歐陽(yáng)森， 梁偉斌

(廣東省綠色能源技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 華南理工大學(xué)電力學(xué)院， 廣東 廣州 510640)

基于PSCAD/EMTDC的電氣化鐵路接入電網(wǎng)的電能質(zhì)量評(píng)估方法

歐陽(yáng)森， 梁偉斌

(廣東省綠色能源技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 華南理工大學(xué)電力學(xué)院， 廣東 廣州 510640)

目前電氣化鐵路接入電網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量影響的建模過(guò)程復(fù)雜，仿真場(chǎng)景不夠全面，針對(duì)這一現(xiàn)狀，本文提出一種基于PSCAD/EMTDC的電氣化鐵路接入電網(wǎng)的電能質(zhì)量評(píng)估方法。首先，本文提出一種基于PSCAD/EMTDC的電氣化鐵路接入電網(wǎng)的仿真模型，其中包含以負(fù)荷+諧波源方式表征電力機(jī)車的功率特性和諧波特性的等效電力機(jī)車模型，該模型以機(jī)車出廠測(cè)試報(bào)告或?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，達(dá)到簡(jiǎn)化建模過(guò)程的目的；其次，為了使分析過(guò)程更全面，提出了結(jié)合電力機(jī)車的車型、工況、數(shù)量組合三個(gè)維度的仿真場(chǎng)景設(shè)置方案；最后，以深茂鐵路為例，對(duì)廣東省某牽引站帶不同電力機(jī)車場(chǎng)景進(jìn)行詳細(xì)的電能質(zhì)量評(píng)估，有效分析了電氣化鐵路接入對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。

電能質(zhì)量； 電氣化鐵路； PSCAD/EMTDC； 仿真模型； 評(píng)估

1 引言

近年來(lái)，隨著電氣化鐵路的快速發(fā)展，電氣化鐵路對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響越來(lái)越引人關(guān)注。電氣化鐵路會(huì)產(chǎn)生大量的諧波和負(fù)序電流[1]，接入電網(wǎng)后將會(huì)對(duì)公共電網(wǎng)的電能質(zhì)量造成嚴(yán)重的負(fù)面影響。因此，對(duì)電氣化鐵路引起的電能質(zhì)量問(wèn)題展開全面分析和詳細(xì)建模評(píng)估具有重要的科研意義與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[2]。

國(guó)內(nèi)學(xué)者已逐步展開對(duì)電氣化鐵路接入電網(wǎng)引起的電能質(zhì)量方面的研究工作。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)電氣化鐵路接入電網(wǎng)的研究多集中于針對(duì)牽引變壓器接線方式[3-5]與電力機(jī)車牽引負(fù)荷的內(nèi)部特性[5-7]進(jìn)行建模分析，并評(píng)估牽引站帶單輛機(jī)車負(fù)荷時(shí)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響[7-9]。然而，目前的研究仍存在如下不足：

(1)目前對(duì)電氣化鐵路的仿真模型搭建主要考慮電力電子電路結(jié)構(gòu)連接以及各種車型所對(duì)應(yīng)的不同控制策略[5-7]，由于電路結(jié)構(gòu)與控制策略具有復(fù)雜性與多樣性，因此其建模仿真過(guò)程比較復(fù)雜，可推廣性不高。

(2)對(duì)電氣化鐵路接入電網(wǎng)引起的電能質(zhì)量評(píng)估的仿真場(chǎng)景不夠全面。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，存在上下兩供電臂各帶多種車型、多種工況、多種數(shù)量組合的機(jī)車負(fù)荷的可能性，然而目前大部分文獻(xiàn)[7-9]均只考慮牽引站帶單輛機(jī)車負(fù)荷進(jìn)行電能質(zhì)量評(píng)估，分析得不夠全面。

