电气化铁路具有高速化、重载化、能源利用率高、经济效益好等优点。但电气化铁路牵引负荷属于大功率非线性单相负荷,接入电网后会对给其供电的电力系统带来谐波、三相不平衡等电能质量问题,不利于公用电网安全、经济运行。本文首先介绍了电气化铁路接入电网电能质量特性,主要对电气化铁路牵引负荷引起的两大主要电能质量问题谐波和负序进行详细分析;然后对电气化铁路接入电网后产生的谐波、负序对电力系统各环节的影响进行了总结;最后对目前常用的改善公用电网电能质量措施进行分类,为电气化铁路接入电网电能质量评估、治理提供参考依据。<br/>Railway electrification has advantages such as high speed, heavy load, high energy utilization and good economic benefits. But the traction load of electrified railway is a high power, single phase and nonlinear load, its access to the grid will bring about power quality problems such as harmonics, three-phase imbalance which go against safe and economic operation of power system. Firstly after electrified railway connects to power system the characteristics of power quality are introduced in this paper. The main problems, harmonic and negative sequence caused by the traction load of electrified railway, are analyzed in detail. Then, the influence of harmonic and negative sequence on power system is summarized. Finally, the current measures to improve the power quality of the utility grid are classified. A reference is provided for the power quality evaluation and treatment after the electrified railway connects to power system.
王金浩1,徐龙1,冯磊1,李慧蓬1,吕晓慧2,徐永海2
1国网山西省电力公司电力科学研究院,山西 太原
2华北电力大学电气与电子工程学院,北京
收稿日期:2016年3月2日;录用日期:2016年3月24日;发布日期:2016年3月28日
电气化铁路具有高速化、重载化、能源利用率高、经济效益好等优点。但电气化铁路牵引负荷属于大功率非线性单相负荷,接入电网后会对给其供电的电力系统带来谐波、三相不平衡等电能质量问题,不利于公用电网安全、经济运行。本文首先介绍了电气化铁路接入电网电能质量特性,主要对电气化铁路牵引负荷引起的两大主要电能质量问题谐波和负序进行详细分析;然后对电气化铁路接入电网后产生的谐波、负序对电力系统各环节的影响进行了总结;最后对目前常用的改善公用电网电能质量措施进行分类,为电气化铁路接入电网电能质量评估、治理提供参考依据。
关键词 :电气化铁路,电能质量,谐波,三相不平衡,评估,治理
近年来,我国电气化铁路发展迅速。电气化铁路牵引负荷主要是交直型和交直交型电力机车,交直型电力机车以韶山(SS)型机车为代表,交直交型机车主要有HXD系列和CRH系列。电力机车一方面从公用电网获得电能,另一方面,作为大功率非线性单相负荷,电力机车将会产生谐波和负序电流注入公用电网,危害电网安全经济运行。电气化铁路发展至今,其给电力系统带来的谐波和三相不平衡等电能质量问题等一直备受关注,这些电能质量问题会给电力系统各个环节带来危害 [
本文首先描述了电气化铁路接入电网带来的电能质量问题,重点介绍了单相非线性牵引负荷接入三相系统后引起的谐波、负序问题。其次,对谐波、负序给电力系统带来的危害进行了总结。最后对改善公用电网电能质量问题的措施进行分类,主要分为两大类:一类是对牵引供电系统做出的改进;一类是补偿装置的应用。改善公用电网电能质量需要电力部门与铁路部门的协同合作,正确认识电气化铁路牵引负荷接入电网带来的电能质量问题并采取针对性的治理措施,实现电力部门和铁路部门的双赢。
电力机车为波动性很大的大功率单相整流负荷,具有不对称、非线性、波动性等特点,产生的谐波具有以下特点 [
