葉樹平，杜嚴(yán)行

（國網(wǎng)寧夏電力有限公司寧東供電公司，寧夏 銀川 750411）

0 引言

為廣大用戶提供具有合格電壓質(zhì)量（滿足國家標(biāo)準(zhǔn)）的電能是供電企業(yè)的基本任務(wù)，然而隨著科技的快速發(fā)展及大量非線性負荷的接入，對電力系統(tǒng)供電電壓產(chǎn)生了不容忽視的影響，尤其是生產(chǎn)過程或工藝具有“高、精、尖”特征的用戶，由于其對電壓質(zhì)量敏感性高，異常的供電電壓可能導(dǎo)致產(chǎn)品或者物料報廢，造成重大經(jīng)濟損失，因此必須關(guān)注供電電壓質(zhì)量。其中諧波電流和負序電流是影響電網(wǎng)電壓質(zhì)量的一個重要因素，而電鐵牽引系統(tǒng)是主要的諧波源［1-4］。為了從源頭上限制諧波，國內(nèi)外學(xué)者針對電鐵牽引系統(tǒng)進行了大量的研究，并提出了一系列限制諧波的措施，并且這些措施在電鐵牽引系統(tǒng)中得到了大量的應(yīng)用，可是不論采取什么措施都不能完全消除諧波，而鐵路又是國家重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施和重大民生工程，截至2020 年底全國鐵路營業(yè)里程更是達到了14.63 萬km，而且這個數(shù)字還在不斷增加，與之相應(yīng)的電鐵牽引變電站也在不斷增加。

如何“協(xié)調(diào)”電鐵牽引系統(tǒng)與電網(wǎng)中其他“高、精、尖”用戶更好地“和諧相處”成為電網(wǎng)公司的一大難題［5-6］，通過對某地區(qū)電網(wǎng)電壓波動現(xiàn)象進行分析，得出電力系統(tǒng)短路容量的大小也是影響電網(wǎng)電壓穩(wěn)定運行的一個重要因素。

1 電鐵牽引供電系統(tǒng)原理及其負荷性質(zhì)

1.1 電鐵牽引供電系統(tǒng)原理

鐵路牽引供電系統(tǒng)主要由牽引變電所、接觸網(wǎng)、回流線及火車鋼軌組成，牽引變電所從地區(qū)電網(wǎng)引入電源，然后通過主變壓器將電能變換為符合電力機車牽引要求的電能并輸送到鐵路接觸電網(wǎng)上。接觸網(wǎng)懸掛在鋼軌上方，沿軌道敷設(shè)，并和鐵路軌頂保持一定的距離，當(dāng)火車通過時，火車的受電弓和接觸網(wǎng)的滑動接觸供給機車電能，從而驅(qū)動牽引電動機使火車運行，而回流線和鋼軌作為導(dǎo)通回的流組成部分把軌道中的回路電流導(dǎo)入牽引變電站的主變壓器，其基本結(jié)構(gòu)原理如圖1 所示。

1.2 電鐵牽引負荷性質(zhì)

電氣化鐵路牽引系統(tǒng)內(nèi)有大量的電力電子設(shè)備，通過這些設(shè)備的整流和逆變后會產(chǎn)生大量的高次諧波電流，另外電力機車是一種單相負荷，在運行過程中根據(jù)對稱分量法還會向系統(tǒng)輸送負序分量。除此之外由于電力機車的數(shù)量、位置、取流大?。ㄅc線路峽道及彎道、牽引重量、運行速度、行車密度等有關(guān)）是不斷變化的，因而負荷具有明顯的波動性和間歇性。文獻［7］通過分析電鐵的運行工況，指出電鐵負荷本質(zhì)上是一種隨機性、波動性、沖擊性、不對稱性的非線性負荷。