針對(duì)上述研究的不足，本文擬提出一種基于國(guó)際公認(rèn)的電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC(Power Systems Computer Aided Design)的電氣化鐵路接入電網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量影響的仿真建模分析方法。首先，本文擬提出基于PSCAD/EMTDC搭建的電氣化鐵路接入電網(wǎng)的仿真模型，所搭建模型主要包括V/v型牽引變壓器、電力機(jī)車、輸電線等，可有效利用電力機(jī)車的出廠測(cè)試報(bào)告數(shù)據(jù)或?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)；其次，為了提高分析全面性，提出結(jié)合電力機(jī)車的車型、工況、數(shù)量組合三個(gè)維度的仿真評(píng)估分析場(chǎng)景；最后以深茂鐵路為例，對(duì)廣東省某牽引站帶不同電力機(jī)車場(chǎng)景進(jìn)行建模與仿真分析，評(píng)估該電氣化鐵路接入對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。

2 電氣化鐵路接入電網(wǎng)仿真模型搭建

文中利用PSCAD/EMTDC對(duì)電氣化鐵路接入電網(wǎng)進(jìn)行建模，重點(diǎn)介紹此模型中最主要的三部分，分別是牽引變壓器、電力機(jī)車和輸電線。

2.1 V/v型牽引變壓器

牽引變電站沿鐵路線路設(shè)置，由區(qū)域變電所或電廠供電，經(jīng)由牽引變壓器將電能供給上、下兩條供電臂。牽引變壓器的負(fù)載特性與普通電力變壓器有很大區(qū)別，主要表現(xiàn)為存在單相負(fù)載、負(fù)載變動(dòng)大、諧波含量高等。

目前，我國(guó)高速鐵路大多采用 V/v型變壓器，該變壓器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容量利用率高等優(yōu)點(diǎn)。從結(jié)構(gòu)上看， V/v接線型變壓器是將兩臺(tái)單相牽引變壓器連接成開口三角形，原邊繞組接入電力系統(tǒng)的AB相與BC相，副邊出線端子分別接到兩組牽引母線，再經(jīng)饋線向兩牽引供電臂供電。由于是兩臺(tái)單相變壓器的串聯(lián)組合，箱體內(nèi)兩臺(tái)單相變壓器的磁路相互獨(dú)立，兩相容量可以相等，也可以不相等。

根據(jù)上述三相 V/v接線型牽引變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在 PSCAD 中使用變壓器元件庫(kù)中兩個(gè)單相雙繞組變壓器對(duì)V/v接線牽引變壓器進(jìn)行仿真，其仿真模型搭建接線圖如圖1所示。

圖1 V/v型牽引變壓器仿真模型Fig.1 Simulation model of V/v type transformer

2.2 電力機(jī)車

電力機(jī)車是電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的主要負(fù)荷，也是諧波和負(fù)序的主要產(chǎn)生源。諧波的存在引起電力系統(tǒng)電壓的畸變，負(fù)序電流則會(huì)引起三相不平衡，因此仿真建模時(shí)需對(duì)電力機(jī)車的功率特性和諧波特性進(jìn)行充分的體現(xiàn)。

目前已有文獻(xiàn)[5-7]對(duì)電力機(jī)車的建模主要考慮電力電子電路結(jié)構(gòu)連接以及對(duì)應(yīng)的控制策略研究，由于電路結(jié)構(gòu)與控制策略具有復(fù)雜性與多樣性，故此類建模方法較復(fù)雜，可推廣性低。

針對(duì)現(xiàn)有建模方法復(fù)雜且大部分電力機(jī)車均有出廠測(cè)試詳細(xì)報(bào)告的現(xiàn)狀，本文提出采用負(fù)荷+諧波源的方式表征電力機(jī)車的功率特性和諧波特性的等效電力機(jī)車模型。其一，PSCAD的恒功率負(fù)荷模型元件可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定其有功功率、無(wú)功功率、電壓以及頻率等參數(shù)特性，因此仿真時(shí)可通過(guò)設(shè)置負(fù)荷模型不同的功率參數(shù)來(lái)表征電力機(jī)車不同工況下的功率特性。其二，利用PSCAD搭建一個(gè)可產(chǎn)生2～25次諧波信號(hào)的諧波電流產(chǎn)生元件；根據(jù)電力機(jī)車的諧波數(shù)據(jù)，可通過(guò)設(shè)置諧波信號(hào)產(chǎn)生元件輸出不同工況下電力機(jī)車的諧波電流數(shù)據(jù)，以此方式表征電力機(jī)車的諧波特性。

