电气化铁路电能质量评估及新型控制方案研究.pdf

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电气化铁路电能质量评估及新型控制方案研究1 电气化铁路电能质量评估及新型控制方案研究2 电气化铁路电能质量评估及新型控制方案研究3 电气化铁路电能质量评估及新型控制方案研究4 电气化铁路电能质量评估及新型控制方案研究5 电气化铁路电能质量评估及新型控制方案研究6 电气化铁路电能质量评估及新型控制方案研究7

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第40卷第l6期2012年8月16日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlV_o1.40NO.16Aug.16,2012电气化铁路电能质量评估及新型控制方案研究陈民武,宫衍圣,李群湛,黄文勋(1.西南交通大学电气工程学院,四川成都610031;2.中铁第一勘察设计院集团有限公司电气化处,陕西西安710043)摘要:电气化铁路电能质量问题集日现在负序、谐波、无功及电压偏差等方面,机车类型、线路条件和运行组织等因素直接影响了电能质量状况。在电气化铁路牵引供电系统综合测试的基础上,掌握了普速客货混跑线路、重载线路以及高速线路牵引负荷特性,定量评估了其对外部电力系统电能质量的影响,探讨了其共性和特殊性,并分析了主要原因。针对一种新型电能质量控制方案,建立了主电路和牵引负荷模型,仿真验证了其可行性和技术优越性。关键词:电气化铁路;负荷特性;电能质量;控制方案AssessmentofpowerqualityofelectrifiedrailwayandtheresearchonthenewcontrolschemeCHENMin.WU,GONGYan.sheng,LIQun.zhan,HUANGWen.xun。(1.SchoolofElectricalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China;2.ChinaRailwayFirstSurveyand’DesignInstituteGroupLtd.,DeptofElectrifiedRailway,Xiall710043,China)Abstract:TheproblemsofpowerqualityofelectrifiedrailwayareembodiedintheaspectsofnegNivesequence,harmonics,reactivepowerandvoltagedeviation.Thefactorssuchasthetypeoflocomotive,lineconditionandoperationorganizationinfluencethepowerqualitydirectly.Inthispaper,theloadcharacteristicsofthelineofmixedfreightandpassenger,heavyhaulandhighspeedrailwayareobtainedbasedonthefieldtestingoftractionpowersupplysystem.Thequantit ̄iveassessmentofpowerqualityoftheexteriorpowersupplyisgiven,thegeneralityandparticularityarediscussedandthemaincauseisanalyzed.Theresearchonanewpowerqualitycontrolschemeiscarriedout,themodelsofmaincircuitandtractionloadarebuilt,andthefeasibilityandsuperiortechnologyoftheschemeareprovedbythesimulation.Keywords:electrifiedrailway;loadcharacteristic;powerquality;controlscheme中图分类号:TM933文献标识码:A—文章编号:16743415(2012)16-0141・070引言电力牵引是各种运输方式中唯一能以电代油的,其节约能源的优势十分明显I。作为直接连接于电力系统为数不多的高压用户,电力牵引对电力系统电能质量产生了一定影响,集日现在负序、谐波、无功及电压偏差等方面L2J。