魏銘池，魏 巍，劉 暢，徐 琳

(1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

近年來，隨著城市軌道交通的飛速發(fā)展，城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)接入對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響越來越引人關(guān)注[1-4]。城市軌道交通負(fù)荷具有沖擊性和非線性，其接入電網(wǎng)后將會對電網(wǎng)的電能質(zhì)量造成嚴(yán)重的負(fù)面影響[5-7]。因此，對城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)接入電網(wǎng)引起的電能質(zhì)量問題展開全面分析和詳細(xì)建模評估有助于將技術(shù)監(jiān)督關(guān)口前移，及時(shí)發(fā)現(xiàn)相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)，從而維護(hù)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

國內(nèi)學(xué)者已逐步開展對城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)接入電網(wǎng)引起的電能質(zhì)量問題的研究工作。目前，國內(nèi)對城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)接入電網(wǎng)的研究大多集中于24脈波整流機(jī)組[8-10]與城軌機(jī)車負(fù)荷特性[11-12]，并評估牽引供電系統(tǒng)帶單輛城軌機(jī)車時(shí)對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響[13-14]。

在實(shí)際生活中，城軌機(jī)車有不同工況、不同數(shù)量組合的可能性，但是大部分文獻(xiàn)[11-14]僅研究了牽引供電系統(tǒng)帶單輛城軌機(jī)車時(shí)對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，沒有進(jìn)行全面分析。

對此，基于Matlab/Simulink平臺，首先，建立了城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)接入電網(wǎng)的仿真模型，主要包括24脈波整流機(jī)組、牽引網(wǎng)、中壓電纜、城軌機(jī)車；然后，提出結(jié)合城軌機(jī)車工況、數(shù)量組合兩個維度的仿真場景設(shè)置方案;最后，以成都市軌道交通為例，仿真分析了接入點(diǎn)的電壓偏差、諧波電壓和諧波電流。

1 城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)接入電網(wǎng)仿真模型搭建

城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)由110 kV電網(wǎng)接入，經(jīng)主變電所降壓為35 kV電壓等級后，向牽引變電所輸送電能。牽引變電所再次降壓，然后整流為1500 V直流電傳輸至接觸網(wǎng)，為城軌機(jī)車供電，最后經(jīng)鋼軌回流。主變電所向牽引變電所供電的接線形式為雙邊集中供電形式，通過牽引變電所的輸電線路都經(jīng)過中壓母線(35 kV)連接，增加了供電可靠性。圖1為城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)示意圖。

圖1 城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)

基于Matlab/Simulink平臺建立了城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)接入電網(wǎng)的仿真模型，下面介紹此模型中最主要的4個部分：24脈波整流機(jī)組、牽引網(wǎng)、中壓電纜、城軌機(jī)車。

1.1 24脈波整流機(jī)組

當(dāng)前中國城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)大多采用24脈波整流機(jī)組[8-10]。

圖2為24脈波整流機(jī)組主電路原理圖。24脈波整流機(jī)組由2臺等容量的12脈波整流機(jī)組構(gòu)成。每臺12脈波整流機(jī)組DC側(cè)繞組依次為Y和△接法，從而形成相位差為30°的線電壓；AC側(cè)是延邊三角形接線，依次移相±7.5°，以此構(gòu)成的2臺等容量變壓器的4套DC側(cè)繞組的線電壓相位互差15°，依次全波整流之后，并聯(lián)運(yùn)行于DC側(cè)，最終輸出24脈動直流電。

圖2 24脈波整流機(jī)組主電路原理

由圖2搭建的24脈波整流機(jī)組仿真模型如圖3所示。

圖3 24脈波整流機(jī)組仿真模型

利用2臺移相變壓器依次移相±7.5°之后分別接入2臺三相三繞組變壓器，接線方式為D11-Y/D11-D11，每臺變壓器連接2個6脈波橋式整流器，從而并聯(lián)形成12脈波整流機(jī)組，2臺12脈波整流機(jī)組并聯(lián)形成24脈波整流機(jī)組。

1.2 牽引網(wǎng)

牽引網(wǎng)是城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)向城軌機(jī)車輸送電能的直接環(huán)節(jié)，它由饋電線、接觸網(wǎng)、鋼軌以及回流線組成[14-15]。