本模型以機(jī)車的出廠測(cè)試數(shù)據(jù)或?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用負(fù)荷+諧波源的方式等效替代電力機(jī)車，簡(jiǎn)化建模過(guò)程，增強(qiáng)可推廣性，適合工程應(yīng)用。首先依據(jù)出廠測(cè)試報(bào)告或?qū)崪y(cè)得到電力機(jī)車在不同運(yùn)行工況下所產(chǎn)生的諧波電流數(shù)據(jù)以及對(duì)應(yīng)的功率數(shù)據(jù)；其次，利用PSCAD搭建一個(gè)諧波信號(hào)產(chǎn)生元件，該元件可產(chǎn)生各次諧波信號(hào)，將其諧波電流數(shù)據(jù)輸入至諧波信號(hào)產(chǎn)生元件中，使其以諧波源方式注入至供電臂，并將其對(duì)應(yīng)工況的功率數(shù)據(jù)以負(fù)荷形式注入至供電臂，其仿真模型如圖2所示。

圖2 電力機(jī)車等效仿真模型Fig.2 Equivalent simulation model of electric locomotive

2.3 輸電線

輸電線路包括架空線和電纜，本模型的輸電線路可采用PSCAD中已有元件Coupled Pi Section等效替代，其主要參數(shù)包括頻率、線路長(zhǎng)度以及線路每公里的電阻、電抗、容抗等，其仿真模型如圖3所示。

圖3 輸電線仿真模型Fig.3 Simulation model of transmission line

3 仿真場(chǎng)景設(shè)置分析

針對(duì)目前文獻(xiàn)[7-9]只片面地對(duì)牽引站帶單輛機(jī)車負(fù)荷進(jìn)行電能質(zhì)量評(píng)估而導(dǎo)致分析不夠全面的現(xiàn)狀，本文以深茂鐵路為例，提出了詳細(xì)且全面的仿真評(píng)估分析方案。

在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，存在上下兩供電臂各帶多輛、多種工況、多種車型的機(jī)車負(fù)荷的可能性，因此本方案綜合考慮了電力機(jī)車的車型、工況、數(shù)量組合三個(gè)維度，考慮所有存在出現(xiàn)可能性的場(chǎng)景，彌補(bǔ)了現(xiàn)有文獻(xiàn)僅對(duì)單輛機(jī)車進(jìn)行評(píng)估故分析不全面的缺陷。以深茂鐵路為例，本方案所考慮的車型、工況、數(shù)量組合如下：

(1)電力機(jī)車車型。在我國(guó)，現(xiàn)階段主要運(yùn)行的客車為動(dòng)車組(CRH型8輛編組)，具有少量SS9機(jī)車，貨車為HXD3，故仿真時(shí)牽引負(fù)荷分為CRH型8輛編組、SS9機(jī)車、HXD3系列貨物列車三種類型。根據(jù)電力機(jī)車出廠測(cè)試數(shù)據(jù)可知，SS9機(jī)車額定功率為4800kW，功率因數(shù)為0.85；CRH系列動(dòng)車組8輛編組類型的額定功率為5500kW，功率因數(shù)為0.98；HXD3系列貨物列車的額定功率為7200kW，功率因數(shù)為0.98。

(2)電力機(jī)車工況。每種車型均取其5種典型工況作為典型代表進(jìn)行仿真分析，分別為啟動(dòng)工況、高功率工況、中功率工況、低功率工況和制動(dòng)工況，涵蓋了電力機(jī)車所有可能出現(xiàn)的功率范圍。其中，電力機(jī)車運(yùn)行時(shí)的額定功率工況定義為高功率工況，按牽引功率大小往下可分為中功率工況和低功率工況；啟動(dòng)工況的功率約為1.5倍額定功率，機(jī)車在制動(dòng)工況時(shí)向系統(tǒng)倒送功率，倒送功率值約為0.5倍額定功率。