2 電鐵牽引對地區(qū)電網(wǎng)電壓影響

2.1 變電站運行方式

GSW牽引變電站為某地區(qū)某鐵路的一所牽引變電站，接線方式如圖2 所示，其有兩條進線供電電源，一條為110 kV F 高牽線接自110 kV XF 變電站（如圖3所示），另外一條為110 kV J高牽線接自330 kV JJN 變電站（如圖4 所示），其中110 kV J 高牽線為該牽引變電站的主供電源，110 kV F 高牽線為該牽引變電站備供電源［8］。根據(jù)圖3 可知，110 kV XF 變電站接線較為簡單，而且該變電站為單電源供電，其110 kV 系統(tǒng)除111 ZF 線進線電源外只有兩條出線，其中121 F 利線為該地區(qū)一個能源化工企業(yè)的供電電源（該用戶為氨綸生產(chǎn)企業(yè)，對電網(wǎng)電壓質(zhì)量要求特別高），112 F 高牽線為GSW 電鐵牽引變電站的備供電源。如圖4 所示330 kV JJN 變電站接線則較為復(fù)雜，不僅電壓等級較高，且只110 kV 系統(tǒng)出線就達16 條之多，其中也不乏帶有“高、精、尖”用戶［9］。

圖2 GSW牽引變電站運行方式

圖3 110 kV XF變電站接線及運行方式

圖4 330 kV JJN變電站110 kV系統(tǒng)接線及運行方式

2.2 電網(wǎng)電壓異常波動分析

2021年5月30日J(rèn)JN變電站111 J高牽線需要更改定值而將GSW牽引變電站的負荷臨時倒至110 kV XF 變電站112 F高牽線供電。10：31該變電站所帶氨綸生產(chǎn)用戶向調(diào)控中心值班調(diào)度員反映他們對側(cè)電壓波動很大，調(diào)度員立即查看該110 kV 母線ABC 三相電壓曲線，如圖5—圖7所示。

圖5 XF變電站110 kV母線A相電壓

圖6 XF變電站110 kV母線B相電壓

圖7 XF變電站110 kV母線C相電壓

為GSW 電鐵牽引變電站供電的112 F 高牽線的負荷曲線如圖8所示，112 F高牽線負荷波動較大，與電鐵牽引變電站聯(lián)系得知此刻火車通過。

圖8 XF變電站112 F高牽線的負荷曲線

根據(jù)圖5—圖8曲線圖可以看出，當(dāng)GSW牽引變電站有火車通過時XF 變電站110 kV 母線三相電壓都發(fā)生了不同程度的突降，其中A 相和B 相電壓降幅較大，最大降幅近2 kV，而C 相電壓波動相對前兩相較小，也就是說XF變電站110 kV母線三相電壓在過火車時發(fā)生了明顯的不平衡。除此之外還可以看出XF 變電站110 kV 母線三相電壓的波動幅度跟電鐵牽引負荷的大小也有關(guān)系，當(dāng)電鐵牽引負荷較大時三相電壓波動幅度也跟著變大，當(dāng)電鐵牽引負荷較小時三相電壓波動幅度則相對較?。?-10］。

2.3 XF變電站110 kV母線電壓波動分析

2.3.1 XF變電站與JJN變電站特點

GSW 電鐵牽引變電站的負荷常年由330 kV JJN變電站的110 kV J高牽線所供，在110 kV J高牽線供電期間，無論什么時候過火車或者過什么類型的火車，JJN 變電站110 kV 母線三相電壓一直平穩(wěn)，JJN變電站所帶用戶也從未反映其站內(nèi)電壓有波動現(xiàn)象［11］。比較兩座變電站的接線及運行方式發(fā)現(xiàn)兩座變電站主要有兩處不同點：1）XF 變電站電壓等級最高為110 kV，JJN 變電站電壓等級最高為330 kV；2）XF 變電站由110 kV ZF 線單電源供電，110 kV 系統(tǒng)除了110 kV F 高牽線外只有110 kV F 利線一條出線，而JJN變電站110 kV系統(tǒng)有16條出線。

2.3.2 諧波電流和負序電流對電網(wǎng)的影響

電力機車在運行時會向電網(wǎng)輸送諧波電流，而我國電力系統(tǒng)中對母線諧波電壓、諧波電流的限值是有國家標(biāo)準(zhǔn)的，公共電網(wǎng)諧波電壓值見表1，注入公共連接點（Point Common Connection，PCC）的諧波電流值見表2。

表1 公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）

表2 注入PCC的諧波電流限制

如果PCC 點的最小短路容量與基準(zhǔn)短路容量不一致時，則流入PCC 點諧波電流需要進行限制，其值可由式（1）算出［12］。

式中：SJ為基準(zhǔn)短路容量；SX為PCC 點最小短路容量；IhJ為基準(zhǔn)短路容量對應(yīng)的第h次諧波電流的限值；IhX為短路容量為SX時的第h次諧波電流的限值。