由于电气化铁路牵引负荷特性与机车类型、线路条件和运行组织等紧密相关,普速客货混跑铁路、重载线路以及高速线路(含客运专线)的牵引负荷特性具有一定共性和特殊性【41。因此,有必要收集实际运行资料,掌握各种类型电气化铁路牵引负荷特性,定量评估其对“”基金项目:十一五国家科技支撑计划(2007BAA12B05);中铁第一勘察设计院科研开发项目(2010-B1);甘肃省电力公司科研项目(GSFDZX.KJ)电力系统的影响。本文在牵引供电系统综合测试的基础上,基于相关标准,系统分析牵引供电实测数据,定量评估了不同负荷特性对外部电源电能质量的影响,探讨了其共性和特殊性,并分析了主要原因。针对一种新型电气化铁路电能质量控制方案,建立了主电路和牵引负荷模型,仿真验证了其可行性和技术优越性。1国内外电能质量标准及对电气化铁路的特殊要求】1.1谐波目前我国电力部门主要采用《电能质量公用电网谐波》(GB/T14549.1993)标准,其制定依据为英国G5/3工程建议书《电力系统谐波技术规定》【6J,而《电磁兼容限值中、高电压电力系统中畸变负荷发射限值的评估》(GB/Z17625.4.2000)则等同采用.142.电力系统保护与控制—了IEC610003.6国际标准。此外,欧洲电工标准化委员会(CENELEC)发布的《公用配电系统供电—特性》文件、英国G5/4工程导则、IEEEStd5191992等标准也被广泛采用。针对电气化铁路特殊供电方式和负荷特性,各国对电气化铁路(以下简称电铁)电能质量考核也有专门的规定。英国E24工程建议书《向英国交流电气“化铁道供电》承认电气化铁道谐波具有一定的特殊性,其限值规定可以比一般的电力系统的限值更高一”些。美国运输部在《美国10000英里电气化铁道牵“引供电设计》中给出了总谐波电压畸变率限值为”3.0% ̄rl单次谐波电压畸变率限值为1.0%的规定。“加拿大规定在专供电铁的公共连接点(PCC)由电铁产生的总谐波电压畸变率不大于5.O%,单次谐波畸变率不大于1.5%。当PCC不仅向电铁供电,还向一般电力负荷供电的情况下,由电铁产生的总谐波电压畸变率和单次的谐波电压畸变率,在PCC电压为100I及以上时,分别不大于3.0%和1.0%,在PCC”电压小于100kV时,分别不大于5.0%和1.5%。1.2三相不平衡度目前我国电力部门主要采用《电能质量三相电压允许不平衡度》(GB/T15543.2008)标准J。国—外相关标准和文件包括IEC610002。4《低频传导干扰的工业设备的电磁兼容水平》以及欧洲电工标准化委员会(CENELEC)发布的《公用配电系统供电特性》文件均有相应的规定。国外对电铁引起的三相电压不平衡度的考核也不尽相同,加拿大在《铁路电气化建议标准》中对“负序的规定为电气化铁路正常运行情况下电压不平衡度不超过2%(指增量);电气化铁路非正常运”行情况下电压不平衡度不超过3%(指增量)。澳“大利亚对昆士兰电气化铁路的规定O.5h最大负荷电压不平衡度不超过0.7%;5min最大负荷电压不平衡度不超过l%;1min最大负荷电压不平衡度不”“超过2%;新西兰电力公司规定电气化铁路主干”线的最大持续负序电压要求不超过2%。1.3电压允许偏差目前我国电力部门主要采用《电能质量供电电压允许偏差》(GB12325.2008),该标准主要用于考核牵引变电所进线端电压偏差大小】。1.4功率因数功率因数也是考核供电品质的重要指标之一。按原水利电力系统和国家物价局颁布的《功率因数调整电费办法》((83)水电财字第215号)规定160kVA以上的高压供电工业用户功率因数不小于0.9。目前电力系统考核电铁功率因数的计算方法主要包括无功返送不计和无功返送正计两种方式。2基于实测数据的电铁电能质量评估2.1客货混跑线路‘某客货混跑线路为双线I级电气化铁路,限制坡度为6%。,机车类型为ss,单机牵引,牵引质量为4000t,牵引变电所进线电压为110kV,外部电源短路容量为500MVA;主变压器为阻抗匹配平衡变压器,主变容量为25MVA,一主一备方式运行;主变压器的额定铜耗为137.891kW,额定空载损耗为23.45l;所内设置固定补偿装置,两臂容量均为2.8Mvar和3.2Mvar。图1表示24h内牵引变电所进线三相电流。基于电能质量国家标准,给出客货混跑线路主要电能质量指标统计结果,其中表1为谐波电压畸变率,表2为三相电压不平衡度,表3为高压侧电压偏差,表4为低压侧电压偏差,表5为平均功率因数。磊≤-I.{.ul^。