電鐵牽引負荷對風電場運行特性的影響分析

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(1.國網烏魯木齊供電公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.國網荊州供電公司，湖北 荊州 434500)

0 引 言

隨著越來越多的大型風電場并網運行，在新疆部分地區的風電場周圍伴隨有鐵路的穿越。電氣化鐵路在運輸效率、節能環保等方面具有顯著優勢，已成為現階段鐵路建設發展的主要方向。隨著電氣化改造工程建設，大量的電氣化鐵路牽引站與風電場集中接入電網。電鐵牽引負荷具有功率波動、諧波和負序特性，對電網影響較大。而風電場的出力因風的不穩定性而波動較大，風電機組單機容量相對較小，風電場中有大量風電機組并列運行。現有的文獻主要是針對電鐵牽引負荷對電網的影響和風電場的運行特性分別進行研究，針對新疆電網出現的電鐵牽引負荷與風電場集中接入地區電網的情況，對電鐵牽引負荷對風電場運行特性的影響進行分析研究具有重要的實際意義。

1 電鐵牽引負荷的特點

特殊的驅動類型和供電方式造成了電鐵牽引負荷具有功率因數低、波動范圍大、諧波含量豐富、負序電流大等特點。

(1)隨機波動性

與電力系統中的常規負荷相比，電鐵牽引負荷的特殊性表現在它的快速移動和頻繁波動，機車類型、運行狀態、線路條件、載重量等一系列因素都會影響到電力機車的電流特性，牽引電流從零到滿載或者從滿載到零的大范圍變化往往發生在幾秒鐘內，并且貫穿于整個運行過程。

(2)諧波特性

目前中國大多使用交直型電力機車，牽引電機所使用的直流電是基于橋式變流器整流得到的，整個電流變換過程是一個非線性過程，所以牽引電流中含有大量的諧波分量，其中奇次諧波是特征分量，偶次諧波是非特征分量。特征諧波分量以3、5、7次諧波為主，其中3次諧波最大。電鐵牽引負荷產生的諧波屬于相位分布廣泛且幅值波動大的三相不平衡諧波。

(3)負序特性

同一個電鐵牽引站的不同供電臂所接帶負荷的單相性和較小相關性決定了電鐵牽引負荷的單相獨立性，所以當電鐵牽引負荷接入三相基本平衡的電力系統時會在電網中造成一定的負序分量，引起三相電壓和電流的不平衡。

2 電鐵牽引負荷的諧波對風電場的

影響

2.1 電鐵牽引負荷的諧波特性分析

電鐵牽引負荷是電網中典型的不對稱諧波源，在其運行過程中產生的不平衡諧波電流表現的特殊的序量規律。

(1)

那么，時域下h次諧波電流如式(2)所示。

(2)

各次諧波電流通過對稱分量法可以分解為正序、負序、零序分量，如式(3)所示。

(3)

其中，a=ej120°。

通過以上分析，電鐵牽引負荷在運行過程中注入電網的3h次諧波電流會因基波電流相角偏差而含有正序和負序分量，甚至只含正序或者負序分量。因此，基波電流不對稱時3h次諧波電流將不受Y/Δ接線變壓器的阻礙而在電網中任意流動。

2.2 電鐵諧波對風電場的影響

風力發電不同于水電、火電等常規電源的顯著特點是單機容量較小，為了充分利用能量密度較低的風能，風電場中通常有大量風電機組并列運行。

當電氣化鐵路牽引站與風電場集中接入地區電網時，電鐵牽引負荷注入電網的三相不平衡諧波電流將會注入風電場，對變壓器、電流變換裝置、補償裝置、風電機組等電力設備造成影響。部分風電場投運的是恒速恒頻風電機組，在風機出口處裝設有補償無功功率的電容器組，并且風機和補償電容是同退同投的。風電場中投運風電機組(電容器組)的數量會因風速過大(超過切除風速)或者故障檢修等不確定因素而隨機變化，因此，風電場的等值阻抗會在一個較大的范圍內變動，PCC點處的諧振點分布范圍較大，較容易引起諧波放大和諧振。