1) 谐波幅值随机波动。谐波电流随基波电流剧烈波动,谐波电流峰值持续时间较短,且波动范围很大。
2) 谐波相位广泛分布。电气化铁路牵引负荷相位分布广泛,各次谐波向量可在复平面四个象限间随机分布。
3) 谐波次数奇次为主。电气化铁路稳态运行时牵引负荷只产生奇次谐波,其中以3次谐波含量最大。
4) 谐波电流影响范围广。电气化铁路牵引负荷产生的任意次谐波都通过110 kV/220 kV电压等级注入并进一步影响其他电压等级,并且不受变压器接线方式的影响。
我国交直型电力机车主要有韶山型(SS型)机车,很长一段时间内被广泛应用于客运、货运。SS系列机车主要有SS3、SS4、SS6、SS8、SS9等车型,目前,很多车型仍旧被使用。交直型电力机车采用直流传动方式,机车工作原理图如图1,由于采用大量电力电子设备,将会产生谐波电流注入电网,影响电网电能质量。文献 [
我国交直交型电力机车目前投入使用的主要有CRH系列和HXD系列。交直型电力机车工作原理图如图2,谐波电流主要由整流装置产生,不同型号交直交型电力机车整流装置不同。其中,CRH2型机车采用三电平四象限PWM整流装置,CRH1、CRH3、CRH5型机车采用并联二重化的两电平整流装置,而HXD系列机车使用的整流装置为单相两电平四象限整流装置 [
电气化铁路牵引负荷是单相工频交流负荷,电力系统向其供电时,电铁牵引负荷将向电力系统注入大量负序电流,引起电力系统三相不平衡。公用电网中的三相电通过牵引变压器转化为单相电供给牵引负荷,因此不同接线形式的牵引变压器将引起负序电流的不同。目前我国牵引变压器普遍采用的接线方式有:YNd11接线、V/V接线、Scott接线和阻抗匹配平衡接线。研究表明 [
我国电力机车大多采用整流型电力机车,由于交流侧电流波形畸变以及整流换向过程中重叠导通角的影响造成功率因数偏低,一般为0.8~0.85。由于牵引网阻抗的影响,牵引变电所牵引变压器低压侧功率因数要降低0.01~0.05;高压侧功率因数要降低约0.05 [
谐波和负序问题是电气化铁路接入电网引起的主要电能质量问题,对公用电网的危害主要可分为以下几个方面 [
1) 电机。引起发电机附加损耗和振动,降低容量利用率,危害安全经济运行。
2) 变压器。变压器处于三相不平衡状态下运行会导致变压器容量不能充分利用;另外,谐波的存在会引起变压器额外损耗,负序电流中含有谐波时,额外发热导致变压器寿命缩短。
3) 输电线路。谐波和负序导致线路除正常运行产生的损耗外,还会增加负序电流及谐波电流产生的附加损耗,增大线路网损,不利于系统的经济运行。
图1. 交直型电力机车工作原理图
图2. 交直交型电力机车工作原理图
机车类型 谐波次数 | SS3 | SS3B | SS4 | SS6 | SS8 | SS9 |
---|---|---|---|---|---|---|
3 | 25 | 33.3 | 23 | 26 | 29 | 17 |
5 | 14 | 18.2 | 11 | 15 | 19 | 6.5 |
7 | 9 | 12.4 | 7 | 10 | 15 | 2.3 |
9 | 5.5 | 9.5 | 4.5 | 7 | 6 | 3.5 |
11 | 4 | 7.8 | 2.4 | 4 | 4.5 | 5 |
13 | 1.7 | 5.9 | 1.2 | 2 | 3 | 1.8 |
表1. SS型机车典型车型谐波含量(%)
4) 继电保护和自动装置。谐波、负序分量较大,可能会造成系统中一些继电保护和自动装置误动作,不利于系统安全运行。这些保护如,发电机保护、母线差动保护和线路保护等。
5) 电能计量。配电系统中广泛使用的仪表,如电压表、电流表、功率表等,在谐波的影响下可能会出现计量误差。
电铁负荷接入电网带来的谐波、负序、功率因数低等电能质量问题不容忽视,目前国内外常用的治理措施主要分为两大类:针对电气化铁路牵引供电系统的改进及补偿装置的应用。
针对电气化铁路牵引供电系统做出的改进措施主要有:提高外部系统的短路容量,对牵引变压器的改进,牵引网的换相序连接及同相供电系统的研究等。
公共连接点(PCC)的电压畸变率、电压不平衡度等与短路容量成反比,因此,为缓解电铁负荷接入电网引起的电能质量问题,应尽可能提高外部系统的短路容量 [
电气化铁路牵引变压器按接线方式可分为:单相接线牵引变压器、三相接线牵引变压器(V/V接线、YNd11接线)和三相/两相平衡接线牵引变压器(Scott接线、阻抗匹配平衡接线)。从负序特性的分析得出,两臂负荷接近时采用平衡接线变压器降低负序影响效果较为理想,针对平衡接线变压器及电气化铁路需要,我国基于自主知识产权开发多种平衡变压器产品 [
为缓解电气化铁路带来的三相不平衡问题,现阶段电气化铁路多采用轮流换相技术。轮流换相本身不增加额外设备,是一种低成本、可靠性高的负序抑制措施,但换接相序导致电分相的出现,不利于电气化铁路高速运行。针对相邻供电区段电分相引起的列车速度及牵引力损失等问题,同相供电技术应运而生。