IIL0B相电流图1客货混跑线路牵引变电所原边三相电流Fig.1Primarythree-phasecurrentoftractionsubstationofmixedfreightandpassengerline表1客货混跑线路牵引变电所谐波电压畸变率Table1Distortionofharmonicvoltageoftractionsubstationofmixedfreightandpassengerline表2客货混跑线路牵引变电所三相电压不平衡Table2Three-phasevoltageunbalanceoftractionsubstationofmixedfreightandpassengerline电压不平衡度95%概率大值电压不平衡度最大值陈民武,等电气化铁路电能质量评估及新型控制方案研究.143.表3客货混跑线路牵引变电所进线电压偏差表6重载线路牵引变电所谐波电压畸变率Table3PrimaryvoltagedeviationoftractionsubstationofmixedfreightandpassengerIine表4客货混跑线路牵引变电所低压侧母线电压偏差Table4Secondaryvoltagedeviationoftractionsubstationofmixedfreightandpassengerline表5客货混跑线路变电所平均功率因数Table5Averagepowerfactoroftractionsubstationofmixedfreightandpassengerline反送不计反送正计2.2重载线路分析某重载线路为双线I级电气化铁路,限制坡度‰为6,机车类型为sS,双机牵引,牵引质量为10000t。该牵引变电所进线电压为110kV,外部电源短路容量为450MVA;采用AT供电方式和Scott接线变压器,主变额定容量75MVA,一主一备运行方式;主变压器额定铜耗283.3kW,主变压器额定空载损耗51.85kW;变电所设置固定电容补偿,两臂容量均为3Mvar。图2表示24h内牵引变电所进线三相电流。基于电能质量国家标准,给出重载线路主要电能质量指标统计结果,其中表6为谐波电压畸变率,表7为三相电压不平衡度,表8为高压侧电压偏差,表9为低压侧电压偏差,表10为平均功率因数。4oo一.塑皇...300lJ1≤lIIII..Ij0510l52025图2重载线路牵引变电所原边--- ̄B电流Fig.2Primarythree-phasecurrentoftractionsubstationofheavyhaullineTable6Distortionofharmonicvoltageoftractionsubstationofheavyhaulline表7重载线路牵引变电所三相电压不平衡—Table7Threephasevoltageunbalanceoftractionsubstationof!呈!!电压不平衡度95%概率大值电压不平衡度最大值表8重载线路牵引变电所进线电压偏差Table8Primaryvoltagedeviationoftractionsubstationofheavyhaulline表9重载线路牵引变电所低压侧母线电压偏差Table9Secondaryvoltagedeviationoftractionsubstationofheavyhaul1ine表10重载线路牵引变电所平均功率因数Table10Averagepowerfactoroftractionsubstationofheavyhaulline反送不计反送正计2。3高速线路分析某高速铁路为双线I级客运专线,最大坡度一‰般区段为l2,局部地段不超过20%o,机车类型为CRH3,8辆编组。该牵引变电所进线电压为220kV,系统短路容量为3000MVA;采用AT供电方式和Vx接线变压器,主变额定容量为31.5MVA,采用一主一备工作方式。单台单相变压器额定铜耗102.2kW,额定空载损耗28.3kW。考虑到高速铁路在我国尚处于起步阶段,列车发车密度和运行图通过不断调整,逐步达到设计标准,以满足运量要求。收集了该线路开通至今不同阶段的实测数据,图3为不同时期馈线侧T母线和F母线电流。基于电能质量国家标准,给出高速线路主要电能质量指标统计结果,其中表11为谐波电压畸变率,表l2为三相-144一电力系统保护与控制电压不平衡度,表13为高压侧电压偏差,表14为表14牵引变电所低压侧母线电压偏差低压侧电压偏差,表15为平均功率因数。