牽引網(wǎng)等值電路如圖4所示，牽引網(wǎng)仿真模型如圖5所示，牽引網(wǎng)參數(shù)如表1所示。

圖4 牽引網(wǎng)等值電路

圖5 牽引網(wǎng)仿真模型

表1 牽引網(wǎng)參數(shù)

1.3 中壓電纜

城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)中壓網(wǎng)絡(luò)電纜線路(35 kV)等值電路如圖6所示。

圖6 中壓電纜等值電路

由于中壓電纜表面有屏蔽層，相間電容可忽略，因此直接組合3個“PI Section Line”模塊對三相中壓電纜建模，如圖7所示。中壓電纜參數(shù)取值如表2所示。

圖7 中壓電纜仿真模型

表2 中壓電纜參數(shù)

1.4 城軌機(jī)車

城軌機(jī)車是城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)的主要負(fù)荷，也是功率的主要消耗源，因此仿真建模時(shí)需對城軌機(jī)車的功率特性進(jìn)行充分的體現(xiàn)。

1)當(dāng)城軌機(jī)車運(yùn)行于啟動工況、額定工況、中功率工況、低功率工況時(shí)，采用負(fù)荷表征城軌機(jī)車功率特性，利用Matlab/Simulink平臺的“Series RLC Load”元件可實(shí)現(xiàn)依據(jù)實(shí)際工況設(shè)置城軌機(jī)車的功率參數(shù)，如圖8所示。

圖8 城軌機(jī)車仿真模型(負(fù)荷表征功率特性)

2)當(dāng)城軌機(jī)車運(yùn)行于制動工況時(shí)，城軌機(jī)車上的牽引電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，將城軌機(jī)車的動能轉(zhuǎn)換成電能反向流至直流牽引網(wǎng)。由于禁止直流牽引網(wǎng)上的電能通過DC/AC變換返回交流電網(wǎng)，再生電能除部分被其他處于牽引工況的車輛吸收利用外，還有一部分剩余再生電能會導(dǎo)致網(wǎng)壓升高。此時(shí)，城軌機(jī)車按電流源建立模型，利用Matlab/Simulink的“controlled current source”模塊建立模型，如圖9所示。

圖9 城軌機(jī)車仿真模型(制動工況)

2 電能質(zhì)量評估指標(biāo)

城市軌道交通負(fù)荷具有非線性和沖擊性，其接入會給電網(wǎng)帶來電壓偏差、諧波等電能質(zhì)量問題。下面對城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)接入點(diǎn)處的電壓偏差、電壓總畸變率、特征次諧波電壓含有率、特征次諧波電流含量等電能質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行全面詳細(xì)的分析評估。

2.1 電壓偏差

電力系統(tǒng)中的用電負(fù)荷時(shí)時(shí)刻刻都在發(fā)生變化，其有功功率與無功功率一直是動態(tài)平衡的狀態(tài)，電壓也在不斷變動，實(shí)際電壓對標(biāo)準(zhǔn)電壓偏差的百分比即為電壓偏差。電壓偏差超出國家標(biāo)準(zhǔn)限值后會惡化電氣設(shè)備的工作效能，降低使用壽命，甚至損壞[16]。因此，對城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)接入點(diǎn)的電壓偏差進(jìn)行全面詳細(xì)的分析評估。

GB/T 12325—2008《電能質(zhì)量 供電電壓偏差》規(guī)定，35 kV及以上供電電壓正、負(fù)偏差絕對值之和不超過標(biāo)稱電壓的10%[17]。城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)接入點(diǎn)的標(biāo)稱電壓值為110 kV，其供電電壓正、負(fù)偏差絕對值之和不應(yīng)超過11 kV。

2.2 諧波

整流機(jī)組既是城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)的重要設(shè)備，也是諧波的主要來源。目前，中國城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)普遍采用的24脈波整流機(jī)組會向電網(wǎng)注入24k±1(k=1,2,3,…)次諧波，以23次、25次為主。諧波會導(dǎo)致電壓與電流波形發(fā)生畸變，會對電氣設(shè)備產(chǎn)生負(fù)面影響[18]。

為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的諧波超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)，需對城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)接入點(diǎn)的電壓總諧波畸變率、特征次諧波電壓含有率、特征次諧波電流含量進(jìn)行全面詳細(xì)的分析評估。

