連接點(diǎn)的供電設(shè)備容量,MVA;墜為相位疊加系數(shù)[2]。
根據(jù)式(2)及式(3),計(jì)算牽引機(jī)車注入電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)的3、5、7次諧波電流允許值如表2所示。
表2 牽引站注入系統(tǒng)的諧波電流允許值 A
根據(jù)鐵路部門提供的資料,分析牽引負(fù)荷特點(diǎn)后計(jì)算得出牽引站注入系統(tǒng)的各次諧波電流如表3所示。
表3 牽引站注入系統(tǒng)的諧波電流值 A
對(duì)比表 2及表 3可知,德大電氣化鐵路接入引起電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)3、5、7次諧波電流均嚴(yán)重超標(biāo)。
在分析牽引負(fù)荷引起的電能質(zhì)量問題時(shí),首先應(yīng)了解牽引站所接入的附近電網(wǎng)的公共連接點(diǎn)母線背景電能質(zhì)量情況。為此,對(duì)供電變電站110 kV母線以及各站重要進(jìn)線電能質(zhì)量情況進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)測(cè)試。諧波、三相電壓不平衡度的測(cè)量結(jié)果采用 95%概率值,并選取三相總諧波畸變率最大值相作為總諧波畸變率,得出諧波和不平衡度背景數(shù)據(jù)。
建立諧波網(wǎng)絡(luò)仿真模型,對(duì)牽引站引起供電變電站母線的諧波電壓進(jìn)行仿真計(jì)算。計(jì)算中考慮各牽引站供電方式 (供電變電站為一主一備方式給牽引變電站供電,對(duì)供電變電站進(jìn)行排列組合),在不同供電方式下注入根據(jù)機(jī)車諧波電流含有率計(jì)算出的機(jī)車 3~7次諧波電流,得到相應(yīng)公共連接點(diǎn)的各次諧波電壓含有率及總諧波畸變率。在不考慮背景諧波情況下,各供電變電站母線(110 kV)總諧波畸變率最大時(shí)的各次諧波含有率及相應(yīng)的總諧波電壓畸變率(THD)如表4所示。
表4 不考慮背景諧波時(shí)牽引站接入供電變電站母線諧波電壓及總諧波畸變率 %
考慮背景諧波后,各牽引站接入電網(wǎng)后,牽引站供電站母線各次諧波電壓畸變率及總諧波電壓畸變率見表 5[3]。
表5 考慮背景諧波時(shí)牽引站接入供電變電站母線諧波電壓及總諧波畸變率 %
根據(jù)表 4所示,不考慮背景諧波時(shí),因牽引站接入注入系統(tǒng)的諧波電流引起的各次諧波電壓畸變較大,其中楊治站 7次諧波電壓含有率超過國(guó)標(biāo)奇次諧波電壓畸變率 1.6%限值要求,同時(shí)楊治、龍門、商河、樂陵、利津、史口、北海站諧波電壓總畸變率超過國(guó)標(biāo) 2%限值要求;根據(jù)表5所示,考慮背景諧波后,除上述諧波電壓超標(biāo)外,商河站5次諧波電壓含有率超過國(guó)標(biāo)奇次諧波電壓畸變率 1.6% 限值要求,陽信站、雙廟站、丁莊站諧波電壓總畸變率超過國(guó)標(biāo) 2% 限值要求[2]。
在進(jìn)行負(fù)序計(jì)算時(shí),首先根據(jù)發(fā)電機(jī)、變壓器、線路等元件參數(shù)建立系統(tǒng)等值負(fù)序網(wǎng)絡(luò),得到注入系統(tǒng)各母線的基波負(fù)序電流和母線負(fù)序電壓。
牽引站注入系統(tǒng)的負(fù)序電流的取值跟牽引變壓器的接線方式和牽引供電臂的負(fù)荷電流有關(guān),牽引變壓器的接線方式為V/v接線,兩臂電流取值考慮4種方式。
方式一,重饋線取 95% 概率最大電流值,輕饋線電流為 0;
方式二,重饋線取 95% 概率最大電流值,輕饋線電流為95%概率最大電流值的50%;
方式三,重饋線取 95% 概率最大電流值,輕饋線電流為95%概率最大電流值的75%;
方式四,重饋線取 95% 概率最大電流值,輕饋線為95%概率最大電流值;
在 V/v變壓器接線時(shí),供電臂電流的四種取值方式下,應(yīng)用 ETAP仿真得到各公共連接點(diǎn)正序電壓、負(fù)序電壓及三相電壓不平衡度,計(jì)算結(jié)果如表 6所示。考慮各供電站公共連接點(diǎn)背景三相不平衡后,得到德大電氣化鐵路接入后各公共連接點(diǎn)母線三相電壓不平衡度見表 7。
表6 不考慮背景下各公共連接點(diǎn)母線三相電壓不平衡度結(jié)果 %
表7 考慮背景下各公共連接點(diǎn)母線三相電壓不平衡度結(jié)果 %
分析表 6及表 7可知,陵縣牽引站接入引起公共連接點(diǎn)母線(楊治 110 kV、龍門110 kV)三相電壓不平衡度超過國(guó)標(biāo)規(guī)定的接于系統(tǒng)公共連接點(diǎn)的每個(gè)用戶引起該點(diǎn)三相電壓不平衡度不超過1.3% 的限值要求[4],其余牽引站接入引起的公共連接點(diǎn)三相電壓不平衡度雖未超標(biāo),但數(shù)值較大。
通過仿真計(jì)算得知德大電氣化鐵路負(fù)荷注入電網(wǎng)的3、5、7次諧波電流均超標(biāo)。不考慮背景諧波時(shí),因牽引站接入注入系統(tǒng)的諧波電流引起楊治站7次諧波電壓含有率超過國(guó)標(biāo)奇次諧波電壓畸變率 1.6% 限值要求,同時(shí)楊治、龍門、商河、樂陵、利津、史口、北海站諧波電壓總畸變率超過國(guó)標(biāo)2%限值要求??紤]背景諧波后,除上述諧波電壓超標(biāo)外,商河站 5次諧波電壓含有率超過國(guó)標(biāo)奇次諧波電壓畸變率 1.6%限值要求,陽信站、雙廟站、丁莊等站諧波電壓總畸變率超過國(guó)標(biāo)2%限值要求。陵縣牽引站接入引起公共連接點(diǎn)母線(楊治 110 kV、龍門110 kV)三相電壓不平衡度超過國(guó)標(biāo)規(guī)定的接于系統(tǒng)公共連接點(diǎn)的每個(gè)用戶引起該點(diǎn)三相電壓不平衡度不超過 1.3%的限值要求。
[1]譚秀炳.交流電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2009.
[2]GB/T 14549-1993電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波[S].
[3]劉勇,段曉波.電氣化鐵路V/v牽引變壓器接入系統(tǒng)諧波評(píng)估[J].河北電力技術(shù), 2007,26(5): 21-23.
[4]GB/T 15543-2008電能質(zhì)量 三相電壓不平衡[S].