，

(1.國網(wǎng)烏魯木齊供電公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.國網(wǎng)荊州供電公司，湖北 荊州 434500)

0 引 言

隨著越來越多的大型風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行，在新疆部分地區(qū)的風(fēng)電場周圍伴隨有鐵路的穿越。電氣化鐵路在運(yùn)輸效率、節(jié)能環(huán)保等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，已成為現(xiàn)階段鐵路建設(shè)發(fā)展的主要方向。隨著電氣化改造工程建設(shè)，大量的電氣化鐵路牽引站與風(fēng)電場集中接入電網(wǎng)。電鐵牽引負(fù)荷具有功率波動(dòng)、諧波和負(fù)序特性，對(duì)電網(wǎng)影響較大。而風(fēng)電場的出力因風(fēng)的不穩(wěn)定性而波動(dòng)較大，風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量相對(duì)較小，風(fēng)電場中有大量風(fēng)電機(jī)組并列運(yùn)行?，F(xiàn)有的文獻(xiàn)主要是針對(duì)電鐵牽引負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的影響和風(fēng)電場的運(yùn)行特性分別進(jìn)行研究，針對(duì)新疆電網(wǎng)出現(xiàn)的電鐵牽引負(fù)荷與風(fēng)電場集中接入地區(qū)電網(wǎng)的情況，對(duì)電鐵牽引負(fù)荷對(duì)風(fēng)電場運(yùn)行特性的影響進(jìn)行分析研究具有重要的實(shí)際意義。

1 電鐵牽引負(fù)荷的特點(diǎn)

特殊的驅(qū)動(dòng)類型和供電方式造成了電鐵牽引負(fù)荷具有功率因數(shù)低、波動(dòng)范圍大、諧波含量豐富、負(fù)序電流大等特點(diǎn)。

(1)隨機(jī)波動(dòng)性

與電力系統(tǒng)中的常規(guī)負(fù)荷相比，電鐵牽引負(fù)荷的特殊性表現(xiàn)在它的快速移動(dòng)和頻繁波動(dòng)，機(jī)車類型、運(yùn)行狀態(tài)、線路條件、載重量等一系列因素都會(huì)影響到電力機(jī)車的電流特性，牽引電流從零到滿載或者從滿載到零的大范圍變化往往發(fā)生在幾秒鐘內(nèi)，并且貫穿于整個(gè)運(yùn)行過程。

(2)諧波特性

目前中國大多使用交直型電力機(jī)車，牽引電機(jī)所使用的直流電是基于橋式變流器整流得到的，整個(gè)電流變換過程是一個(gè)非線性過程，所以牽引電流中含有大量的諧波分量，其中奇次諧波是特征分量，偶次諧波是非特征分量。特征諧波分量以3、5、7次諧波為主，其中3次諧波最大。電鐵牽引負(fù)荷產(chǎn)生的諧波屬于相位分布廣泛且幅值波動(dòng)大的三相不平衡諧波。

(3)負(fù)序特性

同一個(gè)電鐵牽引站的不同供電臂所接帶負(fù)荷的單相性和較小相關(guān)性決定了電鐵牽引負(fù)荷的單相獨(dú)立性，所以當(dāng)電鐵牽引負(fù)荷接入三相基本平衡的電力系統(tǒng)時(shí)會(huì)在電網(wǎng)中造成一定的負(fù)序分量，引起三相電壓和電流的不平衡。

2 電鐵牽引負(fù)荷的諧波對(duì)風(fēng)電場的

影響

2.1 電鐵牽引負(fù)荷的諧波特性分析

電鐵牽引負(fù)荷是電網(wǎng)中典型的不對(duì)稱諧波源，在其運(yùn)行過程中產(chǎn)生的不平衡諧波電流表現(xiàn)的特殊的序量規(guī)律。

(1)

那么，時(shí)域下h次諧波電流如式(2)所示。

(2)

各次諧波電流通過對(duì)稱分量法可以分解為正序、負(fù)序、零序分量，如式(3)所示。

(3)

其中，a=ej120°。

通過以上分析，電鐵牽引負(fù)荷在運(yùn)行過程中注入電網(wǎng)的3h次諧波電流會(huì)因基波電流相角偏差而含有正序和負(fù)序分量，甚至只含正序或者負(fù)序分量。因此，基波電流不對(duì)稱時(shí)3h次諧波電流將不受Y/Δ接線變壓器的阻礙而在電網(wǎng)中任意流動(dòng)。