如果有多個諧波源的諧波電流同時注入一個PCC 點時，則這個PCC 點第P個用戶流入的第h次諧波電流值需要進行限制，其限值可由式（2）進行計算。

式中：IhP為由式（2）進行計算得出的第h次諧波電流限值；Ih為第h次諧波電流；I為流入PCC 點的總電流；SP為第P個用戶的用電協(xié)議容量；Sd為電網(wǎng)PCC點的短路容量；α為疊加系數(shù)，其值按表3選取。

表3 疊加系數(shù)

除此之外由于電鐵牽引負荷是不對稱負荷，根據(jù)對稱分量法可分解出負序分量，再加上電力機車在運行過程中產(chǎn)生的諧波電流大量注入電網(wǎng)PCC點，其和諧波電流在電網(wǎng)PCC 點產(chǎn)生三相電壓不平衡度εU和諧波電壓UHRh為［13-14］：

式中：UN為電網(wǎng)的額定電壓；I2為負序電流。

由式（1）和式（2）得知，根據(jù)電網(wǎng)PCC 點短路容量的大小不同需要對流入PCC 點諧波電流需要進行限制，電網(wǎng)PCC 點短路容量大則允許流入的諧波電流大。從式（3）和式（4）可以更直觀地看出，電鐵牽引負荷在PCC 點引起的電壓不平衡度和諧波電壓與PCC 點的短路容量成反比，與電鐵牽引負荷注入的負序電流和諧波電流成正比，而XF 變電站為110 kV變電站且為單電源供電，再加上出線較少，其110 kV母線短路容量相對來說很小根本不可能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于三相電壓不平衡度允許值2%、短時不超過4%的要求［15］。因此可以分析出諧波電流和負序電流是造成電網(wǎng)電壓波動的第一原因，而GSW 電鐵牽引站在由短路容量較大330 kV JJN 變電站供電時其110 kV 母線電壓平穩(wěn)運行的現(xiàn)象可以得出XF 變電站110 kV 母線電壓波動的原因應(yīng)該是其110 kV 母線短路容量較小。

2.3.3 電力系統(tǒng)短路容量抗?fàn)恳摵筛蓴_能力分析

根據(jù)式（3）—式（4）及GSW 電鐵牽引站在由不同短路容量變電站供電時變電站110 kV母線電壓運行情況，可以初步判斷GSW 牽引負荷在由XF 變電站110 kV F高牽線供電時，引起XF變電站110 kV母線電壓的波動的原因為XF 變電站110 kV 母線短路容量較?。?6］。短路容量是反映電力系統(tǒng)中某一供電點電氣性能的一個特征量，電力系統(tǒng)中某點的短路容量Sd等于該點三相短路電流Id和電網(wǎng)額定電壓UN的乘積，即

根據(jù)電鐵牽引系統(tǒng)原理，可將電鐵牽引負荷等效為單相負荷。圖9 為單相負荷接入電網(wǎng)引起電網(wǎng)電壓波動分析模型。圖中，UA、UB、UC為系統(tǒng)相電壓，IL為負荷電流，ΔU為電壓降。

圖9 單相負荷的供電系統(tǒng)簡化電路

按照圖9 給出的電路模型，依據(jù)歐姆定律我們可以計算出負荷電流IL為

式中：U0系統(tǒng)線電壓；ZL為單相負荷阻抗。

依據(jù)歐姆定律可繼續(xù)算出單相負荷的容量SA為系統(tǒng)阻抗上的電壓降ΔU為

式中：Z0為系統(tǒng)阻抗。

短路容量可以由式（10）計算。

利用式（7）—式（10）可以推導(dǎo)出相對電壓波動d的公式為

從式（11）可以看出，在負荷變化量相同的條件下，負荷引起的電壓波動與負荷接入PCC 點的系統(tǒng)短路容量成反比，也就是說系統(tǒng)短路容量越大，引起的波動量就小，相反則越大。

用系統(tǒng)短路容量從側(cè)面可以區(qū)分電力系統(tǒng)是強系統(tǒng)還是弱系統(tǒng)，短路容量較大的系統(tǒng)稱為強系統(tǒng)，就強系統(tǒng)來說，其電網(wǎng)端口的伏安特性比較硬，承受擾動的能力自然也強；相反，電網(wǎng)短路容量比較小的系統(tǒng)則稱為弱系統(tǒng)，對于弱系統(tǒng)而言，其電網(wǎng)端口的伏安特性較軟，同理，承受擾動的能力就比較弱［17］。

