朱明星 錢辰辰，3 段曉波 胡文平 戎士洋

(1.安徽大學(xué)教育部電能質(zhì)量工程研究中心，230601，合肥;2.河北省電力公司電力科學(xué)研究院，050021，石家莊;3.陽光電源股份有限公司，230601，合肥∥第一作者，副教授)

城市軌道交通的快速建設(shè)使城市軌道交通供電給公共電網(wǎng)帶來的影響受到高度的關(guān)注。因此，需對(duì)城市軌道交通接入配電網(wǎng)進(jìn)行預(yù)評(píng)估研究。

文獻(xiàn)［1－4］指出了城市軌道交通負(fù)荷接入城市公共電網(wǎng)引起電網(wǎng)電能質(zhì)量的下降，給出了城市軌道交通接入電網(wǎng)的電能質(zhì)量解決方案;文獻(xiàn)［5－9］建立了城市軌道交通牽引站仿真模型，對(duì)整流機(jī)組諧波電流進(jìn)行了分析;文獻(xiàn)［10－12］對(duì)城市軌道交通列車運(yùn)行圖進(jìn)行介紹，研究列車運(yùn)行圖編制方法和評(píng)價(jià)方法。以上的研究?jī)?nèi)容均沒涉及城市軌道交通供電系統(tǒng)諧波預(yù)評(píng)估，其研究成果為本文提出的基于城市軌道交通列車運(yùn)行圖的供配電系統(tǒng)諧波預(yù)評(píng)估提供了基礎(chǔ)支撐。

本文提出基于城市軌道交通列車運(yùn)行圖對(duì)城市軌道交通供配電系統(tǒng)諧波進(jìn)行預(yù)評(píng)估的思想，建立了城市軌道交通供配電系統(tǒng)諧波預(yù)評(píng)估的仿真方法，給出了城市軌道交通供配電系統(tǒng)諧波預(yù)評(píng)估的仿真原則和流程;并仿真了某城市軌道交通線供配電系統(tǒng)的11 次諧波潮流，找出了11 次諧波超標(biāo)的原因。

1 某城市軌道交通線的列車運(yùn)行圖

為了研究不同城市軌道交通線運(yùn)行規(guī)律對(duì)城市軌道交通供配電系統(tǒng)諧波潮流的影響，就必須結(jié)合其列車的運(yùn)行圖進(jìn)行分析。根據(jù)圖1a)中給出的某城市軌道交通1號(hào)線運(yùn)行交路及對(duì)數(shù)，結(jié)合城市軌道交通列車運(yùn)行圖的編制規(guī)則，對(duì)該城市軌道交通1號(hào)線的運(yùn)行圖進(jìn)行了簡(jiǎn)化，如圖1b)所示。

該城市軌道交通1號(hào)線列車運(yùn)行圖是建立在同一方向列車的運(yùn)行速度相同、列車在區(qū)間兩端站的到發(fā)或通過的運(yùn)行方式相同等理想條件下，未考慮客流量、線路土建結(jié)構(gòu)、成本、效率等因素。

圖1 某城市軌道交通1號(hào)線的列車運(yùn)行交路及運(yùn)行圖

假設(shè)每個(gè)牽引變電所主要為本車站和左右相鄰兩車站的列車供電，選取某一固定時(shí)間間隔，對(duì)某一主變電所所轄的各個(gè)牽引變電所承擔(dān)的列車數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出各個(gè)牽引變電所所帶負(fù)荷大小，最后根據(jù)牽引變電所諧波電流的仿真結(jié)果或既有的諧波電流發(fā)生量數(shù)據(jù)庫，來確定各牽引變電所在該運(yùn)行方式下的諧波電流發(fā)生情況，并以此為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合供配電系統(tǒng)線路參數(shù)對(duì)城市軌道交通供配電系統(tǒng)的諧波潮流進(jìn)行仿真，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)城市軌道交通供電系統(tǒng)進(jìn)行諧波預(yù)評(píng)估的目的。

2 諧波預(yù)評(píng)估仿真

2.1 仿真原則

1)將城市軌道交通供配電系統(tǒng)參數(shù)全部折算到35 kV 電壓等級(jí)，將各牽引變電所的諧波電流發(fā)生量折算到35 kV 電壓等級(jí)，并忽略各降壓站的諧波發(fā)生量。