2.2.1 諧波電壓

GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定：電網(wǎng)標(biāo)稱電壓為110 kV時(shí)，電壓總諧波畸變率限值為2.0%，奇次諧波電壓含有率限值為1.6%，偶次諧波電壓含有率限值為0.8%[19]。

2.2.2 諧波電流

GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定：標(biāo)準(zhǔn)電壓為110 kV，基準(zhǔn)短路容量為750 MVA時(shí)，23次諧波電流允許值為2.1 A，25次諧波電流允許值為1.9 A[19]。這里110 kV三相電源短路容量取值為1000 MVA，由式(1)可求得諧波電流允許值。

(1)

式中：Ih為短路容量為Sk1時(shí)的第h次諧波電流允許值；Sk1為公共連接點(diǎn)的最小短路容量，MVA；Sk2為基準(zhǔn)短路容量，MVA；Ihp為短路容量為基準(zhǔn)短路容量時(shí)的第h次諧波電流允許值，A。

由式(1)求得的23次諧波電流允許值為2.8 A，25次諧波電流允許值為2.53 A。

3 仿真場景設(shè)置

由于目前大部分文獻(xiàn)[11-14]只對城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)帶單輛城軌機(jī)車進(jìn)行仿真建模，但在實(shí)際生活中，城軌機(jī)車有不同工況、不同數(shù)量組合的可能性。因此，以成都市軌道交通為例，設(shè)置了不同的仿真場景，較為全面地分析城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)接入對電網(wǎng)的電能質(zhì)量影響。

1)城軌機(jī)車工況。典型工況包含以下5種：啟動工況、高功率工況、中功率工況、低功率工況和制動工況。城軌機(jī)車運(yùn)行時(shí)額定工況定義為高功率工況，啟動工況的功率約為1.5倍額定功率，城軌機(jī)車在制動時(shí)向系統(tǒng)倒送功率，倒送功率值約為0.5倍額定功率。由于城軌機(jī)車的功率越高，其對電網(wǎng)電能質(zhì)量影響越大，因此取啟動工況、額定工況、制動工況進(jìn)行仿真建模分析。

2)城軌機(jī)車數(shù)量組合。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，存在高峰期城軌機(jī)車緊密運(yùn)行及非高峰期城軌機(jī)車松散運(yùn)行兩種情況。非高峰期城軌機(jī)車松散運(yùn)行時(shí)，每個牽引站均帶一輛城軌機(jī)車，或是兩相鄰牽引站間均帶一輛城軌機(jī)車。高峰期城軌機(jī)車緊密運(yùn)行時(shí)，除每個牽引站均帶一輛城軌機(jī)車以外，兩相鄰牽引站間均帶一輛城軌機(jī)車。

3)城軌機(jī)車車型。所研究的城軌機(jī)車車型為成都市軌道交通1號線車輛。由文獻(xiàn)[15，20]可知成都市軌道交通1號線車輛采用B型車，4動2拖(4M2T)，6輛固定編組，列車最高速度80 km/h，供電電壓為DC 1500 V，額定功率為2880 kW，啟動功率為4320 kW，制動倒送功率為1440 kW。

取成都市軌道交通4個典型場景進(jìn)行仿真建模分析，基于Matlab/Simulink搭建的非高峰期城軌機(jī)車松散運(yùn)行仿真模型與高峰期城軌機(jī)車緊密運(yùn)行仿真模型分別如圖10、圖11所示。

圖10 非高峰期城軌機(jī)車松散運(yùn)行仿真模型

圖11 高峰期城軌機(jī)車緊密運(yùn)行仿真模型

場景1：非高峰期城軌機(jī)車松散運(yùn)行，每個牽引站均帶一輛處于啟動工況的城軌機(jī)車。

場景2：非高峰期城軌機(jī)車松散運(yùn)行，兩相鄰牽引站間均帶一輛處于額定工況的城軌機(jī)車。

場景3：高峰期城軌機(jī)車緊密運(yùn)行，每個牽引站均帶一輛處于啟動工況的城軌機(jī)車，且兩相鄰牽引站間均帶一輛處于額定工況的城軌機(jī)車。

場景4：高峰期城軌機(jī)車緊密運(yùn)行，每個牽引站均帶一輛處于制動工況的城軌機(jī)車，且兩相鄰牽引站間均帶一輛處于額定工況的城軌機(jī)車。

4 實(shí)例分析

4.1 電壓偏差

不同仿真場景下，城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)接入點(diǎn)電壓偏差值如表3所示。