后期t/h图3高速线路牵引变电所不同时期馈线侧T母线和F母线电流Fig.3TbusandFbuscurrentsoftractionsubstationofhighspeedlineindifferenttime表11高速线路牵引变电所谐波电压畸变率Table11Distortionofharmonicvoltageoftractionsubstation相别A相B相C相初期95%畸变率/%0.5l0.540.46最大畸变率/%O.610.74O.6895%畸变率0.510.46041中期最大畸变率/%0.920.89O.9195%畸变率/%0l290.280-23后期最大畸变率/%O.560.79O.76表12高速线路牵引变电所三相电压不平衡Table12Three-phasevoltageunbalanceoftractionsubstation电压不平衡度95%概率大值O.15初期电压不平衡度最大值/%0.20电压不平衡度95%概率大值/%0.51中期电压不平衡度最大值0.72电压不平衡度95%概率大值,%O.26后期电压不平衡度最大值/%O-35表13高速线路牵引变电所进线电压偏差Table13Primaryvoltagedeviationoftractionsubstationof额定进线电压/kV220相别A相B相C相平均值/kv149.90137.36134.82初期最大值/kV151.92139l3O136.79最小值/kv147.56133.9513172平均值/kV140.O8l35.91135.41中期最大值/kvl44.68139.18138_54最小值/l(V137I21133.O2132-36平均值v133.49I31.46131.46后期最大值/kV134.79132.74l32.68最小值/kVl32.18129.74l29.66Table14Secondaryvoltagedeviationoftractionsubstationofhighspeedline额定电压V27.5母线上行方向上行方下行方向下行方类别T母线向F母线T母线向F母线平均值/kV27.58273327.4127.40初期最大值/kV28.09278227.8427-82最小值/kV26.1725.9926.8526.84平均值/kV27.5527.2827_3827.34中期最大值/kV28.O827.8O28.0l27.9O最小值V26_8O26.6726.8O26.82平均值/kV27.1326.9426.9927.11后期最大值/kV27.4227-2127-3727.46最小值/kV26.5026_3026-3826.63表15变电所平均功率因数Table15Averagepowerfactoroftractionsubstationofhighspeedline3主要电能质量问题分析3.1谐波问题不同线路谐波电压统计结果表明:采用110kV进线电压等级的客货混跑线路和重载线路的电压总畸变难以达到国家标准,而采用220kV进线电压等级的高速铁路可以达到国家标准。究其原因,一方面,由于前者主要运行交直型电力机车,整流装置不可避免会产生大量谐波电流,而后者主要运行基于PWM变频技术的交直交型电力机车,有效降低了谐波电流的含量;另一方面,前者采用110kv等级进线电源,系统短路容量小,谐波阻抗较大,造成明显的电压畸变,而后者采用220kV等级进线电源,系统短路容量大,谐波阻抗较小,谐波畸变减dx[91。高速铁路不同运营阶段谐波电压统计结果表明:各阶段谐波电压水平有一定差异,主要趋势是逐步降低,究其原因一方面是背景谐波水平不同时期大小不同,另一方面,机车谐波电流的相位分布广泛,当发车密度逐步增大后,基于多谐波源叠加原理,造成了馈线谐波电流含量降低,体现为谐波电压畸变率变小。3.2三相不平衡问题不同线路三相电压不平衡度统计结果表明:电气化铁路引起的三相电压不平衡度和系统的短路容量相关性较强。一般来说,客货混跑线路虽然外部陈民武,等电气化铁路电能质量评估及新型控制方案研究一145.电源系统短路容量有限,但牵引变电所两臂负荷较均衡,通过采用平衡变压器,可以抑制三相电压不平衡度。重载线路牵引负荷较重,虽然采用了平衡变压器,但很难保证两臂负荷的平衡,同时外部电源系统短路容量较低,因此三相电压不平衡较为突出;而高速铁路采用220kV等级外部电源,短路容量较大,三相电压不平衡度明显降低。高速铁路不同运营阶段三相电压不平衡度统计结果表明:各阶段三相电压不平衡度有一定差异,主要趋势是先增大后变小,并趋于稳定。究其原因,一方面,是背景电压不平衡度不同时期大小不同,另一方面,开通初期发车密度较低,牵引负荷对电压不平衡度的影响也较小,随着发车密度增加,牵引负荷的单相不对称性导致电压不平衡度逐渐变大,当达到较大发车密度时,牵引变电所两供电臂负荷较平衡,三相电压不平衡度变小并趋于稳定。