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        淺析地鐵牽引供電系統(tǒng)對配電網(wǎng)的諧波影響

        2016-12-31 00:00:00龔代海
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2016年30期

        摘 要:大規(guī)模的城市軌道交通供電系統(tǒng)經(jīng)由電力電子元件接入城市配電網(wǎng),給城市電力系統(tǒng)的分析研究帶來了一些新的諧波問題。針對城市軌道交通供電系統(tǒng)中最具代表性的地鐵牽引供電系統(tǒng),準(zhǔn)確分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),掌握其諧波分布情況,并采取相應(yīng)的諧波措施抑制,為城市配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了理論參考。

        關(guān)鍵詞:地鐵牽引供電系統(tǒng);配電網(wǎng);諧波;抑制

        引言

        地鐵作為目前世界上最為便捷高效的一種城市交通工具,一般直接由城市配電網(wǎng)為其提供電能。由于我國地鐵采用直流750V或1500V的供電制式,而城市配電網(wǎng)提供的是交流電源,因此需要安裝整流裝置,用以實(shí)現(xiàn)交、直流電源的可靠轉(zhuǎn)換。不僅如此,地鐵機(jī)車上的逆變器還需要將直流電轉(zhuǎn)換成交流電以供給照明、空調(diào)等輔助供電系統(tǒng)。所以在地鐵與配電網(wǎng)的交互過程中,以及地鐵牽引網(wǎng)與機(jī)車進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的過程中,由于大量電力電子元器件之間的耦合作用,產(chǎn)生的諧波給城市配電網(wǎng)帶來了嚴(yán)重的諧波污染,很容易造成配電網(wǎng)發(fā)生事故并危及整個(gè)城市的供電穩(wěn)定和社會秩序[1-3]。在2006年的報(bào)道中就有學(xué)者指出在上海地鐵交通體系中,嚴(yán)重的諧波失真會嚴(yán)重威脅上海配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行[4]。鑒于此,本文就地鐵牽引供電系統(tǒng)對配電網(wǎng)的諧波污染問題進(jìn)行了初步探討。

        1 地鐵牽引供電系統(tǒng)

        我國地鐵供電系統(tǒng)的供電制式主要采用集中式供電,其各個(gè)部分的組成關(guān)系如圖1所示。發(fā)電廠通常設(shè)在距離電力用戶很遠(yuǎn)的地方,能夠產(chǎn)生電能。針對城市軌道交通系統(tǒng)來說,通常將主變電所以上的部分稱為外部公用電網(wǎng),主變電所及以下的部分稱作內(nèi)部牽引供電系統(tǒng),而內(nèi)部系統(tǒng)與外部電網(wǎng)的接口設(shè)在主變電所處。牽引供電系統(tǒng)是內(nèi)部系統(tǒng)重要組成部分,其主要作用是為地鐵機(jī)車提供電能,主要由牽引變電所、饋電線、接觸網(wǎng)、回流線和走行軌道構(gòu)成;而降壓變電所則是為各車站、隧道、車輛段等的動力照明負(fù)荷提供電能。

        2 公共連接點(diǎn)諧波電流允許值的分配原則

        為了抑制諧波污染的對配電網(wǎng)的危害,國標(biāo)GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量 公共電網(wǎng)諧波》對諧波電流限制給出了明確規(guī)定。當(dāng)同一公共連接點(diǎn)連接多個(gè)用戶且公共連接點(diǎn)處的最小短路容量和基準(zhǔn)短路容量不相同時(shí),每個(gè)用戶向電網(wǎng)注入的諧波電流允許值需要根據(jù)每個(gè)用戶在公共連接點(diǎn)的協(xié)議容量和其供電設(shè)備容量之比進(jìn)行分配。第i個(gè)用戶的第n次諧波電流允許值Ini,需按下式確定:

        3 諧波對配電網(wǎng)的危害

        諧波給配電網(wǎng)造成的損害不容小覷,比如諧波電流在配電網(wǎng)的電路上會產(chǎn)生有功功率損耗,這在線路損耗上占了一定比重,而且因?yàn)橹C波電流的頻率是基波頻率的整數(shù)倍,當(dāng)高頻電流流過導(dǎo)體時(shí),會引起導(dǎo)線的集膚效應(yīng)使得諧波電阻大于基波電阻,從而增加了附加線路的損耗,帶來了大量的能量損失。

        不僅如此,諧波也會使得配電網(wǎng)的架空線路產(chǎn)生電暈損耗,因?yàn)橹C波會使電壓峰值超過允許值繼而產(chǎn)生電暈,給架空線路造成威脅。此外電纜輸電系統(tǒng)也會因?yàn)橹C波大大的縮減了使用壽命,因?yàn)橹C波會使電壓波形出現(xiàn)尖峰,從而加快電纜的老化速度。而且諧波對電纜的危害程度會隨著電纜額定電壓的增高而愈發(fā)惡劣。與此同時(shí),電纜的分布電容也會加重諧波對配電網(wǎng)的危害程度,因?yàn)榉植茧娙輹χC波電流產(chǎn)生放大作用。