2.2 電鐵諧波對(duì)風(fēng)電場的影響

風(fēng)力發(fā)電不同于水電、火電等常規(guī)電源的顯著特點(diǎn)是單機(jī)容量較小，為了充分利用能量密度較低的風(fēng)能，風(fēng)電場中通常有大量風(fēng)電機(jī)組并列運(yùn)行。

當(dāng)電氣化鐵路牽引站與風(fēng)電場集中接入地區(qū)電網(wǎng)時(shí)，電鐵牽引負(fù)荷注入電網(wǎng)的三相不平衡諧波電流將會(huì)注入風(fēng)電場，對(duì)變壓器、電流變換裝置、補(bǔ)償裝置、風(fēng)電機(jī)組等電力設(shè)備造成影響。部分風(fēng)電場投運(yùn)的是恒速恒頻風(fēng)電機(jī)組，在風(fēng)機(jī)出口處裝設(shè)有補(bǔ)償無功功率的電容器組，并且風(fēng)機(jī)和補(bǔ)償電容是同退同投的。風(fēng)電場中投運(yùn)風(fēng)電機(jī)組(電容器組)的數(shù)量會(huì)因風(fēng)速過大(超過切除風(fēng)速)或者故障檢修等不確定因素而隨機(jī)變化，因此，風(fēng)電場的等值阻抗會(huì)在一個(gè)較大的范圍內(nèi)變動(dòng)，PCC點(diǎn)處的諧振點(diǎn)分布范圍較大，較容易引起諧波放大和諧振。

注入風(fēng)電場的諧波電流會(huì)增加風(fēng)電機(jī)組和變壓器的損耗，加速絕緣老化，引起附加振動(dòng)。對(duì)于安裝恒速恒頻風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場，諧波電流的注入會(huì)增加補(bǔ)償電容的介質(zhì)損耗，降低其使用壽命。如果風(fēng)電場內(nèi)部發(fā)生了諧波電流放大或者諧振，風(fēng)機(jī)出口處的補(bǔ)償電容器組可能會(huì)因?yàn)檫^電流而跳閘甚至損壞，那么對(duì)應(yīng)的風(fēng)電機(jī)組也會(huì)退出運(yùn)行，這樣就會(huì)造成風(fēng)電場輸出有功功率的變化，加劇風(fēng)電場出力的不確定性。

3 電鐵牽引負(fù)荷的負(fù)序?qū)︼L(fēng)電場的

影響

3.1 不平衡電壓下風(fēng)電機(jī)組的功率特性

在分析三相電壓不平衡時(shí)風(fēng)電機(jī)組輸出的有功功率時(shí)，用uA、uB、uC表示風(fēng)機(jī)出口處三相電壓瞬時(shí)值，用iA、iB、iC表示風(fēng)機(jī)出口處三相電流瞬時(shí)值，風(fēng)電機(jī)組輸出的有功功率瞬時(shí)值Ps可以表示為

Ps=uAiA+uBiB+uCiC

(4)

風(fēng)電機(jī)組出口處的箱式變壓器通常為Δ/Y 接線，所以不考慮零序電流分量，利用派克變換將三相靜止坐標(biāo)系下的A、B、C三相分量變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d、q、0三個(gè)分量，式(4)可以寫出如下形式。

Ps=udid+uqiq

(5)

利用對(duì)稱分量法將三相不平衡時(shí)電壓和電流矢量分解為正序和負(fù)序分量，用ω表示同步電角速度，φ0表示正序初始旋轉(zhuǎn)角和負(fù)序初始旋轉(zhuǎn)角的差值，那么同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電壓電流分量如式(6)所示。

(6)

瞬時(shí)功率如式(7)所示。

(7)

(8)

3.2 負(fù)序?qū)︼L(fēng)電場的影響

電鐵牽引負(fù)荷具有單相獨(dú)立性，其注入電網(wǎng)的負(fù)序電流大小與兩供電臂的電流幅值及兩供電臂功率因數(shù)角之差相關(guān)。負(fù)序電流注入風(fēng)電場后將造成箱式變壓器和風(fēng)電場升壓站主變壓器的局部過熱，損壞絕緣，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組的附加發(fā)熱和振動(dòng)，繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作，使風(fēng)電機(jī)組輸出的有功功率具有100 Hz的波動(dòng)分量。由于電鐵牽引負(fù)荷的取流特性多變，風(fēng)電場的輸出功率也是隨機(jī)變化的，這兩種不確定因素會(huì)造成風(fēng)電場輸出的瞬時(shí)功率波動(dòng)幅值頻繁變化，這勢(shì)必會(huì)加劇電網(wǎng)的電壓波動(dòng)和閃變等電能質(zhì)量問題。