(3)電力機(jī)車數(shù)量組合?？紤]牽引變電站不帶機(jī)車，以及上下行供電臂帶不同數(shù)量機(jī)車的情況。以A0B0表示上行、下行線路不帶機(jī)車，A2B1表示上行帶2輛機(jī)車，下行帶1輛機(jī)車，以此類推。根據(jù)本實(shí)例牽引變壓器容量與實(shí)際運(yùn)行規(guī)劃，設(shè)定極限情況為A2B2，共有6種組合情況。另外，根據(jù)列車運(yùn)行的規(guī)定，同一供電臂上不可能出現(xiàn)2輛電力機(jī)車同時(shí)處于啟動(dòng)工況或制動(dòng)工況，因此下文在分析啟動(dòng)工況和制動(dòng)工況時(shí)設(shè)定極限情況為A1B1。

綜上所述，對(duì)電氣化鐵路引起的電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行全面分析時(shí)，需要結(jié)合車型、工況、數(shù)量組合三個(gè)維度，本文取深茂鐵路其中的典型場(chǎng)景進(jìn)行分析。

4 實(shí)例分析

電氣化鐵路負(fù)荷具有不對(duì)稱、非線性和波動(dòng)性的特點(diǎn)，所產(chǎn)生的電能質(zhì)量問(wèn)題集中于電壓偏差、諧波和負(fù)序上，因此需對(duì)電氣化鐵路接入引起的電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)的建模仿真以及評(píng)估分析。

4.1 仿真條件

在仿真建模過(guò)程前，首先對(duì)深茂鐵路仿真條件進(jìn)行分析，包括評(píng)估內(nèi)容及電氣連接方式。

(1)評(píng)估內(nèi)容。對(duì)牽引站帶不同機(jī)車負(fù)荷組合場(chǎng)景下在110kV變電站110kV側(cè)連接點(diǎn)產(chǎn)生的電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)的評(píng)估分析，評(píng)估分析內(nèi)容包括電壓偏差、三相電壓不平衡、諧波等。

(2)電氣連接方式。該牽引站110kV側(cè)出線1 回接入110kV 變電站，線路長(zhǎng)度約為5.65km，其中架空線路全長(zhǎng)1.35km，型號(hào)為JL/LB1A-240/30，電纜線路全長(zhǎng)4.3km，型號(hào)為YJLW03-Z 64/110-1×500mm2。該牽引站采用110/27.5kV三相V/v接線變壓器，容量為(16+16)MV·A，牽引供電系統(tǒng)采用單相工頻25kV交流制，經(jīng)三相V/v變壓器變壓后引出上下行兩條供電臂，供電臂帶電力機(jī)車，牽引站接入系統(tǒng)示意圖如圖4所示，仿真模型如圖5所示。

圖4 廣東省某牽引變電站接入系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of one traction substation of Guangdong province accessing power grid

4.2 電壓偏差

由于同種機(jī)車負(fù)荷的功率越高，其產(chǎn)生的電壓偏差越大，故高功率工況、中功率工況、小功率工況中只取高功率工況進(jìn)行分析，本節(jié)分別取三種電力機(jī)車的啟動(dòng)工況、高功率工況、制動(dòng)工況為例進(jìn)行研究。在不同仿真場(chǎng)景下，110kV變電站110kV母線側(cè)產(chǎn)生的電壓偏差情況如表1所示。

根據(jù)表1的仿真結(jié)果可知：①當(dāng)電力機(jī)車處于啟動(dòng)工況、高功率工況時(shí)，機(jī)車從電網(wǎng)吸收功率，導(dǎo)致在變電站110kV母線產(chǎn)生的電壓偏差為負(fù)值，并網(wǎng)點(diǎn)的電壓下降；②當(dāng)電力機(jī)車處于制動(dòng)工況時(shí)，機(jī)

