城市輕軌供電系統(tǒng)對公共電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響研究

文春雷，劉建軍，詹宏，張宇，魏燕，周凱，黃友聰

(1．重慶市電力公司，重慶市，400013;2．智能電網(wǎng)四川省重點實驗室(四川大學(xué))，成都市，610065)

0 引言

隨著我國城市化的加速，城市交通問題日益突出，各大中心城市相繼建立了城市軌道交通(包括輕軌和地鐵)交通系統(tǒng)。其主要采用牽引供電系統(tǒng)，通過從公共電網(wǎng)供電到牽引變電所，通過牽引供電系統(tǒng)為機(jī)車供電。由于牽引負(fù)荷的非線性、非正弦性、非對稱性和非連續(xù)性的“四非”特性，可能威脅到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行［1-2］。同時，城市軌道交通負(fù)荷處于人口密集的城市之中，一旦造成事故有可能對整個城市的電力供應(yīng)和社會穩(wěn)定帶來影響［3-4］。

實際上，機(jī)車在運行中負(fù)荷及其電能質(zhì)量參數(shù)會發(fā)生變化，受許多不確定的因素影響。盡管國內(nèi)外在研究牽引負(fù)荷諧波時采用了隨機(jī)模擬的方法，但主要以實測法進(jìn)行研究，實際測量往往對列車實際的運行狀況并不清楚，很難摸清電能質(zhì)量的變化規(guī)律［5］。目前的許多研究中給出了機(jī)車在運行中產(chǎn)生的隨機(jī)諧波電流計算方法［6-8］，但其要求掌握復(fù)雜的控制算法，而且其研究對象主要針對普通電氣化牽引供電系統(tǒng)。由于輕軌供電系統(tǒng)采用直流牽引，并且采用三電平逆變系統(tǒng)，具有特殊性，針對該問題的研究并不多見。

本文根據(jù)輕軌供電系統(tǒng)和公共電網(wǎng)的實際參數(shù)，通過MATLAB/Simulink模塊，從動態(tài)的過程對某城市輕型軌道交通的牽引供電系統(tǒng)及電力機(jī)車進(jìn)行動態(tài)建模、仿真，并通過實際測量數(shù)據(jù)加以驗證，以全面了解該城市軌道交通供電系統(tǒng)對公共電網(wǎng)的影響規(guī)律。

1 公共電網(wǎng)及牽引供電系統(tǒng)

本文研究的城市軌道交通供電系統(tǒng)具有一定典型性，采用1．5 kV直流牽引供電，主接線原理如圖1所示。主變電所將城市電網(wǎng)的110 kV電能降壓后以10 kV電壓等級分別供給牽引變電所和降壓變電所。為保證供電的可靠性，設(shè)置2座110 kV主變電所，每個主變電所都由2路獨立的電源供電，內(nèi)部設(shè)置2臺主變壓器。牽引變電所電壓等級為10 kV，為環(huán)網(wǎng)供電方式。其中整流采用24脈波整流方式，機(jī)車上包括了逆變器和牽引電機(jī)，其中逆變器將直流通過絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)斬波逆變成脈沖寬度調(diào)制(pulse-width modulation，PWM)脈沖驅(qū)動牽引電機(jī)。

圖1 城市軌道交通供電系統(tǒng)Fig．1 Power supply system of urban mass transit

2 公共電網(wǎng)實測數(shù)據(jù)

采用Fluke434專用電能質(zhì)量分析儀，從110 kV電壓互感器(potential transformer，PT)和電流互感器(current transformer，CT)二次側(cè)取電壓和電流信號同時監(jiān)測，普通負(fù)荷則采用短時(30 min)測量為主，對輕軌供電的重要負(fù)荷采取長時間測量，測量時間為12 h。為了解背景諧波的影響，測試時，對該變電站的其他110 kV出線的也全部進(jìn)行了測量，其中諧波成分較為明顯的有 3，5，7，11，13，17 次。