2)根據(jù)文獻(xiàn)［13］關(guān)于矢量疊加的求和法則，對(duì)城市軌道交通各級(jí)母線的諧波電壓分別進(jìn)行合成。合成后的諧波電壓就是該級(jí)母線的最終評(píng)估值。合成h 次諧波電壓的求和法則是:

式中:

Uh——對(duì)所考慮的一組諧波源計(jì)算出的合成h次諧波電壓值;

Uh，i——要進(jìn)行合成的各單個(gè) h 次諧波電壓的值;

α——求和指數(shù)，本文取 α=2。

3)根據(jù)文獻(xiàn)［14］關(guān)于諧波電流的合成方法，對(duì)城市軌道交通供配電系統(tǒng)各進(jìn)線電流進(jìn)行合成。合成后的諧波電流就是該進(jìn)線的諧波仿真結(jié)果。2 個(gè)諧波源的同次諧波電流在同1 條線路上同一相迭加，即可得諧波電流的合成值Ih。當(dāng)相位角已知時(shí):

式中:

Ih，1——諧波源 1 的 h 次諧波電流;

Ih，2——諧波源 2 的 h 次諧波電流;

φ——諧波源1 和2 的 h 次諧波電流之間的相位差。

當(dāng)相位角不確定時(shí):

式中:

Kh——當(dāng)相位角不確定時(shí)諧波電流的疊加系數(shù)，如表1所示。

表1 諧波電流疊加系數(shù)

2.2 仿真模型

基于城市軌道交通列車運(yùn)行圖的供配電系統(tǒng)諧 波預(yù)評(píng)估的仿真模型如圖2所示。

圖2 諧波預(yù)評(píng)估仿真模型

諧波預(yù)評(píng)估需設(shè)置的參數(shù)如下:

1)主變電所220 kV 母線的短路容量;

2)220 kV 變電所 220 kV/110 kV 變壓器參數(shù);

3)220 kV 變電所至城市軌道交通主變電所110 kV 母線的線路參數(shù)和線路長(zhǎng)度;

4)城市軌道交通主變電所110 kV/35 kV 變壓器參數(shù);

5)城市軌道交通主變電所35 kV 母線至各牽引變電所和降壓變電所的線路參數(shù);

6)不含牽引變電所的城市軌道交通站內(nèi)降壓變電所的個(gè)數(shù)N，含牽引變電所的城市軌道交通站內(nèi)降壓變電所的個(gè)數(shù)K;

7)不含牽引變電所的城市軌道交通站內(nèi)各降壓站35 kV/0.4 kV 變壓器參數(shù)，以及所帶負(fù)荷的有功和無功功率;

8)含牽引變電所的城市軌道交通站內(nèi)各降壓站35 kV/0.4 kV 變壓器參數(shù)，以及所帶負(fù)荷的有功和無功功率;

9)根據(jù)軌道交通列車運(yùn)行圖得出的各牽引變電所各次諧波電流發(fā)生量，以及所帶負(fù)荷的有功和無功功率。

2.3 仿真流程

基于城市軌道交通列車運(yùn)行圖的供配電系統(tǒng)諧波預(yù)評(píng)估的仿真流程如圖3所示。

3 實(shí)例分析

3.1 某城市軌道交通1號(hào)線供配電系統(tǒng)介紹

現(xiàn)根據(jù)某城市軌道交通1號(hào)線供配電系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)本文提出的仿真模型和方法進(jìn)行驗(yàn)證。該城市軌道交通1號(hào)線供配電系統(tǒng)如圖4所示。

該線供配電系統(tǒng)部分參數(shù)如下:主變電所110 kV最大短路容量為1 813 MVA，最小短路容量為1 729 MVA，110 kV/35 kV 變壓器型號(hào)為 SZ 9－63 000/115，運(yùn)行短路電壓百分比為10.61%，110 kV 線路采用電纜型號(hào)為YJLW－630，長(zhǎng)度為1 363 m;主變電所35 kV 帶4 個(gè)牽引變電所，同時(shí)該城市軌道交通線的110 kV 供電為環(huán)網(wǎng)運(yùn)行，含有11 次背景諧波電壓，白天11 次背景諧波電壓含有率約為0.8%，夜晚 11 次背景諧波電壓含有率約為0.5%。

