趙振元

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關(guān)于尼日利亞電氣化鐵路建設(shè)的思考

趙振元

針對尼日利亞電網(wǎng)現(xiàn)狀，就電氣化鐵路負(fù)荷對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性造成的影響進(jìn)行了分析，并針對在尼日利亞建設(shè)電氣化鐵路給出了建議。

尼日利亞鐵路；電氣化鐵路負(fù)荷；電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性；系統(tǒng)容量

0 引言

鐵路是國民經(jīng)濟(jì)的大動脈，電氣化鐵路已成為鐵路運(yùn)輸現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一。電力機(jī)車相比傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)車具有較高的牽引定數(shù)，其整備及啟動時間比其他類型機(jī)車短，可以大幅提高鐵路的運(yùn)輸能力。長久以來，鐵路交通在尼日利亞發(fā)展較慢，尼日利亞主要有2條鐵路線，西南—東北線和東南—西北線，均為非現(xiàn)代化鐵路。目前，該國的鐵路只能提供最低程度的交通運(yùn)輸服務(wù)，嚴(yán)重制約了旅客運(yùn)送和貨物運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展。

阿卡鐵路是中企在海外建設(shè)的第一條完全采用中國鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)代化鐵路，為預(yù)留電氣化標(biāo)準(zhǔn)鐵路。該鐵路為單線鐵路，于2016年6月試運(yùn)營，2017年7月開始臨管運(yùn)營。在試運(yùn)營期間，每日運(yùn)送乘客近1 400人，客流量還在逐年增加。從該鐵路的設(shè)計、建設(shè)及運(yùn)營情況可看出，尼政府及民眾對現(xiàn)代電氣化鐵路充滿期望。

尼日利亞的電力基礎(chǔ)落后，電網(wǎng)運(yùn)行狀況較差，在較短時間內(nèi)改變其電力工業(yè)現(xiàn)狀具有一定難度。尼日利亞電氣化鐵路一直處于空白狀態(tài)，雖然尼日利亞政府對其電力工業(yè)采取了多種改革措施，但全國電力系統(tǒng)設(shè)備使用率仍不足一半，電力工業(yè)發(fā)展非常緩慢。從目前尼日利亞電網(wǎng)容量、規(guī)模和現(xiàn)代化程度等情況來看，其為現(xiàn)代化的電氣化鐵路供電并保證電力及牽引供電系統(tǒng)穩(wěn)定正常運(yùn)行比較困難。由于尼日利亞電力電網(wǎng)容量及規(guī)模較小，若將電氣化鐵路這種具有明顯特點(diǎn)的負(fù)荷接入電網(wǎng)，勢必會對電網(wǎng)的電能質(zhì)量及電力系統(tǒng)穩(wěn)定性造成影響。

1 電氣化鐵路負(fù)荷對電網(wǎng)可能造成的影響

電氣化鐵路負(fù)荷具有非線性、單相獨(dú)立及不對稱性、負(fù)荷波動大等特點(diǎn)，會對電網(wǎng)運(yùn)行造成影響。目前電力牽引機(jī)車主要有直流電機(jī)機(jī)車和交流電機(jī)機(jī)車，分別通過交直全波整流和交直交變頻整流實(shí)現(xiàn)取流和調(diào)速控制。整流式電力機(jī)車是典型的非線性負(fù)荷，其運(yùn)行時牽引供電系統(tǒng)將向電力系統(tǒng)注入高次諧波分量。一般電氣化鐵路采用單相制，相對于三相電力系統(tǒng)而言，牽引電力負(fù)荷呈現(xiàn)出獨(dú)立性和不對稱性，破壞了電力系統(tǒng)的三相對稱性，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)較大的負(fù)序電流。電氣化鐵路作為單相整流型負(fù)荷使電力系統(tǒng)中出現(xiàn)較多的諧波分量和負(fù)序分量，對電網(wǎng)的電能質(zhì)量造成了嚴(yán)重的影響。對于負(fù)序分量，一般可通過使用特殊接線牽引變壓器以及牽引變電所換相連接等措施降低負(fù)序影響；對于諧波分量，一般可采用改進(jìn)換流裝置和設(shè)置濾波裝置2種方法減小諧波影響。

電氣化鐵路負(fù)荷的非線性、單相獨(dú)立性及不對稱性對電網(wǎng)電能質(zhì)量造成的影響可以通過改變或改進(jìn)牽引供電系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)或設(shè)備進(jìn)行抑制或降低。但是，負(fù)荷的波動對于電力系統(tǒng)來說屬于一種硬特性，電力牽引負(fù)荷波動性極大，電力機(jī)車電流很難保持平穩(wěn)，機(jī)車行駛過程中通常涉及多種運(yùn)行工況，加之運(yùn)行中司機(jī)操作、不同路況等因素的影響，牽引負(fù)荷隨機(jī)波動性強(qiáng)，有時甚至在短時間內(nèi)突然由零變?yōu)闈M負(fù)荷或相反，對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性造成影響。在我國，由于電力工業(yè)發(fā)展迅速，區(qū)域電網(wǎng)的容量和規(guī)模較大，一般電氣化鐵路對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響非常小或幾乎不會造成影響。