圖5 廣東省某牽引站接入系統(tǒng)仿真模型Fig.5 Simulation model of one traction substation of Guangdong province accessing power grid

機(jī)車類型組合情況電壓偏差(%)啟動(dòng)工況高功率工況制動(dòng)工況SS9機(jī)車CRH動(dòng)車HXD3貨車A0B00.500.500.50A1B0-1.50-0.811.18A1B1-1.94-0.981.18A2B0—-2.28 —A2B1—-2.34 —A2B2—-2.70 —A0B00.500.500.50A1B0-1.26-0.651.08A1B1-1.30-0.671.08A2B0—-1.94 —A2B1—-1.97 —A2B2—-2.02 —A0B00.500.500.50A1B0-1.72-1.031.25A1B1-1.79-1.061.25A2B0—-2.77 —A2B1—-2.84 —A2B2—-2.92 —

車向電網(wǎng)倒送功率，導(dǎo)致在變電站110kV母線產(chǎn)生的電壓偏差為正值，并網(wǎng)點(diǎn)電壓升高；③帶SS9機(jī)車時(shí)供電電壓偏差范圍為-2.70%～+1.18%；帶CRH系列動(dòng)車時(shí)供電電壓偏差范圍為-2.02%～+1.08%；帶HXD3系列貨物列車時(shí)供電電壓偏差范圍為-2.92%～+1.25%。

綜合上述，各種負(fù)荷組合情況下110kV變電站110kV母線電壓正負(fù)偏差絕對(duì)值之和均不超過(guò)標(biāo)稱電壓的10%，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 三相電壓不平衡度

電氣化鐵路單相供電和負(fù)荷的不平衡會(huì)帶來(lái)負(fù)序電流，容易引起公共連接點(diǎn)處的三相電壓不平衡問(wèn)題。國(guó)標(biāo)規(guī)定負(fù)荷引起系統(tǒng)公共連接點(diǎn)三相電壓不平衡度應(yīng)小于1.3%。

由于同種機(jī)車負(fù)荷的功率越高，其產(chǎn)生的三相電壓不平衡度越大，故本節(jié)分別取三種電力機(jī)車的啟動(dòng)工況、高功率工況、制動(dòng)工況為例進(jìn)行研究，不同場(chǎng)景下110kV變電站110kV母線側(cè)三相電壓不平衡度的仿真結(jié)果如表2所示。

由表2仿真結(jié)果可知：①當(dāng)牽引站帶相同的電力機(jī)車數(shù)量組合時(shí)，電力機(jī)車的3種典型工況中，啟動(dòng)工況造成的三相電壓不平衡度最大，高功率工況次之，制動(dòng)工況最??；②當(dāng)牽引站帶相同的電力機(jī)車工況及數(shù)量組合時(shí)，HXD3貨車造成的三相電壓不平衡度最大，CRH動(dòng)車次之，SS9機(jī)車最?。虎郛?dāng)電力機(jī)車運(yùn)行在啟動(dòng)工況時(shí)，僅有SS9機(jī)車的A1B0組合符合國(guó)標(biāo)限值，但也達(dá)1.28%，接近限值1.3%，因此電力機(jī)車在啟動(dòng)工況時(shí)造成的三相電壓不平衡度超標(biāo)情況比較嚴(yán)重；④當(dāng)3種電力機(jī)車運(yùn)行在高功率工況時(shí)，僅在A0B0、A1B0、A1B1數(shù)量組

表2 多個(gè)仿真場(chǎng)景的三相電壓不平衡度情況Tab.2 Unbalance of three-phase voltage of multiple simulation scenes

合時(shí)三相電壓不平衡度符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其余數(shù)量組合均超過(guò)國(guó)標(biāo)限值，其中最大值為HXD3貨車的A2B2組合，達(dá)到了2.69%，超過(guò)國(guó)標(biāo)限值的2倍以上。