注入風電場的諧波電流會增加風電機組和變壓器的損耗，加速絕緣老化，引起附加振動。對于安裝恒速恒頻風電機組的風電場，諧波電流的注入會增加補償電容的介質損耗，降低其使用壽命。如果風電場內部發生了諧波電流放大或者諧振，風機出口處的補償電容器組可能會因為過電流而跳閘甚至損壞，那么對應的風電機組也會退出運行，這樣就會造成風電場輸出有功功率的變化，加劇風電場出力的不確定性。

3 電鐵牽引負荷的負序對風電場的

影響

3.1 不平衡電壓下風電機組的功率特性

在分析三相電壓不平衡時風電機組輸出的有功功率時，用uA、uB、uC表示風機出口處三相電壓瞬時值，用iA、iB、iC表示風機出口處三相電流瞬時值，風電機組輸出的有功功率瞬時值Ps可以表示為

Ps=uAiA+uBiB+uCiC

(4)

風電機組出口處的箱式變壓器通常為Δ/Y 接線，所以不考慮零序電流分量，利用派克變換將三相靜止坐標系下的A、B、C三相分量變換到同步旋轉坐標系下的d、q、0三個分量，式(4)可以寫出如下形式。

Ps=udid+uqiq

(5)

利用對稱分量法將三相不平衡時電壓和電流矢量分解為正序和負序分量，用ω表示同步電角速度，φ0表示正序初始旋轉角和負序初始旋轉角的差值，那么同步旋轉坐標系下電壓電流分量如式(6)所示。

(6)

瞬時功率如式(7)所示。

(7)

(8)

3.2 負序對風電場的影響

電鐵牽引負荷具有單相獨立性，其注入電網的負序電流大小與兩供電臂的電流幅值及兩供電臂功率因數角之差相關。負序電流注入風電場后將造成箱式變壓器和風電場升壓站主變壓器的局部過熱，損壞絕緣，導致風電機組的附加發熱和振動，繼電保護裝置誤動作，使風電機組輸出的有功功率具有100 Hz的波動分量。由于電鐵牽引負荷的取流特性多變，風電場的輸出功率也是隨機變化的，這兩種不確定因素會造成風電場輸出的瞬時功率波動幅值頻繁變化，這勢必會加劇電網的電壓波動和閃變等電能質量問題。

4 仿真分析

4.1 仿真模型及參數

以蘭新鐵路紅柳河至阿拉山口段電氣化改造工程建設中，MGT牽引站、DBS牽引站與ALSK風電場、WLDBS風電場通過220 kV ALSK變電站集中接入新疆電網為例，地區電網接線如圖1所示。

圖1 地區電網接線圖

電氣化鐵路牽引站和風電場均是110 kV接入。ALSK風電場和WLDBS風電場各裝設了66臺單機容量750 kW的恒速恒頻風電機組，兩個風電場的裝機容量均為49.5 MW，升壓站的主變壓器均為Yn-d11接線形式。MGT牽引站和DBS牽引站的供電區段均運行的是韶山7型電力機車。在進行仿真分析時以各供電臂電力機車全開考慮。在電力系統仿真分析軟件DIgSILENT PowerFactory中搭建仿真模型，基于不平衡潮流進行諧波潮流計算和瞬時功率時域仿真，分析了電鐵牽引負荷對風電場運行特性的影響。

4.2 諧波影響仿真分析

1)風電機組投運數量不變，諧波相角變化

當兩個風電場均滿發，即66臺風電機組全部投運，電鐵牽引負荷注入電網的3次諧波電流相角與基波電流相角差(φA，3-φA，1、φB，3-φB，1、φC，3-φC，1)變化時，風電場匯流母線處各次諧波電流值如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 ΔφA，3=5°，ΔφB，3=5°，ΔφC，3=5°時風電場的諧波電流