對于現(xiàn)代化高速鐵路，其負(fù)荷容量和波動性相比一般電氣化鐵路更大，需要在容量、規(guī)模、穩(wěn)定性等方面制定配套的電力系統(tǒng)方案，才可減小甚至避免高鐵負(fù)荷對電網(wǎng)穩(wěn)定性造成的影響。

電氣化鐵路對電力系統(tǒng)可靠性要求高，對于容量、規(guī)模較小，現(xiàn)代化和穩(wěn)定性水平不高的電力系統(tǒng)，普通電氣化鐵路負(fù)荷就有可能對電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成影響。

2 電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性

電力系統(tǒng)的穩(wěn)定是電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的基本條件，按可承受擾動程度的大小，一般分為靜態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定2大類。對于電力牽引負(fù)荷，尤其是對于尼日利亞這類電力工業(yè)十分落后的國家，在考慮其運(yùn)輸需求量和效益比的前提下，即使現(xiàn)在在尼日利亞建設(shè)一條電氣化鐵路，其里程數(shù)和規(guī)模也不會很大，電力牽引系統(tǒng)的總?cè)萘恳草^小，所以，電氣化鐵路負(fù)荷的波動并不會造成電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)或參數(shù)產(chǎn)生過大的變化，對系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性幾乎不會造成影響。因此，可將電力牽引負(fù)荷波動對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響歸結(jié)為電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性來分析。

電力系統(tǒng)在受到很小擾動的情況下將出現(xiàn)暫態(tài)過程，暫態(tài)過程可出現(xiàn)2種不同的結(jié)果：一種是經(jīng)過暫態(tài)過程后系統(tǒng)仍可恢復(fù)到擾動前的運(yùn)行狀況；另一種是在擾動后系統(tǒng)發(fā)生較大變化而偏離了擾動前的運(yùn)行狀況，甚至造成與發(fā)電機(jī)之間失去同步。對于第一種情況，系統(tǒng)是靜態(tài)穩(wěn)定的，而后者則是靜態(tài)不穩(wěn)定的。

目前，尼日利亞電力工業(yè)基礎(chǔ)落后，電網(wǎng)規(guī)模小，電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度低，在分析電氣化鐵路負(fù)荷對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響時，可將整個系統(tǒng)簡化為一個簡單的單機(jī)系統(tǒng)（電氣化鐵路負(fù)荷端）進(jìn)行分析。如圖1所示，將外部電力系統(tǒng)（不向電氣化鐵路供電的系統(tǒng)）等效為一無窮大系統(tǒng)，即虛線機(jī)組B，將向電氣化鐵路供電的機(jī)組等效為機(jī)組A。機(jī)組A通過升壓變壓器、雙回輸電線路向負(fù)荷供電，節(jié)點(diǎn)C為電氣化鐵路等效接入點(diǎn)，其節(jié)點(diǎn)電壓大小及相角均保持不變。

對于圖1所示的簡單電力系統(tǒng)，沿輸電線路輸送的功率完全取決于該發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子角度。送端機(jī)組為隱極機(jī)，現(xiàn)將送端發(fā)電機(jī)組等效為經(jīng)典二階模型，即發(fā)電機(jī)組在某一電抗后的內(nèi)電勢保持恒定，忽略系統(tǒng)中各元件電阻和線路電容時，功率特性方程為

式中，XdS為發(fā)電機(jī)、變壓器和輸電線路電抗的總和。

圖2所示為功率特性曲線。T為發(fā)電機(jī)組原動機(jī)的機(jī)械功率，0為電氣化鐵路負(fù)荷消耗的有功功率。當(dāng)送端發(fā)電機(jī)組為受端電氣化鐵路系統(tǒng)供電時，T=0，此時系統(tǒng)會有2種不同的運(yùn)行工況（運(yùn)行點(diǎn)和），在這2種運(yùn)行工況下，原動機(jī)機(jī)械功率與發(fā)電機(jī)發(fā)出功率平衡，系統(tǒng)能夠恒定輸送功率。但當(dāng)受到小擾動干擾時，運(yùn)行點(diǎn)在暫態(tài)過程后能自動恢復(fù)到穩(wěn)定暫態(tài)，而運(yùn)行點(diǎn)則不能。一般稱點(diǎn)為系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)，點(diǎn)為靜態(tài)不穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)，點(diǎn)為靜態(tài)穩(wěn)定臨界運(yùn)行點(diǎn)，因此，要求電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行工況和事故后的穩(wěn)定運(yùn)行工況均必須是靜態(tài)穩(wěn)定的。