        諧波帶來的危害還有很多,諸如增大測量儀表的測量誤差;增大旋轉(zhuǎn)電機(jī)、變壓器的附加損耗;對通信設(shè)備產(chǎn)生大量的干擾;影響繼電保護(hù)等自動控制設(shè)備的可靠運(yùn)行等,以及諧波給配電網(wǎng)造成的污染會大大降低供電質(zhì)量,影響其它用電設(shè)備的正常運(yùn)行。

        4 諧波的抑制

        地鐵牽引供電系統(tǒng)的諧波源主要來自于地鐵牽引傳動系統(tǒng)的諧波和動力照明系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波。動力照明系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波通??梢酝ㄟ^在降壓變電所出口處安裝濾波器加以濾除,而常用的濾波裝置通常分為有源濾波器和無源濾波器兩種類型。其中無緣濾波器可分為高通濾波器、單調(diào)諧濾波器及雙調(diào)諧濾波器等,在實(shí)際應(yīng)用中我們通常采用一級高通濾波器和幾組單調(diào)諧濾波器組成混合濾波裝置。有源濾波裝置是近幾年的諧波抑制研究重點(diǎn),主要由指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路組成。有源濾波器克服了無源濾波器等方法的缺點(diǎn),不容易受電網(wǎng)阻抗的影響,減小了和電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振的可能。此外有源濾波裝置的優(yōu)點(diǎn)還有很多,例如能同時(shí)補(bǔ)償頻率和大小都會發(fā)生變化的諧波以及變化的無功功率,即使補(bǔ)償?shù)碾娏鞒^一定范圍,有源濾波器也不會過載,還能同時(shí)正常補(bǔ)償。從經(jīng)濟(jì)節(jié)能的角度出發(fā),往往采用有源濾波器和無源濾波器混合使用的方案,以提高系統(tǒng)的性價(jià)比。

        目前地鐵牽引供電系統(tǒng)對配電網(wǎng)的諧波污染主要通過改進(jìn)換流裝置來達(dá)到抑制的效果。因?yàn)楦叽沃C波電流和整流裝置的脈波數(shù)n有密切的聯(lián)系,所以地鐵中通常采用24脈波整流電路,其注入電網(wǎng)的主要是24k±1(k=1,2,3…)次諧波,最底次為23、25次,可以在極大程度上限制諧波的產(chǎn)生,減小了對城市配電網(wǎng)的諧波污染。但是地鐵實(shí)際運(yùn)行的過程中,還會由于動力照明系統(tǒng)產(chǎn)生一些低次諧波,一般為5次、7次諧波,并且含有11、13、23、25次的高次諧波。所以在實(shí)際的濾波過程中需要考慮多個(gè)濾波器結(jié)合使用,并與動力照明系統(tǒng)的參數(shù)相匹配。關(guān)于換流裝置的分析文獻(xiàn)[5-6]已給出詳細(xì)說明,本文不再贅述。文獻(xiàn)[2]分析了鄭州地鐵1號線列車在運(yùn)行時(shí),采用等值24脈動整流系統(tǒng)會減小向城市配電網(wǎng)(110kV主變電所)注入的諧波含量,符合國家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量 公共電網(wǎng)諧波》的要求。但實(shí)時(shí)監(jiān)測表明當(dāng)?shù)罔F牽引供電系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)故障或者遇到雷擊等自然災(zāi)害甚至發(fā)生諧振時(shí),地鐵牽引供電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波會同原有的諧波相疊加,給配電網(wǎng)造成極大的危害。

        參考文獻(xiàn)

        [1]姚猛.鄭州城市軌道交通供電模式及諧波分析[D].鄭州大學(xué),2012.

        [2]金照盈.城市軌道交通供電系統(tǒng)諧波分析及對配網(wǎng)的影響研究[D].鄭州大學(xué),2014.

        [3]Monem O A. Power Quality Improvement for Egypt Subway Electrical Network[J]. 2015.

        [4]Pan Y, Gui Q, Tian Y. Study of the effect on harmonics in shanghai grid caused by subway transportation connecting into the grid[C]// China International Conference on Electricity Distribution. 2006:CP0590-CP0590.

        [5]艾兵.地鐵牽引供電系統(tǒng)建模及其對公共電網(wǎng)影響的研究[D].西南交通大學(xué),2010.

        [6]王乃永,官瀾,李靜,等.地鐵牽引供電系統(tǒng)對公網(wǎng)諧波影響仿真研究[J].陜西電力,2010,38(4):30-33.

        作者簡介:龔代海(1987-),男,重慶人,工程師,本科,主要從事城市軌道交通供電系統(tǒng)、鐵道供電系統(tǒng)施工管理工作。

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