漆家煒　夏欣倩　董惠婷　沈云

[摘要]隨著電氣化鐵路的普及以及風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展，我國較多地區(qū)電網(wǎng)將出現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電與牽引負荷并存的局面。與此同時，牽引負荷帶來的風(fēng)電機組脫網(wǎng)問題在境內(nèi)已經(jīng)發(fā)生多起。本文在當(dāng)前研究顯示的牽引負荷影響因素：負序電流、諧波等基礎(chǔ)上，結(jié)合MATLAB/Simulink中風(fēng)電場平均值模型，仿真并分析了牽引負荷造成的負序電流和諧波對風(fēng)電機組運行的影響。最后對上述諧波與負序電流的改善給出相關(guān)建議。

[關(guān)鍵詞]牽引負荷；風(fēng)電場平均值模型；諧波；負序電流；simulink

“十一五”期間我國鐵路將建成新線1.7萬公里，2010年全國鐵路營業(yè)里程將達9萬公里以上，其中電氣化率達45%以上。根據(jù)《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》。到2020年中國鐵路營業(yè)里程將達到12萬公里，電氣化鐵路總里程將達到一半。而在能源緊缺與環(huán)境惡化的雙重壓力下，世界可再生能源發(fā)展迅速，其中技術(shù)較為成熟的當(dāng)屬風(fēng)電。隨著電氣化鐵路的普及以及風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展，我國較多地區(qū)電網(wǎng)將出現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電與牽引負荷同時并存的局面。牽引負荷屬于大功率單相整流負荷，諧波含量豐富，投入電網(wǎng)會產(chǎn)生深遠影響。由于負荷的劇烈波動性和隨機性以及牽引供電回路的不平衡性，目前實際電網(wǎng)已出現(xiàn)牽引負荷帶來的風(fēng)電機組脫網(wǎng)的問題。本文利用MATLAB/simulink中風(fēng)電場平均模型，研究牽引負荷對風(fēng)電場運行特性的影響，并提出相應(yīng)整改措施及建議。

1模型及仿真系統(tǒng)

1.1風(fēng)電機組與風(fēng)電場模型

基于DFIG的變速風(fēng)電機組模型目前在風(fēng)電機組并網(wǎng)研究中使用較多，DFIG其轉(zhuǎn)子與定子間接有變流器，通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

研究中，由于研究內(nèi)容為牽引負荷對風(fēng)電場整體影響，并不關(guān)心風(fēng)電場內(nèi)部潮流分布，可將多臺風(fēng)電機組并列運行視為風(fēng)電場。

1.2牽引負荷模型

電力系統(tǒng)負荷分為常規(guī)負荷及特殊負荷，其中特殊負荷包括廣義負荷及沖擊性負荷（如煉鋼、硅鐵及電解鋁負荷等）。文獻采用“感應(yīng)電動機并聯(lián)牽引電機和恒阻抗”的負荷模型描述牽引供電系統(tǒng)，文獻給出了韶山的SS8型電力機車主電路及數(shù)學(xué)模型。牽引負荷屬于電力系統(tǒng)特殊負荷，模型結(jié)構(gòu)的確定是當(dāng)前特殊負荷建模的難點。不同類型沖擊性負荷的物理特性差異較大，其模型結(jié)構(gòu)也存在較大的差異。即使對于同一類型的特殊負荷，其模型結(jié)構(gòu)目前也存在爭議。

本次研究中并未涉及詳細牽引負荷建模，而是根據(jù)現(xiàn)有的一些研究：（1）電氣化鐵路供電系統(tǒng)所產(chǎn)生的負序電流對沿途的風(fēng)電場風(fēng)電機組產(chǎn)生影響；（2）電氣化鐵路諧波對電力系統(tǒng)產(chǎn)生影響等采用等效思想，主要分析牽引負荷所引起的負序電流和諧波等問題，結(jié)合Simulink仿真來研究對風(fēng)電場影響。對于負序電流影響，采用簡單的三相不對稱阻感性負載模擬；對于諧波影響，采用向DFIG網(wǎng)側(cè)變流器中A、C相分別注入3、5次諧波模擬。

1.3仿真系統(tǒng)