2．1 諧波測試

110 kV輕軌供電出線的三相電能質(zhì)量情況幾乎一樣，A、B、C三相總的諧波電壓畸變率僅為0．6%、0．6%、0．7%，即電壓畸變很小，重點關(guān)注諧波電流注入問題。諧波電流的含有率較高，但是其負(fù)載輕，總的基波電流很小(最大的1次測量在10 A左右，可能實際運行時行車密度較低)，各次諧波電流也非常小。各諧波電流成分如圖2所示(以B相為例進(jìn)行分析)，其他較小諧波成分已忽略。雖然其諧波電流含有率較高，但是換算成各次的諧波電流，都沒有超過國標(biāo)的規(guī)定值。

測試結(jié)果中明顯含有3，5，11，13次等低次諧波，但同時明顯出現(xiàn)了23，25，47，49次等高次諧波電流，這些高次諧波在其他出線的測試中并沒有測量到，可能是因輕軌供電所致。

圖2 輕軌供電出線諧波電流含有率Fig．2 Harmonic current of light rail power supply system

2．2 其他電能質(zhì)量參數(shù)

輕軌110 kV供電線路不平衡情況如圖3(a)所示，負(fù)序電壓不平衡度為0．2%，低于國標(biāo)規(guī)定的限制值2%［9］。負(fù)序很小的原因在于采用了三相整流，即平衡供電方式，因此與傳統(tǒng)的牽引列車相比，其負(fù)序幾乎可以忽略。

持續(xù)測量了12 h后，發(fā)現(xiàn)閃變參數(shù)Pst(短時閃變值)均小于 0．14，小于國標(biāo)規(guī)定限值 0．9［10］，測量結(jié)果如圖3(b)所示，未出現(xiàn)電壓驟升驟降、暫降或暫時、瞬時的過電壓情況。

3 建模及仿真分析

3．1 模型建立

根據(jù)圖1的供電系統(tǒng)模型和公共電網(wǎng)、牽引供電的參數(shù)，用MATLAB/Simulink分別建立各部分的仿真模型，并單獨進(jìn)行分析和驗證。

(1)24脈波整流。

研究的城市軌道交通供電系統(tǒng)具有其典型性，其整流采用24脈波整流方式，機(jī)車上包括了逆變器和牽引電機(jī)，其中逆變器將直流通過IGBT斬波逆變成PWM脈沖驅(qū)動牽引電機(jī)。

圖3 輕軌出線不平衡和閃變情況Fig．3 Three phase unbalance and flicker of light rail power supply system

24脈波整流原理如圖4(a)所示，事實上，24脈波整流是由2個12脈波整流并聯(lián)而成，2個12脈波整流器的整流變壓器高壓網(wǎng)側(cè)并聯(lián)的繞組分別采用±7．5°外延三角形連接時，2套整流器并聯(lián)運行即可構(gòu)成等效24脈波整流。為了實現(xiàn)2臺整流變壓器在網(wǎng)側(cè)實現(xiàn)±7．5°的移相，在整流變壓器原邊采用延邊三角形接法。

建立24脈波整流仿真模型如圖4(b)所示，整流器接有理想電源，直流側(cè)接有電阻負(fù)載，通過此模型可以分析整流器的運行特性。通過24脈沖整流后，110 kV側(cè)電流的諧波含量如圖5所示。從電流諧波成分看出，通過整流后，明顯具有一些特征諧波:21，23，47和49次諧波。根據(jù)理論，24脈波整流后，理論上的諧波次數(shù)應(yīng)為24k±1，其中k為整數(shù)，即24脈波整流的特征諧波。對于24脈波整流機(jī)組而言，23次最大，其次是25，47和49次諧波電流。

