地鐵牽引供電系統接入對電網電能質量影響分析

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(1.國網四川省電力公司客戶服務中心，四川 成都 610041；2.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

地鐵牽引供電系統大多由電力機車、牽引網、電纜等幾部分組成，由于該系統采用直流牽引方式，具有非線性強、電壓波動大、電纜引發的充電無功功率大等諸多特征，其接入對城市電網電能質量以及供電可靠性、穩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行電能質量預評估并提出相應的預防性措施，可提高電網的電能質量及供電可靠性和穩定性，消除軌道交通接入對電網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方案以及負荷情況。基于PSCAD對電力機車、牽引網、電纜構成的牽引供電系統進行詳細地仿真建模，然后分析了各種運行工況下地鐵牽引系統的諧波電流水平。最后針對不同系統阻抗下110 kV 電纜可能引發諧波電流放大的風險進行了評估，為軌道交通接入電網提供強有力的技術保障。

1 牽引供電系統仿真建模

1.1 牽引供電方式

研究的牽引供電系統采用單相工頻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同高度的外側增設了一條回流線，減輕了接觸網對鄰近通信線路的干擾，結構簡單、維護量小、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 交直交型電力機車模型

表1 為所選用的A+型車的主要特征參數，其中列車最高運行速度為140 km/h，其載荷和重量參數如表2所示，牽引特性曲線如圖3所示。可以看出，單車最大輸出功率為7200 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，轉差效率恒定。

表1 A+型機車的相關參數

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輛編組機車牽引特性曲線

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

圖4 交直交機車主電路結構原理

2 牽引網仿真模型

2.1 牽引網串、并聯元件

在單一頻率下，牽引網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絡電路。

圖5 π型等值電路

當牽引網的平行導線較多時，可對導線進行等值合并處理。建立串聯阻抗元件的支路導納矩陣為

圖6 電纜供電方式牽引網模塊以及子模塊

(1)

牽引網中并聯元件的節點導納矩陣為

(2)

其中Δ為大實數，而其他并聯設備的節點導納矩陣為

(3)

2.2 牽引網簡化仿真模型

復線帶回流線直供方式牽引網采用8根導線等值，包括上/下行接觸網(Tl/T2)、上/下行鋼軌(Rl/R2)、上/下行加強導線(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模型。

3 諧波電流水平評價

為了評估地鐵牽引系統接入對區域電網的影響，下面考慮較為嚴重的運行工況，即考慮多車緊密運行時注入電網的諧波水平。

設機車處于緊密運行狀態，正常供電下某主變電所牽引變壓器的計算負荷分別為19.57 MW和9.9 MW，因此重載8.615 km線路布置3列機車，各列車運行功率分別為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。考慮最嚴重情況，有兩列車分別處于牽引網上下行末端，列車在線路上分布見圖7所示。

圖7 牽引網中列車分布示意

圖8和圖9為某地鐵主變電所接入電網110 kV側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 多車緊密運行時110 kV郭家堰側電壓和電流波形

圖9 多車緊密運行時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行了統計，可以看出，110 kV 母線各相電壓總畸變率分別達到0.97%、0.61%、1.36%，110 kV接入點各次諧波電流也均滿足國標限值要求。

圖10 重載臂V/V變壓器27.5 kV側電壓和電流仿真波形

圖11 重載臂V/V變壓器27.5 kV側電壓和電流FFT頻譜

測試參數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電纜引發諧波電流放大風險分析

圖12 牽引供電系統與電網交互的并聯諧振等效電路

圖傳遞函數的幅頻特性(淺色：小方式，深色：大方式)

5 結 語

針對城市軌道交通牽引系統進行了詳細的仿真建模，考慮了多車緊密運行方式下牽引供電系統的諧波電流水平，并針對不同系統阻抗下110 kV 電纜可能引發諧波電流放大的風險進行了評估。結果表明：一方面根據當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限值要求；另一方面，牽引系統產生的諧波電流經110 kV電纜線路注入電網時，在低頻段和高頻段均存在諧波電流放大風險。