表3 不同仿真場景下接入點(diǎn)電壓偏差值

由表3可知：1)當(dāng)城軌機(jī)車處于啟動工況、高功率工況時(shí)，城軌機(jī)車從電網(wǎng)吸收功率，導(dǎo)致接入點(diǎn)電壓偏差為負(fù)，電壓降低，且功率越大電壓偏差越大；2)當(dāng)城軌機(jī)車處于制動工況時(shí)，城軌機(jī)車向電網(wǎng)倒送功率，導(dǎo)致接入點(diǎn)電壓偏差值為正，電壓升高；3)不同仿真場景下接入點(diǎn)電壓正負(fù)偏差絕對值之和均未超過標(biāo)稱電壓的10%，符合GB/T 12325—2008《電能質(zhì)量 供電電壓偏差》國家標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 諧波電壓

不同仿真場景下，接入點(diǎn)電壓總諧波畸變率以及23次、25次諧波電壓含有率如表4所示。

由表4可知：1)不同仿真場景下接入點(diǎn)電壓總諧波畸變率、23次諧波電壓含有率、25次諧波電壓含有率均未超過國家標(biāo)準(zhǔn)限值，符合國家標(biāo)準(zhǔn)；2)諧波電壓含有率與城軌機(jī)車功率成正比，即城軌機(jī)車功率越大，諧波電壓含有率越高；3)仿真場景3的電壓總諧波畸變率為1.71%，25次諧波電壓含有率為1.456%，十分逼近國家標(biāo)準(zhǔn)限值，倘若城軌機(jī)車功率繼續(xù)增大、數(shù)量繼續(xù)增加，存在諧波電壓超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)，需要對其進(jìn)行治理。

表4 不同仿真場景下接入點(diǎn)電壓總諧波畸變率以及23次、25次諧波電壓含有率 單位：%

4.3 諧波電流

不同仿真場景下，接入點(diǎn)23次、25次諧波電流含量如表5所示。

表5 不同仿真場景下接入點(diǎn)23次、25次諧波電流含量

由表5可知：1)仿真場景3的25次諧波電流含量超出國家標(biāo)準(zhǔn)限值，需要對其采取相應(yīng)的限制或治理措施；2)其余仿真場景的23次、25次諧波電流尚未超出國家標(biāo)準(zhǔn)限值，符合國家標(biāo)準(zhǔn)；3)倘若城軌機(jī)車功率繼續(xù)增大、數(shù)量繼續(xù)增加，存在諧波電流超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)，需要對其進(jìn)行治理。

綜上所述：1)仿真場景3對電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)最高。非高峰期乘客數(shù)量較少時(shí)，可以通過合理的城軌機(jī)車調(diào)度來消弭；高峰期乘客數(shù)量較多時(shí)，無法通過合理的城軌機(jī)車調(diào)度來消弭，需要采取相應(yīng)的治理措施。

2)接入點(diǎn)的電壓偏差、諧波電流以及諧波電壓3個指標(biāo)是城軌機(jī)車工況、城軌機(jī)車數(shù)量組合以及城軌機(jī)車車型3個因素共同作用的結(jié)果。相對而言，城軌機(jī)車數(shù)量組合的影響最大，城軌機(jī)車工況次之。

5 結(jié) 論

基于Matlab/Simulink平臺建立了城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)接入電網(wǎng)的仿真模型，以成都市軌道交通為例，基于實(shí)際情況，考慮城軌機(jī)車工況、數(shù)量組合，設(shè)置了不同的仿真場景，分析評估了城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)接入對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，結(jié)論如下：

1)電壓偏差：不同仿真場景下接入點(diǎn)的電壓偏差值均在國家標(biāo)準(zhǔn)限值內(nèi)，仿真場景3的電壓偏差值最大，為-1.17%。

2)諧波電壓：不同仿真場景下接入點(diǎn)的諧波電壓含量均在國家標(biāo)準(zhǔn)限值內(nèi)，仿真場景3的諧波電壓含量最高，且十分逼近國家標(biāo)準(zhǔn)限值，存在諧波電壓含量超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。

3)諧波電流：仿真場景3的25次諧波電流含量超出國家標(biāo)準(zhǔn)限值，需要對其采取相應(yīng)的治理措施，其余仿真場景的諧波電流尚未超出國家標(biāo)準(zhǔn)限值。