從表4 可以看出XF 變電站110 kV 母線短路容量僅為432.74 MVA，而JJN 變電站的110 kV 母線短路容量約是XF變電站的8倍，實際中XF變電壓最高等級為110 kV，JJN 變電站電壓最高等級為330 kV。即同樣是110 kV 母線供電，JJN 變電站相比XF 變電站是強系統(tǒng)，除此之外由于JJN 變電站110 kV 系統(tǒng)有較多的出線可以多分散負序電流，所以GSW 電鐵牽引負荷由XF 變電站供電時對XF 變電站110 kV母線電壓影響較大，也就是說當(dāng)諧波電流和負序電流一定的情況下，決定PCC 點母線電壓是否能保持平穩(wěn)運行的因素就取決于該PCC 點母線短路容量的大小。

表4 XF變電站與JJN變電站110 kV母線短路容量對比單位：MVA

3 解決措施

根據(jù)式（3）和式（4）可知，造成PCC 點電網(wǎng)電壓波動的最根本原因就是電鐵牽引負荷產(chǎn)生的諧波電流和負序電流注入了電網(wǎng)，所以限制諧波電流跟負序電流是解決電壓波動的最有效的途徑，而限制諧波電流和負序電流最好最有效的方法就是從源頭上來解決。限制諧波電流的措施可以采取在牽引變電站內(nèi)裝設(shè)濾波裝置，比如有源濾波器、無源濾波器、靜止無功補償器、并聯(lián)補償電容裝置等，除此之外也可通過增加電力機車整流器的脈動數(shù)來限制諧波電流。牽引變電站內(nèi)裝設(shè)有源濾波器和靜止無功補償器也可以達到限制負序電流的效果，在動態(tài)補償?shù)臅r候，可以抑制電壓波動、閃變和三相不平衡［18］。

根據(jù)式（3）和式（4）以及單相負荷的供電系統(tǒng)簡化電路分析模型分析下還可以得出系統(tǒng)短路容量也是影響電壓波動的一個非常重要因素，牽引變電站的電源盡量從330 kV 及以上電壓等級的變電站引出，因為相對于110 kV變電站短路容量，330 kV變電站短路容量更大，短路容量越大系統(tǒng)承受負荷的非線性擾動程度越強，牽引負荷對電網(wǎng)的影響就越小。除此之外330 kV 變電站供電可靠性也較110 kV 變電站高。

對于不方便從短路容量大的變電站引源情況，則需要在為牽引變電站供電的電源側(cè)變電站內(nèi)安裝對于諧波電流有抑制作用的電容器，并且要求隨時投入運行，而且還需要多配出線來分散電鐵牽引負荷產(chǎn)生的負序電流，從而增強該變電站運行穩(wěn)定性，同時與鐵道部門溝通，要求其提高調(diào)度電力機車的自動化水平，盡量使火車勻速運行。除此之外該變電站最好不要帶有對供電電壓質(zhì)量敏感的高科技企業(yè)用戶。

4 結(jié)語

近年來隨著我國經(jīng)濟社會不斷發(fā)展，高科技企業(yè)越來越多，這些高科技企業(yè)對于電網(wǎng)供電電壓質(zhì)量要求是越來越高，而電鐵牽引系統(tǒng)的諧波電流和負序電流是影響電網(wǎng)電壓質(zhì)量的一個重要因素，現(xiàn)階段的技術(shù)水平只能將電鐵牽引系統(tǒng)內(nèi)的諧波電流和負序電流進行一定的限制而卻無法做到完全消除。結(jié)合電網(wǎng)實際運行現(xiàn)象，對電鐵牽引負荷引起對某地區(qū)電網(wǎng)電壓波動現(xiàn)象進行了分析，分析得出強大的電力系統(tǒng)可以完全抵御電鐵牽引負荷諧波電流和負序電流的影響。我國電力系統(tǒng)經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)已建成了強大的高壓、特高壓電網(wǎng)，在徹底消除電鐵諧波技術(shù)欠缺下，完全可以依靠我國先進的、強大的電力系統(tǒng)來承受經(jīng)限制后剩余的諧波電流和負序電流從而保障經(jīng)濟社會的發(fā)展，建議今后電鐵負荷盡量接入電壓等級較高、較強的電力系統(tǒng)。