綜上所述，電力機(jī)車造成的并網(wǎng)點(diǎn)三相電壓不平衡度超標(biāo)情況比較嚴(yán)重，需要針對(duì)三相電壓不平衡度采取一定的補(bǔ)償或治理措施。

4.4 諧波

電力機(jī)車作為兩相或單相不對(duì)稱諧波負(fù)荷，其產(chǎn)生的諧波電流經(jīng)牽引變壓器變換后為不平衡的三相諧波電流，并直接注入高壓電網(wǎng)公共連接點(diǎn)，易造成公共連接點(diǎn)電壓畸變，需限制其注入電流。

4.4.1 諧波電壓

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T14549-1993《電能質(zhì)量-公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定，110kV電壓等級(jí)的電網(wǎng)電壓總畸變率限值為2%。

由于電力機(jī)車的啟動(dòng)和制動(dòng)工況過(guò)程十分短暫且數(shù)量組合較少，因此本文只以SS9型機(jī)車和CRH型8輛編組動(dòng)車的高、中、低功率工況為例進(jìn)行仿真分析。不同仿真場(chǎng)景下，SS9機(jī)車與CRH型8輛編組動(dòng)車組引起110kV變電站110kV母線側(cè)三相電壓總畸變率仿真結(jié)果分別如圖6和圖7所示。

圖6 SS9機(jī)車不同工況下引起三相電壓 總畸變率仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of total voltage distortion caused by SS9 locomotive in different conditions

圖7 CRH型動(dòng)車不同工況引起三相電壓總畸 變率仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of total voltage distortion caused by CRH locomotive in different conditions

由仿真結(jié)果可知：

(1)帶SS9機(jī)車時(shí)，高功率工況下，僅在A1B0情況下，諧波電壓總畸變率小于2%的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值，其余數(shù)量組合下，諧波電壓總畸變率均超標(biāo)；中功率和低功率工況下，均僅在A1B0、A1B1、A2B0情況下，諧波電壓總畸變率小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值，其余數(shù)量組合下，諧波電壓總畸變率均超標(biāo)。SS9機(jī)車引起的三相電壓畸變率最大值出現(xiàn)在高功率工況下的A2B2情況，其值為4.85%，超過(guò)國(guó)標(biāo)限值2倍以上。

(2)帶CRH動(dòng)車組時(shí)，諧波電壓總畸變率最大值出現(xiàn)在低功率工況的A2B2情況下，其值為0.58%，小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值2%，故所有CRH負(fù)荷情況下諧波電壓總畸變率均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

由上述結(jié)果可知，SS9機(jī)車所帶諧波容易導(dǎo)致110kV變電站110kV側(cè)諧波電壓總畸變率偏高，需要對(duì)其采取一定的限制或治理措施；CRH型8輛編組動(dòng)車所產(chǎn)生的諧波較小，所導(dǎo)致的諧波電壓總畸變率均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

4.4.2 諧波電流

由于篇幅問(wèn)題，本文以諧波電壓總畸變率最高的SS9機(jī)車高功率工況為例，進(jìn)行諧波電流仿真。SS9機(jī)車高功率工況的諧波及功率數(shù)據(jù)如表3所示，將其數(shù)據(jù)輸入至仿真模型中，得到諧波電流仿真結(jié)果，如表4所示。

表3 SS9機(jī)車高功率工況下的諧波及功率數(shù)據(jù)Tab.3 Harmonic and power data of SS9 locomotive in high power condition

表4 接入高功率工況SS9機(jī)車引起的諧波電流仿真結(jié)果Tab.4 Simulation results of harmonic current caused by SS9 locomotive in high power condition

該變電站110kV側(cè)最小短路容量為558MW，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》的規(guī)定，諧波注入電流允許限值換算后如表4所示。

根據(jù)表4可知，帶SS9機(jī)車高功率工況下，所有列車組合的3次諧波均超標(biāo)；除A1B0外，其他列車組合的5次諧波均超標(biāo)；除A1B0、A1B1、A2B0外，其他列車組合的7次諧波均超標(biāo)；除A1B0、A1B1、A2B0外，其他列車組合的9次諧波均超標(biāo)；11次及以上諧波均在標(biāo)準(zhǔn)限值內(nèi)。