圖3 諧波預(yù)評(píng)估仿真流程圖

圖4 某城市軌道交通1號(hào)線供配電系統(tǒng)圖

3.2 實(shí)測(cè)結(jié)果

對(duì)該城市軌道交通線供配電系統(tǒng)的1 個(gè)主變電所下轄的1 個(gè)牽引變電所進(jìn)行電能質(zhì)量測(cè)試，其測(cè)試時(shí)段為:2012－9－21 的00:23 至2012－9－22 的00:23，統(tǒng)計(jì)間隔時(shí)間為5 min。由于該城市軌道交通線的主要問題為11 次諧波超標(biāo)問題，因此本文主要針對(duì)11 次諧波電流進(jìn)行分析，其余各次諧波的仿真與此類似。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)可得出主變電所110 kV 11 次諧波電壓和諧波電流變化趨勢(shì)如圖5所示;主變電所35 kV 11 次諧波電壓和諧波電流變化趨勢(shì)如圖6所示;牽引變電所35 kV 11 次諧波電壓和諧波電流變化趨勢(shì)如圖7所示。

圖5 主變電所110 kV 母線11 次諧波電壓和諧波電流變化趨勢(shì)

對(duì)該城市軌道交通線供配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，可得以下結(jié)論:

圖7 牽引變電所35 kV 11 次諧波電壓和諧波電流變化趨勢(shì)

1)主變電所110 kV、主變電所35 kV 和牽引變電所35 kV 各母線的11 次諧波電壓含有率具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性。其中:測(cè)試期間的前5 h，列車處于停運(yùn)狀態(tài)這段時(shí)間為用電低谷期;測(cè)試開始8 h 后列車基本全部處于運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，這段時(shí)間為用電高峰期。

2)在用電高峰期，主變電所110 kV、主變電所35 kV 和牽引變電所35 kV 各母線的11 次諧波電壓含有率分別為2.5%、9%和9%左右;在用電低谷期，主變電所110 kV、主變電所35 kV 和牽引變電所35 kV 各母線的 11 次諧波電壓含有率分別為0.8%、5%和5%左右。

3)在用電高峰期，主變電所110 kV、主變電所35 kV 和牽引變電所35 kV 各進(jìn)線的11 次諧波電流量分別為13 A、55 A 和3 A 左右;用電低谷期，主變電所110 kV、主變電所35 kV 和牽引變電所35 kV各進(jìn)線的11 次諧波電流量分別為8 A、35 A 和1.5 A 左右。

3.3 實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果的對(duì)比

在用電高峰期和用電低谷期，主變電所110 kV、主變電所35 kV 和牽引變電所35 kV 的11 次諧波電壓和諧波電流的實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真結(jié)果對(duì)比如表2所示。

表2 對(duì)11 次諧波電壓、電流的實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

根據(jù)11 次諧波電壓和諧波電流的實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真結(jié)果的對(duì)比可知:

1)在用電高峰期和用電低谷期內(nèi)，仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果比較接近，驗(yàn)證了本文建立的城市軌道交通線供配電系統(tǒng)諧波預(yù)評(píng)估仿真模型的可用性。

2)在用電高峰期和用電低谷期，牽引變電所35 kV 進(jìn)線產(chǎn)生11 次諧波電注入主變電所35 kV 進(jìn)線，被放大4 ～5 倍左右，進(jìn)而在各母線產(chǎn)生了很高的11 次諧波電壓。這是由于主變電所35 kV 的系統(tǒng)阻抗與主變電所35 kV 至牽引變電所35 kV 電纜充電電容形成了串并聯(lián)諧振造成的。

3)對(duì)城市的供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，必要時(shí)需對(duì)城市軌道交通接入電網(wǎng)進(jìn)行電能質(zhì)量評(píng)估，以保證城市軌道交通供配電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。

4 結(jié)語

本文提出了基于城市軌道交通列車運(yùn)行圖的城市軌道交通供配電系統(tǒng)諧波預(yù)評(píng)估的思想，建立了城市軌道交通供配電系統(tǒng)諧波預(yù)評(píng)估的仿真模型，給出了供配電系統(tǒng)諧波預(yù)評(píng)估的仿真方法、仿真原則和仿真流程;對(duì)某城市軌道交通線供配電系統(tǒng)的11 次諧波潮流進(jìn)行了仿真，分析出11 次諧波超標(biāo)的原因，為城市軌道交通接入配電網(wǎng)的預(yù)評(píng)估提供了依據(jù)。

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