地鐵牽引供電系統(tǒng)接入對電網(wǎng)電能質(zhì)量影響分析

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0 引 言

地鐵牽引供電系統(tǒng)大多由電力機(jī)車、牽引網(wǎng)、電纜等幾部分組成，由于該系統(tǒng)采用直流牽引方式，具有非線性強(qiáng)、電壓波動大、電纜引發(fā)的充電無功功率大等諸多特征，其接入對城市電網(wǎng)電能質(zhì)量以及供電可靠性、穩(wěn)定性都帶來了較大的影響[1-4]。為了防患于未然，在軌道交通接入前進(jìn)行電能質(zhì)量預(yù)評估并提出相應(yīng)的預(yù)防性措施，可提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量及供電可靠性和穩(wěn)定性，消除軌道交通接入對電網(wǎng)造成事故的潛在隱患[5-8]。

首先介紹了某地鐵主變電所的接入系統(tǒng)方案以及負(fù)荷情況?；赑SCAD對電力機(jī)車、牽引網(wǎng)、電纜構(gòu)成的牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)地仿真建模，然后分析了各種運(yùn)行工況下地鐵牽引系統(tǒng)的諧波電流水平。最后針對不同系統(tǒng)阻抗下110 kV 電纜可能引發(fā)諧波電流放大的風(fēng)險進(jìn)行了評估，為軌道交通接入電網(wǎng)提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障。

1 牽引供電系統(tǒng)仿真建模

1.1 牽引供電方式

研究的牽引供電系統(tǒng)采用單相工頻25 kV交流制、帶回流線的直接供電方式，如圖1所示。

該供電方式在接觸網(wǎng)同高度的外側(cè)增設(shè)了一條回流線，減輕了接觸網(wǎng)對鄰近通信線路的干擾，結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)量小、供電可靠性高。

地鐵主變電所牽引部分采用兩臺三相V/V接線牽引變壓器，一主一備。其中每臺V/V變壓器由兩臺單相變壓器組成，分別接入兩個不同的線電壓，其接線形式如圖2所示。

圖2 V/V變壓器接線形式

1.2 交直交型電力機(jī)車模型

表1 為所選用的A+型車的主要特征參數(shù)，其中列車最高運(yùn)行速度為140 km/h，其載荷和重量參數(shù)如表2所示，牽引特性曲線如圖3所示?？梢钥闯觯瑔诬囎畲筝敵龉β蕿?200 kW。列車的加速過程為：048 km/h為恒牽引力加速；48 km/h100 km/h為恒功率加速；100 km/h160 km/h以自然特性加速，轉(zhuǎn)差效率恒定。

表1 A+型機(jī)車的相關(guān)參數(shù)

表2 車輛總重

注：乘客人均體重按60 kg計，軸重≤17 t。

圖3 A+型8輛編組機(jī)車牽引特性曲線

交直交機(jī)車的交流傳動系統(tǒng)普遍采用“交-直-交”型主電路，主要由牽引變壓器、四象限整流器、逆變器、三相異步交流電機(jī)等組成，主電路原理如圖4所示。

圖4 交直交機(jī)車主電路結(jié)構(gòu)原理

2 牽引網(wǎng)仿真模型

2.1 牽引網(wǎng)串、并聯(lián)元件

在單一頻率下，牽引網(wǎng)輸電線路可近似線性，等效為如圖5所示的π型對稱線性無源二端口網(wǎng)絡(luò)電路。

圖5 π型等值電路

當(dāng)牽引網(wǎng)的平行導(dǎo)線較多時，可對導(dǎo)線進(jìn)行等值合并處理。建立串聯(lián)阻抗元件的支路導(dǎo)納矩陣為

圖6 電纜供電方式牽引網(wǎng)模塊以及子模塊

(1)

牽引網(wǎng)中并聯(lián)元件的節(jié)點導(dǎo)納矩陣為

(2)

其中Δ為大實數(shù)，而其他并聯(lián)設(shè)備的節(jié)點導(dǎo)納矩陣為

(3)

2.2 牽引網(wǎng)簡化仿真模型

復(fù)線帶回流線直供方式牽引網(wǎng)采用8根導(dǎo)線等值，包括上/下行接觸網(wǎng)(Tl/T2)、上/下行鋼軌(Rl/R2)、上/下行加強(qiáng)導(dǎo)線(A1/A2)、上/下行回流線(NF1/NF2)。圖6中搭建了基于直供帶回流線供電方式的牽引網(wǎng)模型。

3 諧波電流水平評價

為了評估地鐵牽引系統(tǒng)接入對區(qū)域電網(wǎng)的影響，下面考慮較為嚴(yán)重的運(yùn)行工況，即考慮多車緊密運(yùn)行時注入電網(wǎng)的諧波水平。

設(shè)機(jī)車處于緊密運(yùn)行狀態(tài)，正常供電下某主變電所牽引變壓器的計算負(fù)荷分別為19.57 MW和9.9 MW，因此重載8.615 km線路布置3列機(jī)車，各列車運(yùn)行功率分別為7.2 MW、7.2 MW、5.2 MW；輕載5.639 km線路布置2列車，每列功率為5 MW?？紤]最嚴(yán)重情況，有兩列車分別處于牽引網(wǎng)上下行末端，列車在線路上分布見圖7所示。

圖7 牽引網(wǎng)中列車分布示意

圖8和圖9為某地鐵主變電所接入電網(wǎng)110 kV側(cè)三相電壓和電流仿真波形以及最大相電壓、電流的FFT頻譜，諧波電流主要集中在1950 Hz和2050 Hz高頻段，最大相1950 Hz諧波電流含量為3.63 A。

圖8 多車緊密運(yùn)行時110 kV郭家堰側(cè)電壓和電流波形

圖9 多車緊密運(yùn)行時110 kV接入點電壓和電流FFT頻譜

圖10和圖11為重載臂V/V變壓器27.5 kV側(cè)電壓、電流仿真波形和FFT頻譜，表3和表4則分別對110 kV 接入點的電壓和電流畸變情況進(jìn)行了統(tǒng)計，可以看出，110 kV 母線各相電壓總畸變率分別達(dá)到0.97%、0.61%、1.36%，110 kV接入點各次諧波電流也均滿足國標(biāo)限值要求。

圖10 重載臂V/V變壓器27.5 kV側(cè)電壓和電流仿真波形

圖11 重載臂V/V變壓器27.5 kV側(cè)電壓和電流FFT頻譜

測試參數(shù)A相B相C相基波電壓/kV65.5166.6166.13總畸變率/%0.970.611.36650 Hz/%0.050.110.101950 Hz/%0.640.360.912050 Hz/%0.670.370.94

表4 110 kV接入點電流畸變情況

4 110 kV電纜引發(fā)諧波電流放大風(fēng)險分析

圖12 牽引供電系統(tǒng)與電網(wǎng)交互的并聯(lián)諧振等效電路

圖傳遞函數(shù)的幅頻特性(淺色：小方式，深色：大方式)

5 結(jié) 語

針對城市軌道交通牽引系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的仿真建模，考慮了多車緊密運(yùn)行方式下牽引供電系統(tǒng)的諧波電流水平，并針對不同系統(tǒng)阻抗下110 kV 電纜可能引發(fā)諧波電流放大的風(fēng)險進(jìn)行了評估。結(jié)果表明：一方面根據(jù)當(dāng)前主變電所接入點的短路容量計算得知，各次諧波電流均滿足國標(biāo)限值要求；另一方面，牽引系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波電流經(jīng)110 kV電纜線路注入電網(wǎng)時，在低頻段和高頻段均存在諧波電流放大風(fēng)險。