3.3电压偏差问题不同线路电压偏差统计结果表明:引起牵引变电所高压侧电压波动的主要因素包括外部电源系统电压波动、牵引负荷引起的电压降、牵引负荷再生制动向电源系统反馈电能引起的电压波动等。测试中牵引变电所高压侧进线电压均符合国标要求,供电质量较好,牵引变电所低压侧母线电压偏差仅客货混跑线路由于供电臂较长,空载概率较大,平均电压偏高。高速铁路不同运营阶段电压偏差统计结果表明:各阶段牵引网电压分布均在25~28kV范围内,完全满足交直交动车组的运行要求,考虑到牵引网‘电压偏差与列车编组、发车密度紧密相关,需要根据不同行车组织条件校核电压水平和供电能力0l。3.4功率因数问题不同线路曰功率因数统计结果表明:由于客货混跑和重载线路一般投入固定补偿电容,在采用反送不计时,日功率因数都达到0.9,但采用反送正计时,过补偿严重,功率因数明显偏低,因此在牵引供电系统设计过程中需要根据负荷特性和计量方式研究固定补偿方案的适应性。高速线路一般不设置专门的无功补偿装置,采用的交直交型电力机车功率因数一般可以达到0.95以上。高速铁路不同运营阶段日功率因数统计结果表明:各阶段功率因数有一定差异,当采用返送正计方式时,在运营初期发车密度较小时,由于供电臂较长,分布电容作用明显。利用电磁场理论,初步估算牵引网各导线对地电容为2gF,对应到空载时单一供电臂无功功率达到了500kvar,直接导致了反送正计方式下平均功率因数较低。随着发车密度的增大,功率因数问题可以得到根本解决。4新型电铁电能质量控制方案研究4.1方案简介为解决电气化铁路上述问题,减少能量损耗,提高系统运行效率,实现节能减排的目标,文献[2]“”提出的理想供电系统值得深入研究。该方案的基本原理是在电气化铁路牵引变电所内将外部三相电源系统(110kV/220kV/330kV等级)通过降压变压器接入三相变流器,三相变流器与单相变流器通过直流储能环节连接,单相变流器输出端接升压变压器,提供稳定的27.5kV工频单相电压接入牵引供电系统。由于全部采用四象限变流器,再生制动的电能可存储或反馈给电网,同时也便于引入新型能源,提高了所用电质量和可靠性。其基本原理如图4所示。图4理想供电系统牵引变电所原理图Fig.4Schematicdiagramoftractionsubstationofidealpowersupplysystem4.2建模与仿真本文在文献[2】的基础上,在Matlab/Simulink环境下,建立了新型供电方案主电路仿真模型和牵引负荷模型,如图5所示,具体仿真结果如图6~图9所示。l抽固l:相电力系统三相隔离(降压)单相变流器驱动模块图5理想供电系统牵引变电所仿真模型Fig.5Simulationmodeloftractionsubstationofidealpowersupplysystem.146.电力系统保护与控制图6模拟牵引负荷实际波形Fig.6Waveformofsimulationtractionload’’r一_一_.。。j.j棚cfs图8原边三相电流仿真波形—Fig.8Waveformofprimarythreephasecurrent…‘‘e,1~、“……1“FT|lI~……●…r…l≤≤磊荔图9A相电流仿真分析结果Fig.9FFTresultsofphaseAcurrent仿真模型假设三相电力系统完全对称,不存在谐波畸变;三相变压器实现隔离和降压的功能,满足变流器耐压要求;三相变流器和单相变流器均为电压型,采用交~直一交变换结构,通过直流电容在两级变换器中实现有功功率的传递;单相变压器实现隔离和升压的作用,满足牵引供电系统27.5kV电压等级的要求。检测和控制系统包括电流检测模块、三相变流器驱动模块和单相变流器驱动模块,其中电流检测模块采用滞环电流控制方式,具有硬件电路简单、△响应快且电流跟踪动态偏差由滞环宽度fm确定,稳定性不随电流变化率变化而变化,能够实现对指令电流的快速跟踪。三相变流器驱动模块和单相变流器驱动模块均采用SPWM控制,技术成熟,稳定性较好。统计牵引负荷实测数据可知,以交直型电力机车为主的普速客货混跑线路牵引负荷功率因数角大致为30。,并含有一定量的3次和5次谐波分量,仿真模型中采用式(1)作为牵引负荷数学表达式,实际波形如图6所示。。日d=42・400sin(100rtt一)+42・100sin(3OOrct一-JL,+.60sin(500一)O(1)牵引负荷的FFT分析结果如图7所示,其中三次谐波含量为25%,五次谐波含量为15%,牵引负荷电流总畸变率为29.15%。图8和图9表示电能质量综合补偿效果,原边三相电流在稳态时基本对称,负序电流不平衡度小于2%,谐波电流畸变率明显降低,仅为1.45%,其中三次谐波降为O.03%,五次谐波降为0.11%,功率因数近似为1。