圖2 簡單電力系統(tǒng)功率特性曲線

根據(jù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性理論，對于簡單電力系統(tǒng)，功率特性曲線（圖2）上升部分的各運(yùn)行點(diǎn)（即0點(diǎn)與點(diǎn)之間的所有運(yùn)行點(diǎn)），系統(tǒng)均處于靜態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)一套簡單電力系統(tǒng)建設(shè)完成后，通過電力系統(tǒng)本身內(nèi)部的控制調(diào)節(jié)，可以使系統(tǒng)運(yùn)行在靜態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)，因此，簡單電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)與負(fù)荷擾動情況并無很大關(guān)系，主要取決于電力系統(tǒng)本身的參數(shù)及控制調(diào)節(jié)情況。

為保證電力系統(tǒng)安全、可靠地運(yùn)行，不但要求其正常運(yùn)行工況及事故后的穩(wěn)定運(yùn)行工況是靜態(tài)穩(wěn)定的，而且還要求在這2種運(yùn)行工況下均具有一定的靜態(tài)穩(wěn)定儲備。穩(wěn)定儲備大小一般通過正常運(yùn)行工況下的運(yùn)行參數(shù)與穩(wěn)定極限運(yùn)行工況下響應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)的差值來反映，如可以利用功率來反映靜態(tài)穩(wěn)定儲備系數(shù)，即

式中，max為電力系統(tǒng)極限傳輸功率，其表達(dá)式為

正常運(yùn)行工況下要求靜態(tài)穩(wěn)定儲備系數(shù)不小于15%，簡化式（1）可得

根據(jù)式（2）可知，電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定儲備系數(shù)與系統(tǒng)的功角有一定關(guān)系。

3 靜態(tài)穩(wěn)定儲備系數(shù)的影響因素

發(fā)電機(jī)的勵磁電勢相角和端電壓相角之間存在相角差，該相角差與系統(tǒng)輸送的功率密切相關(guān)，因此稱該相角差為系統(tǒng)的功角。功角對于研究同步電機(jī)的功率變化和運(yùn)行的穩(wěn)定性具有重要意義，是表征同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和判別電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要參量。簡單電力系統(tǒng)相量圖如圖3所示。

圖3 簡單電力系統(tǒng)相量圖

牽引供電系統(tǒng)消耗的有功功率0為

0=0· cos

式中，0為牽引供電系統(tǒng)容量，cos為牽引供電系統(tǒng)功率因數(shù)。

牽引變電所容量的計算需要以下原始資料：通過區(qū)段的每日列車對數(shù)，列車通過牽引變電所兩邊供電分區(qū)的行走時分、給電行走時分和能耗，線路資料等。例如，當(dāng)牽引變電所使用三相YNd11變壓器變電，各列車負(fù)荷功率因數(shù)相等時，該變壓器的容量取決于重負(fù)載繞組的電流，則有

由以上分析可知，牽引供電系統(tǒng)是否對為其供電的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性造成影響，以及所造成的影響程度，均取決于電力系統(tǒng)容量結(jié)構(gòu)參數(shù)和牽引供電系統(tǒng)容量參數(shù)以及二者的比值關(guān)系。電力系統(tǒng)容量越大，二者比值越小，牽引供電負(fù)荷正常波動對電網(wǎng)穩(wěn)定造成的影響越小。若電力系統(tǒng)容量規(guī)模不足，電氣化鐵路負(fù)荷勢必影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)語

作為非洲最大石油生產(chǎn)國、第二大經(jīng)濟(jì)體，擁有1.6億人口的尼日利亞是非洲人口最多的國家，但用電情況卻非常不如人意。在未來幾年內(nèi)，尼日利亞電力建設(shè)及運(yùn)營情況可能會有所改善，但目前情況來看，尼日利亞國內(nèi)并沒有理想的送電系統(tǒng)或區(qū)域電網(wǎng)能夠?yàn)橐粭l電氣化鐵路供電，如果在該國興建一條電氣化鐵路，勢必對現(xiàn)有電網(wǎng)系統(tǒng)造成一定影響。建議該國首先有針對性地籌劃建設(shè)發(fā)電廠及輸電線路以向牽引供電系統(tǒng)供電，在依據(jù)電氣化鐵路的規(guī)格、運(yùn)量等具體參數(shù)確定牽引供電系統(tǒng)容量及變電所數(shù)量和位置之后，再制定電力系統(tǒng)的容量、結(jié)構(gòu)等具體建設(shè)參數(shù)，以保證電氣化鐵路負(fù)荷沖擊不對電網(wǎng)的靜態(tài)穩(wěn)定性造成影響。鑒于目前尼日利亞的實(shí)際情況，電力改革需一段較長時間，電氣化鐵路供電系統(tǒng)的歸屬、管理、運(yùn)營等問題也有待商榷。

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With regards to the current conditions of power grid of Nigeria, with considerations of influences to the power supply system stability caused by the electrified railways, suggestions are given to the building of the electrified railway in Nigeria.

Nigerian railway; electrified railway load; static stability of electric power system; system capacity

U227+.2

B

1007-936X(2018)02-0088-03

2017-05-02

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.02.023

趙振元.中國土木工程集團(tuán)有限公司，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動化。