圖3 ΔφA，3=10°，ΔφB，3=20°，ΔφC，3=30°時風電場的諧波電流

圖4 ΔφA，3=10°，ΔφB，3=30°，ΔφC，3=50°時風電場的諧波電流

通過對圖2、圖3、圖4的對比分析可得：風電場匯流母線處3次諧波電流的大小會隨著3次諧波相角與基波相角差值的變化而變化，不受風電場升壓站主變壓器接線形式的影響。

2)諧波電流不變，風電機組投運數量變化

當電鐵牽引負荷注入電網的諧波電流幅值和相位不變，兩個風電場各投運66臺、33臺、15臺風電機組時，風電場匯流母線處的各次諧波電流值如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 風電場投運66臺機組時諧波電流

圖6 風電場投運33臺機組時諧波電流

圖7 風電場投運15臺機組時諧波電流

通過對圖5、圖6、圖7的對比分析可得：當風電場滿發時，風電場匯流母線處的各次諧波電流值相對較小；當風電場各投運33臺風電機組時，兩風電場內5次諧波被放大；當風電場各投運15臺風電機組時，WLDBS風電場內7次諧波被放大。

研究結果表明：電鐵牽引負荷在運行過程中產生的三相不平衡3h次諧波的相位偏差不同時，由于諧波電流中序分量的不同而使得注入風電場中的3h次諧波含量也不同；隨著風電場中投運恒速恒頻率風電機組數量的變化有可能引起風電場內部的諧波放大或者諧振。

4.3 負序影響仿真分析

當BYH風電場有功出力33.75 MW，CH風電場有功出力為49.5 MW，電鐵牽引站接帶與電力機車等功率的三相平衡負荷時兩個風電場的輸出功率瞬時值如圖8所示，電鐵牽引站接帶的電力機車在行駛和啟動過程中兩個風電場的輸出功率瞬時值如圖9、圖10所示。

圖8 三相平衡負荷接入后風電場的輸出功率

圖9 電鐵牽引負荷行駛過程中風電場的輸出功率

圖10 電鐵牽引負荷啟動時風電場的輸出功率

通過對圖8、圖9的對比分析可得：當電鐵牽引負荷與風電場集中接入地區電網后，負序電流引起的三相電壓不平衡將會造成風電場的瞬時有功功率和瞬時無功功率以100 Hz的頻率波動。通過對圖9、圖10的對比分析可得：牽引功率越大時風電場輸出功率的波動幅值就越大，風電場的輸出功率越大時功率波動也越大。

研究結果表明：電鐵牽引負荷在運行過程中引起的電壓不平衡將造成風電機組的輸出功率包含頻率為100 Hz的波動分量，波動幅值與電鐵牽引負荷的取流及風電場的輸出功率呈正相關的關系。

5 結 論

針對電氣化鐵路牽引站與風電場集中接入新疆電網的情況，通過理論推導和仿真分析相結合的方法，深入研究了電鐵牽引負荷對風電場運行特性的影響，結果表明電鐵牽引負荷在運行過程中產生的諧波、負序電流等將對風電場的輸出功率產生較大影響。

針對電鐵牽引負荷的諧波對風電場的影響，一方面，可以采用諧波含量相對較少的交直交型電力機車；另一方面，對于規劃待建的風電場，最好安裝單機容量較大并且可以實現有功功率和無功功率解耦控制的雙饋異步風電機組或者直驅永磁同步風電機組，減小風電場中諧波放大或者諧振的概率。針對電鐵牽引負荷負序對風電場的影響，一方面可以綜合考慮經濟、技術等因素在集中接入點裝設具有分相控制能力的SVC動態無功補償裝置；另一方面，可以采用抗擾動能力相對較強的風電機組或者選擇其他的接入點，盡量避免電鐵牽引站和風電場集中接入電網。

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