4 仿真分析

4.1 仿真模型及參數(shù)

以蘭新鐵路紅柳河至阿拉山口段電氣化改造工程建設(shè)中，MGT牽引站、DBS牽引站與ALSK風(fēng)電場、WLDBS風(fēng)電場通過220 kV ALSK變電站集中接入新疆電網(wǎng)為例，地區(qū)電網(wǎng)接線如圖1所示。

圖1 地區(qū)電網(wǎng)接線圖

電氣化鐵路牽引站和風(fēng)電場均是110 kV接入。ALSK風(fēng)電場和WLDBS風(fēng)電場各裝設(shè)了66臺(tái)單機(jī)容量750 kW的恒速恒頻風(fēng)電機(jī)組，兩個(gè)風(fēng)電場的裝機(jī)容量均為49.5 MW，升壓站的主變壓器均為Yn-d11接線形式。MGT牽引站和DBS牽引站的供電區(qū)段均運(yùn)行的是韶山7型電力機(jī)車。在進(jìn)行仿真分析時(shí)以各供電臂電力機(jī)車全開考慮。在電力系統(tǒng)仿真分析軟件DIgSILENT PowerFactory中搭建仿真模型，基于不平衡潮流進(jìn)行諧波潮流計(jì)算和瞬時(shí)功率時(shí)域仿真，分析了電鐵牽引負(fù)荷對(duì)風(fēng)電場運(yùn)行特性的影響。

4.2 諧波影響仿真分析

1)風(fēng)電機(jī)組投運(yùn)數(shù)量不變，諧波相角變化

當(dāng)兩個(gè)風(fēng)電場均滿發(fā)，即66臺(tái)風(fēng)電機(jī)組全部投運(yùn)，電鐵牽引負(fù)荷注入電網(wǎng)的3次諧波電流相角與基波電流相角差(φA，3-φA，1、φB，3-φB，1、φC，3-φC，1)變化時(shí)，風(fēng)電場匯流母線處各次諧波電流值如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 ΔφA，3=5°，ΔφB，3=5°，ΔφC，3=5°時(shí)風(fēng)電場的諧波電流

圖3 ΔφA，3=10°，ΔφB，3=20°，ΔφC，3=30°時(shí)風(fēng)電場的諧波電流

圖4 ΔφA，3=10°，ΔφB，3=30°，ΔφC，3=50°時(shí)風(fēng)電場的諧波電流

通過對(duì)圖2、圖3、圖4的對(duì)比分析可得：風(fēng)電場匯流母線處3次諧波電流的大小會(huì)隨著3次諧波相角與基波相角差值的變化而變化，不受風(fēng)電場升壓站主變壓器接線形式的影響。

2)諧波電流不變，風(fēng)電機(jī)組投運(yùn)數(shù)量變化

當(dāng)電鐵牽引負(fù)荷注入電網(wǎng)的諧波電流幅值和相位不變，兩個(gè)風(fēng)電場各投運(yùn)66臺(tái)、33臺(tái)、15臺(tái)風(fēng)電機(jī)組時(shí)，風(fēng)電場匯流母線處的各次諧波電流值如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 風(fēng)電場投運(yùn)66臺(tái)機(jī)組時(shí)諧波電流

圖6 風(fēng)電場投運(yùn)33臺(tái)機(jī)組時(shí)諧波電流

圖7 風(fēng)電場投運(yùn)15臺(tái)機(jī)組時(shí)諧波電流

通過對(duì)圖5、圖6、圖7的對(duì)比分析可得：當(dāng)風(fēng)電場滿發(fā)時(shí)，風(fēng)電場匯流母線處的各次諧波電流值相對(duì)較??；當(dāng)風(fēng)電場各投運(yùn)33臺(tái)風(fēng)電機(jī)組時(shí)，兩風(fēng)電場內(nèi)5次諧波被放大；當(dāng)風(fēng)電場各投運(yùn)15臺(tái)風(fēng)電機(jī)組時(shí)，WLDBS風(fēng)電場內(nèi)7次諧波被放大。

研究結(jié)果表明：電鐵牽引負(fù)荷在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的三相不平衡3h次諧波的相位偏差不同時(shí)，由于諧波電流中序分量的不同而使得注入風(fēng)電場中的3h次諧波含量也不同；隨著風(fēng)電場中投運(yùn)恒速恒頻率風(fēng)電機(jī)組數(shù)量的變化有可能引起風(fēng)電場內(nèi)部的諧波放大或者諧振。