同相供电系统是指线路上不同变电所供电的区段接触网电压相位相同、线路上无电分相环节的牵引供电方式 [
目前我国电气化铁路中普遍采用并联电容补偿(Fixed Capacitor, FC)加装LC滤波器,兼顾无功补偿与谐波滤除。随着电力电子技术的发展,静止无功补偿器(Static Var Compensator, SVC)、静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator, STATCOM)和有源电力滤波装置(Active Power Filter, APF)等也引起了学者们的关注。根据安装位置的不同,可将补偿装置分为:在电力机车上采取的补偿措施、牵引系统侧补偿措施和供电系统侧补偿措施。
电气化铁路的谐波、负序、功率因数低等问题根源来自于电力机车。在电力机车上装设补偿装置,可以从源头解决电气化铁路引起的电能质量问题。20世纪90年代初,我国在一部分机车上安装了车载动态无功补偿装置,具体方法是在机车牵引绕组上装设晶闸管投切的3次谐振电容补偿装置(Thyristor Switched Capacitor, TSC),在动态吸收感性无功的同时还可以吸收部分谐波电流;另外还可在机车主变压器二次侧跨接滤波器,常用的有RC、LC和RLC三种方式 [
通过在电力机车上安装补偿装置和滤波电路,可以避免谐波电流在传播过程引起损耗及谐波电流放大的问题,相比于在其他地方安装滤波装置效果要好。但补偿电路抗扰能力差,受干扰后易发生故障。
SVC装置具有控制简单、体积小等优点,安装在牵引变电所二次侧附近的SVC装置对于提高功率因数、谐波治理效果显著。目前,我国南昆线电气化铁路采用了TCR + FC型SVC,宁夏银川迎水桥牵引变电所安装了单相SVC;在国外,日本东北新干线、东海道新干线、英法海底隧道电气化铁道等均有SVC投入使用。也有学者提出基于SVC的改进措施进行电铁电能质量的治理,文献 [
STATCOM装置以铁路功率调节器(Railway Static Power Conditioner, RPC)为代表,1993年,日本学者提出铁路功率调节器RPC [
统一电能质量调节器(Unified Power Quality Conditioner, UPQC)作为有源滤波器家族的重要组成,近些年来,受到越来越多的关注。其基本结构如图3,UPQC主要由串联有源滤波器和并联有源滤波器两部分组成,并联部分主要用于谐波及无功的补偿,串联部分则用于调节负载电压,提高供电可靠性。已有学者对UPQC的控制策略、能量优化补偿策略等进行研究 [
APF初期投资成本大,对于大容量补偿需要大的装置容量,为实现在动态改善电网电能质量的同时降低补偿装置容量和投资成本,混合型电力滤波器在电铁供电系统的应用引起学者们的关注 [
安装于系统侧的SVC装置在国外已有应用。日本提出并采用V接线型不平衡功率调节器(SUP)和变相位无功补偿装置SVC的用于改善高速铁路电能质量,主要针对三相系统不平衡的抑制。我国神朔电气化铁路实现了三相SVC装置的应用,三相式SVC装置基于电纳补偿原理实现对牵引站无功电流和负序电流的综合补偿。用于电网侧STATCOM装置主要有电网侧三相STATCOM装置和电网侧两相STATCOM装置。目前日本在电铁供电系统STATCOM装置的研究和工程实践方面处于领先地位。
针对电气化铁路未来治理措施的研究,主要是对这些现有措施进行优化,比如:同相供电技术的完
图3. UPQC基本结构图
图4. 独立同相供电方式系统结构图
善。我国西南交通大学学者提出了采用独立同相供电方式的想法,独立的同相供电方式为从根本上解决电气化铁路牵引负荷带来的三相不平衡问题提供了新的思路。电力电子技术的快速发展,更有利于独立同相供电方式的实现。图4所示为独立同相供电方式的系统结构图,图中牵引变电所由公用电网供电,通过“交–直–交”大功率电力电子变流装置实现电气化铁道内部牵引网的单相同相供电。牵引网从公用电网侧看进去是一个对称负荷,故不存在三相不平衡的问题。除此之外,该系统可以很大程度上将牵引供电系统与电力系统隔离开来,使得电力系统与牵引供电系统互不影响。同时,该方式下电分相环节被取消,有利于列车高速运行。独立的同相供电方式不仅满足电气化铁路高速重载的要求,并且对于负序治理效果显著。
本文论述了电气化铁道牵引负荷接入电网后带来的谐波、负序等电能质量问题及其对电力系统各环节的影响。对目前常用的改善公用电网电能质量的治理措施进行了分类总结,并提出未来治理可能的发展方向,可为正确认识电气化铁路接入电网后的电能质量问题及后续治理提供参考。
王金浩,徐 龙,冯 磊,李慧蓬,吕晓慧,徐永海. 电气化铁路电能质量问题分析Analysis of Power Quality Issues of Electrified Railway System[J]. 电力与能源进展, 2016, 04(01): 1-8. http://dx.doi.org/10.12677/AEPE.2016.41001