根據(jù)圖2的測量結(jié)果，測量到的24脈波整流的特征諧波次數(shù)和仿真結(jié)果相吻合，因此仿真結(jié)果和理論相吻合。該整流方式對于消除3，5，7，11，13次等低次諧波非常有效，但會產(chǎn)生高次的特征諧波。

(2)機(jī)車模型。

機(jī)車模型主要包括逆變器和牽引電機(jī)2部分。目前大功率交流傳動領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的是中點箝位型三電平逆變器(neutral point clamped，NPC)，其基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6(a)所示。從該圖可以看出，三電平NPC逆變器直流側(cè)有2個支撐電容串聯(lián)組成，一般有電容值C1=C2。逆變器每相橋臂由4個開關(guān)器件、4個續(xù)流二極管、2個箝位二極管串聯(lián)組成。直流側(cè)電容的中點m定義為中性點，分別由箝位二極管引出接到上、下橋臂2個開關(guān)器件的中間。

圖6(b)是利用MATLAB/Simulink搭建的三電平逆變器仿真模型，右側(cè)為1．5 kV直流電源，左側(cè)部分為三角載波和開關(guān)程序模塊，中間的模塊分別為根據(jù)圖6(a)原理建立的逆變器和三相異步牽引電機(jī)模型。

圖6 三電平NPC逆變器原理圖和仿真模型Fig．6 Schematic diagram and simulation model of three-level NPC inverter

仿真電路輸出的三電平PWM脈沖電壓如圖7所示，與傳統(tǒng)的兩電平比較，諧波成分會更少一些，波形更接近正弦。通過在逆變器的輸入端測量到的諧波電流成分如圖8所示，可以看到，主要包括了3，5，11，13和19次諧波成分，其中以11和13次諧波成分最為顯著。根據(jù)仿真結(jié)果可以看出，因為逆變器的工作導(dǎo)致其11，13次的諧波成分比重也較大，這和圖2的測量結(jié)果中包含的11，13和19次諧波成分相吻合，表明輕軌供電系統(tǒng)的較低次諧波主要是逆變器工作所導(dǎo)致。

3．2 仿真分析

根據(jù)圖1中的供電電路，利用MATLAB仿真軟件建立完整的輕軌供電模型。110 kV降壓后直接連接到牽引供電系統(tǒng)的10 kV環(huán)網(wǎng)為輕軌列車供電。仿真條件:(1)公共電網(wǎng)(4路110 kV進(jìn)線，組成雙電源):短路容量分別在1．93～3．10 GVA之間，阻抗比為0．12/0．41;(2)主變電站:降壓變壓器的主接線為單Yd11接線;(3)牽引變電所:采用24脈波整流機(jī)組，電抗取0．1 mH，18座牽引變電站同時運行;(4)機(jī)車:額定功率約為800 kVA。

(1)輕重負(fù)荷條件下的諧波。

考慮到遠(yuǎn)期高峰期負(fù)荷的極端情況，上下行各有5輛電力機(jī)車同時運行，來分析此時牽引系統(tǒng)對公共電網(wǎng)的影響。白天高峰期(100%負(fù)荷運行)，行車密度為2～3 min。

仿真得到的110 kV網(wǎng)側(cè)電流波形和諧波含量如圖9所示，諧波成分并不嚴(yán)重。電流波形前面幾個周期的振蕩主要是控制算法需要一定的時間才能達(dá)到穩(wěn)定。波形中包括了24脈波整流機(jī)組和逆變器產(chǎn)生的特征諧波，而且諧波都在國標(biāo)值允許范圍的。在白天負(fù)荷高峰期，公共電網(wǎng)110 kV側(cè)電流總畸變率為1．77%，從電流諧波成分可以看出，諧波含量主要集中在 11，13，23，25 次諧波(2．3，1．6，0．2，0．3 A)，遠(yuǎn)小于國標(biāo)所規(guī)定的值［11］(根據(jù)國標(biāo)規(guī)定值折算到當(dāng)前的基準(zhǔn)容量的允許值為 11．1，9．3，5．39，4．88 A)。