4.3 負(fù)序影響仿真分析

當(dāng)BYH風(fēng)電場有功出力33.75 MW，CH風(fēng)電場有功出力為49.5 MW，電鐵牽引站接帶與電力機(jī)車等功率的三相平衡負(fù)荷時(shí)兩個(gè)風(fēng)電場的輸出功率瞬時(shí)值如圖8所示，電鐵牽引站接帶的電力機(jī)車在行駛和啟動(dòng)過程中兩個(gè)風(fēng)電場的輸出功率瞬時(shí)值如圖9、圖10所示。

圖8 三相平衡負(fù)荷接入后風(fēng)電場的輸出功率

圖9 電鐵牽引負(fù)荷行駛過程中風(fēng)電場的輸出功率

圖10 電鐵牽引負(fù)荷啟動(dòng)時(shí)風(fēng)電場的輸出功率

通過對(duì)圖8、圖9的對(duì)比分析可得：當(dāng)電鐵牽引負(fù)荷與風(fēng)電場集中接入地區(qū)電網(wǎng)后，負(fù)序電流引起的三相電壓不平衡將會(huì)造成風(fēng)電場的瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無功功率以100 Hz的頻率波動(dòng)。通過對(duì)圖9、圖10的對(duì)比分析可得：牽引功率越大時(shí)風(fēng)電場輸出功率的波動(dòng)幅值就越大，風(fēng)電場的輸出功率越大時(shí)功率波動(dòng)也越大。

研究結(jié)果表明：電鐵牽引負(fù)荷在運(yùn)行過程中引起的電壓不平衡將造成風(fēng)電機(jī)組的輸出功率包含頻率為100 Hz的波動(dòng)分量，波動(dòng)幅值與電鐵牽引負(fù)荷的取流及風(fēng)電場的輸出功率呈正相關(guān)的關(guān)系。

5 結(jié) 論

針對(duì)電氣化鐵路牽引站與風(fēng)電場集中接入新疆電網(wǎng)的情況，通過理論推導(dǎo)和仿真分析相結(jié)合的方法，深入研究了電鐵牽引負(fù)荷對(duì)風(fēng)電場運(yùn)行特性的影響，結(jié)果表明電鐵牽引負(fù)荷在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的諧波、負(fù)序電流等將對(duì)風(fēng)電場的輸出功率產(chǎn)生較大影響。

針對(duì)電鐵牽引負(fù)荷的諧波對(duì)風(fēng)電場的影響，一方面，可以采用諧波含量相對(duì)較少的交直交型電力機(jī)車；另一方面，對(duì)于規(guī)劃待建的風(fēng)電場，最好安裝單機(jī)容量較大并且可以實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率解耦控制的雙饋異步風(fēng)電機(jī)組或者直驅(qū)永磁同步風(fēng)電機(jī)組，減小風(fēng)電場中諧波放大或者諧振的概率。針對(duì)電鐵牽引負(fù)荷負(fù)序?qū)︼L(fēng)電場的影響，一方面可以綜合考慮經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等因素在集中接入點(diǎn)裝設(shè)具有分相控制能力的SVC動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置；另一方面，可以采用抗擾動(dòng)能力相對(duì)較強(qiáng)的風(fēng)電機(jī)組或者選擇其他的接入點(diǎn)，盡量避免電鐵牽引站和風(fēng)電場集中接入電網(wǎng)。

[1] 吳帆.基于實(shí)測數(shù)據(jù)的牽引變電所運(yùn)行特性仿真及評(píng)價(jià)[D].成都：西南交通大學(xué)，2000.

[2] 顧文.電氣化鐵路對(duì)徐州電網(wǎng)的影響[D].南京：東南大學(xué)，2006.

[3] 賀建閩，黃治清.電力用戶諧波測量與評(píng)估[J]，供用電，2002,13(6)：134-140.

[4] 聶靜靜，吳文宣.高速電氣化鐵路諧波的仿真計(jì)算與分析[J].福建電力與電工，2008，28(1):8-11.

[5] 楊曉萍，段先鋒. 直驅(qū)永磁同步風(fēng)電機(jī)組不對(duì)稱故障穿越的研究[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2010，14(2):7-12.

[6] 胡家兵，賀益康. 不平衡電壓下雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建模與控制[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007，31(14):47-56.

[7] 陳寧，朱凌志.改善接入地區(qū)電壓穩(wěn)定性的風(fēng)電場無功控制策略[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29(10):102-108.