本文的研究對象是牽引負荷特性對沿途風(fēng)電場的影響，采取的是基于MATLAB中附帶的風(fēng)電場平均模型進行仿真研究，考慮各影響因素下進行模擬仿真，并未對應(yīng)于實際電力系統(tǒng)。在Simulink中該模型可利用語句power_wind_dfig_avg直接調(diào)用，6臺1.5MW風(fēng)電機組構(gòu)成的風(fēng)電場通過B575母線接入主變升壓并入無窮大電網(wǎng)，

2牽引負荷的負序電流對風(fēng)電場運行的影響

與常規(guī)負荷相比，牽引負荷具有劇烈波動性和隨機性以及牽引供電回路的不平衡性，導(dǎo)致電網(wǎng)出現(xiàn)不對稱的負序和零序電流。因主變大都采用Yd11接線，零序電流無法流通到風(fēng)電機組。故只有負序。模型仿真結(jié)構(gòu)示意圖與simulink模型圖分別如圖2所示。

三相不對稱負載將導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機定子繞組中產(chǎn)生負序電流，使得發(fā)電機氣隙中建立相對于轉(zhuǎn)子2倍速的負序旋轉(zhuǎn)磁場，因此在轉(zhuǎn)子繞組、阻尼繞組以及轉(zhuǎn)子鐵芯等部件感應(yīng)出100Hz的倍頻電流。該電流很可能灼傷轉(zhuǎn)子上電流密度較大的部位。此外，負序旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子電流之間以及正序氣隙旋轉(zhuǎn)磁場與定子負序電流之間所產(chǎn)生的100Hz交變電磁轉(zhuǎn)矩，將同時作用在轉(zhuǎn)子大軸和定子機座上，從而引起100Hz的振動，威脅電機的安全。

負序電流注入風(fēng)電機組，導(dǎo)致風(fēng)電機組出力與正常時顯示出不同。仿真結(jié)果如圖3、4所示。研究發(fā)現(xiàn)：正常即三相平衡時，機組輸出的有功和無功功率較平緩，而在接入三相不對稱負載后，機組輸出的有功功率和無功功率均出現(xiàn)倍頻波動。3牽引負荷的諧波對風(fēng)電場運行的影響

牽引負荷為大功率單相整流負荷，屬于電網(wǎng)中典型的不對稱諧波源，其諧波含量豐富，以3、5、7次諧波為主。在電鐵運行過程中，其產(chǎn)生的不平衡諧波主要以電流形式存在。為此，在simulink模型仿真中，設(shè)定v次電流諧波表示為：

注入風(fēng)機網(wǎng)側(cè)變流器A、C相的3、5次諧波電流仿真如圖5所示。其中諧波電流源大小考慮到負序電流從系統(tǒng)注入風(fēng)機經(jīng)過變壓器發(fā)生變化，可在網(wǎng)側(cè)將負序電流設(shè)定為400A。仿真結(jié)果：

4結(jié)論

本文基于牽引負荷帶來的風(fēng)電機組脫網(wǎng)的問題，在當(dāng)前研究的牽引負荷影響因素負序電流、諧波等基礎(chǔ)上，結(jié)合MATLAB/Simulink中風(fēng)電場平均值模型，仿真分析了牽引負荷造成的負序電流和諧波對風(fēng)電機組運行的影響。結(jié)果表明牽引負荷帶來的諧波使風(fēng)電場低壓母線電流出現(xiàn)波動，其負序電流對風(fēng)電機組輸出功率有較大影響。

基于諧波造成的影響，建議在電力機車牽引站母線上裝設(shè)靜止無功補償設(shè)備SVC，利用其濾波功能對大功率單相整流負荷帶來的諧波加以改善。同時可以改善負序電流對風(fēng)電機組的影響。此外，建議鐵路部門在修繕鐵路時，適當(dāng)偏離大規(guī)模并網(wǎng)的風(fēng)電場，避免相近地點大功率牽引負荷與風(fēng)電場同時接入電網(wǎng)，從根本上避免牽引負荷引起風(fēng)電機組脫網(wǎng)問題。

[責(zé)任編輯：王偉平]