綜上所述，SS9機(jī)車會(huì)使并網(wǎng)點(diǎn)產(chǎn)生3、5、7、9次諧波電流超標(biāo)問(wèn)題，因此需要對(duì)其引起的諧波電流問(wèn)題采取對(duì)應(yīng)的限制或治理措施。

5 結(jié)論

(1)本文提出了采用負(fù)荷+諧波源的方式表征電力機(jī)車的功率特性和諧波特性的等效電力機(jī)車模型。該模型以機(jī)車出廠測(cè)試報(bào)告或?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，采用負(fù)荷+諧波源的方式等效替代電力機(jī)車，其建模過(guò)程簡(jiǎn)便，可推廣性強(qiáng)，適合工程應(yīng)用。

(2)本文以深茂鐵路為例，提出了詳細(xì)且全面的仿真評(píng)估分析方案。所提出分析方案將電力機(jī)車結(jié)合車型、工況、數(shù)量組合三個(gè)維度進(jìn)行仿真分析，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比評(píng)估，得到更全面的評(píng)估結(jié)果。

(3)本文對(duì)深茂鐵路牽引站在變電站110kV母線側(cè)引起的電壓偏差、三相電壓不平衡、諧波等電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估結(jié)論如下：

1)電壓偏差。在多種不同的仿真場(chǎng)景下，牽引站帶電力機(jī)車在并網(wǎng)點(diǎn)所產(chǎn)生的電壓偏差均在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值內(nèi)。

2)三相電壓不平衡。3種電力機(jī)車造成的并網(wǎng)點(diǎn)三相電壓不平衡度超標(biāo)情況均比較嚴(yán)重，其中最大值為HXD3貨車的A2B2組合，達(dá)到了2.69%，超過(guò)國(guó)標(biāo)限值的2倍以上，需要采取一定的針對(duì)性治理措施。

3)諧波電壓。當(dāng)牽引站帶SS9機(jī)車數(shù)量超過(guò)1輛時(shí)，有導(dǎo)致諧波電壓總畸變率超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)，需要對(duì)其進(jìn)行治理；當(dāng)牽引站帶CRH型8列動(dòng)車時(shí)，其諧波電壓總畸變率均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

4)諧波電流。深茂鐵路運(yùn)行時(shí)將會(huì)導(dǎo)致該牽引站接入電網(wǎng)處存在3、5、7、9次諧波電流超標(biāo)的問(wèn)題，需要對(duì)其采取對(duì)應(yīng)限制或治理措施。

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An evaluation method of power quality about electrified railways connected to power grid based on PSCAD/EMTDC OUYANG Sen, LIANG Wei-bin

(Key Laboratory of Clean Energy Technology of Guangdong Province, School of Electric Power,

South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

The existing modeling process of power quality about electrified railways connected to power grid is complicated and the simulation scene is incomplete, so this paper puts forward a novel evaluation method of power quality based on PSCAD/ETMDC. Firstly, a model of power quality about electrified railways connected to power grid is established, which is based on measured data. The equivalent model of electrified locomotive contains power characteristic and harmonic characteristic, which are substituted by load and harmonic source. Secondly, in order to make evaluation more complete, an analysis scheme has been put forward. The scheme uses a combination of three-dimensions of electric locomotive, which contains types, working conditions and quantity. At last, Shenmao Railway is taken as example to evaluate the power quality at different scenes, and the result shows electrified railways connected to power grid have significant effect on power quality.

power quality; electrified railway; PSCAD/EMTDC; simulation model; evaluation

2015-10-17

廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2016A030313476)

歐陽(yáng)森 (1974-)， 男， 廣西籍， 副研究員， 博士， 研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量分析與控制、 智能電器； 梁偉斌 (1993-)， 男， 廣東籍， 碩士研究生， 研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量分析與控制(通信作者)。

TM743

A

1003-3076(2016)12-0052-07