圖9 公共電網(wǎng)110 kV側(cè)電流波形和諧波成分Fig．9 Current waveforms and harmonic components of 110 kV public grid side

考慮到夜間低谷期負(fù)荷情況，上下行約有2輛電力機(jī)車同時運行，來分析此時牽引系統(tǒng)對公共電網(wǎng)的影響。夜間運行(20%負(fù)荷運行)仿真后，得到諧波電流總畸變率僅為1．02%，而且各次諧波也明顯減少，因此對公共電網(wǎng)的影響更為有限。

(2)啟動瞬間的影響。

列車啟動瞬間對電網(wǎng)的沖擊性最大，其諧波含量豐富。仿真條件為雙邊供電，當(dāng)機(jī)車同時啟動時，公共電網(wǎng)110 kV側(cè)諧波波形及含量情況如圖10所示，110 kV側(cè)電流諧波含量豐富，諧波特性不明顯，其瞬間諧波總畸變率可達(dá)到17%，但各諧波成分仍沒有超標(biāo)。并且由于是瞬間沖擊，發(fā)生時間較短(幾十ms)，但此種極端情況通常不會發(fā)生，對電網(wǎng)不會造成危險。

機(jī)車在不同速率下對公共電網(wǎng)諧波的影響區(qū)別較小，其實質(zhì)也就是負(fù)荷變化的影響，因此無須再進(jìn)行分析;當(dāng)列車制動時，機(jī)車斷路器斷開，此時對電網(wǎng)基本無影響。

(3)電壓波動的影響。

通過改變負(fù)荷的大小仿真單列機(jī)車和多列機(jī)車的運行情況，分析公共電網(wǎng)的電壓波動特性。通過快速傅立葉變換(fast fourier transform，F(xiàn)FT)分析，得到負(fù)荷變化下的基波電壓波動率隨著列車數(shù)量變化的曲線，如圖11所示。通過仿真結(jié)果表明，隨著負(fù)荷的增大，110 kV接入側(cè)的電壓逐漸降低，電壓波動率逐漸增加，呈直線趨勢，4輛列車同時啟動導(dǎo)致的最大電壓波動率為1．3%。因為只有機(jī)車啟動或通過才會導(dǎo)致電壓波動，假設(shè)負(fù)荷變化率為10次/h以內(nèi)，而電壓波動率的國家標(biāo)準(zhǔn)為2．5%，因此最大電壓波動率仍在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍之內(nèi)。

圖10 列車啟動時網(wǎng)側(cè)110 kV側(cè)電流瞬間波形和諧波電流成分Fig．10 Transient current waveforms and harmonic current components of 110 kV network side at startup of traction motor

圖11 負(fù)荷變化對接入側(cè)電壓波動的影響Fig．11 Voltage fluctuation caused by load change

4 結(jié)論

本文通過建立包括公共電網(wǎng)的城市輕軌供電系統(tǒng)的全部仿真模型，模擬不同運行情況下的電能質(zhì)量問題，研究該供電系統(tǒng)對公共電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響規(guī)律，得到如下結(jié)論:

(1)根據(jù)實測和仿真，得出該牽引供電系統(tǒng)向公共電網(wǎng)注入諧波主要是24脈波整流導(dǎo)致的特征諧波(23，25次)和逆變器開斷導(dǎo)致的特征諧波(11，13次)，負(fù)序和閃變問題并不嚴(yán)重。

(2)即使在重負(fù)荷運行下，各次諧波遠(yuǎn)低于允許值;啟動瞬間諧波含量非常豐富，電流諧波總畸變率可達(dá)17%，但持續(xù)時間很短，各特征諧波成分仍未超過國標(biāo)允許值。

(3)隨著列車數(shù)量的增加，電壓下降明顯，但最大電壓波動率仍在國標(biāo)允許范圍內(nèi)。

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