与现有技术相比,该方案的主要技术优越性表现如下。(1)通过三相一单相交直交变换技术,谐波问题极大改善。该方案将整条线路牵引网互联,构成独立于上一级电网的环形供电网络,实现电力系统与牵引供电系统低干扰隔离。(2)不存在三相不平衡问题,或者说三相不平衡问题在运行中经电力电子器件的正弦调制而消除。.理想情况下牵引供电系统只从电力系统取得三相正序有功电流。(3)取消了常规牵引供电系统的电分相环节,..一0一~■..■jg陈民武,等电气化铁路电能质量评估及新型控制方案研究.147.实现了全线牵引网互联,减少了机车过分相的速度损失和能量消耗。(4)有效利用新能源和机车再生制动能量,提高了牵引供电系统的能量利用率。(5)采用单相接线变压器,容量利用率100%,通过三相变流器技术,提供稳定和可靠的所用电三相电源。5结论与展望我国电气化铁路电能质量面临的主要问题有谐波、三相不平衡、无功功率等。其中普速客货混跑线路和重载线路主要表现为谐波畸变严重,三相电压不平衡和功率因数偏低,而高速铁路(含客运专线)电能质量整体较好,但不排除个别地区外部电源较弱时三相电压不平衡仍然突出,特别是新能源发电接入后可能造成的一系列问题不容忽视。针对传统电能质量控制手段效果不理想,基于大功率电力电子技术的理想供电系统可以实现电气化铁路电能质量的综合治理,具有明显的技术优势,值得进一步研究和推广应用。参考文献[1]李群湛,连级三,高仕斌.高速铁路电气化工程[M】.成都:西南交通大学出皈社,2006.[2]李群湛.我国高速铁路牵引供电发展的若干关键技术问题[J].铁道学报,2010,32(4):119.124.LIQtm-zhan.Onsometechnicalkeyproblemsinthedevelopmentoftractionpowersupplysystemforhigh・speedrailwayinChina[J].JournaloftheChina—RailwaySociety,2010,32(4):l19124.[3]董祥,李群湛,黄军,等.适用于电气化铁路的无功谐波电流检测方法研究[J].电力系统保护与控制,2009,37(6):32-35.DONGXiang,LIQun-zhan,HUANGJun,eta1.Detectingmethodsofreactivepowerandharmoniccurrentinelectrifiedrailwaysystems[J].PowerSystem—ProtectionandControl,2009,37(6):3235.[4]刘育权,吴国沛,华煌圣,等.高速铁路牵引负荷对电力系统的影响研究[J】.电力系统保护与控制,2011,—39(18、:150154.LIUYu-quan,WUGuo-pei.HUAHuang-sheng,eta1.Researchontheeffectonthepowersystemoftractionloadofhigh-speedrailway[J].PowerSystemProtectionandControl,2011,39(18):150-154,[5]林海雪.电压电流频率和电能质量国家标准应用手册[M】.北京:中国电力出版社,2001.[6]GB/T14549.1993电能质量公用电网谐波【S】.北京:中国标准出版社,1993.[7]GB/T15543.2008电能质量三相电压不平衡[S】.北京:中国标准出版社,2008.[8]GB/T12325.2008电能质量供电电压允许偏差[S】.北京:中国标准出版社,2008.[9]张晓薇,李振国.电气化铁路接入电力系统220kV和110kV供电电压等级的研究[J】.电力系统保护与控制,2008.36(17):13-l5.ZHANGXiao-wei,L1Zhen-guo.Researchonpowersupplywith220kVand110kVintractionsubstationsofelectricrailways[J].PowerSystemProtectionandControl,2008,36(17):13-15.[10]TB10009.2005铁路电力牵引供电设计规范[S】.北京:中国铁道出版社,2005.收稿日期:2011-09-26作者简介:陈民武(1983一),男,博士,主要从事电能质量综合补偿与控制,牵引供电系统优化设计方面的研究。E.mail:cmw015@163.com
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