城市轨道交通牵引供电系统对电网的影响

2013-11-12胡文平任建文

河北电力技术 2013年5期

李扬，胡文平，任建文

( 1．华北电力大学，河北保定071003; 2．国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄050021)

轨道交通作为一种现代化城市的交通工具,其具有运量大、速度快、安全可靠、绿色环保、空间利用率高等优点,对改善城市交通拥挤的状况效果明显，越来越受到人们的重视，已成为国内城市公共交通的重点发展方向。轨道交通列车的动力来自于牵引供电系统，它担负着为电动列车和各种运营设备提供电能的重要任务，电力牵引供电系统的安全可靠供电，是城市轨道交通的正常运行的保障。我国目前的城市轨道交通采用直流供电，牵引供电系统大多采用的是多脉波(12或24脉波)二极管整流技术，接入系统后对电网将产生谐波，无功功率等方面的影响，因此是需要对其进行进一步分析与研究，以保证电网稳定以及列车安全正常运行。

1 城市轨道交通牵引供电系统介绍

城轨牵引供电系统主要由牵引变电站、架空电网线、车辆、轨道等部分组成。相对于交流供电而言，直流供电具有调速范围大而且方便、易于控制、牵引网结构简单、电压质量高、投资较节省等优点，故地铁主要以直流方式作为牵引动力。牵引供电系统包括牵引变电所和牵引网，其主要功能是将交流中压电经降压、整流变成直流1 500 V或直流750 V，为电动列车提供牵引供电。能量传输过程为：首先电能从牵引变电所输出，经过馈电线、接触网到电机车组；然后经过走行轨；最终通过回流线返回牵引变电所。

城市电网对城市轨道交通的供电方式有3种：集中供电、分散供电和混合供电[1]。集中供电方式是指沿着轨道交通线路,根据用电量和线路的长短,建立城市轨道交通专用主变电所(中心变电所)，主变电所提供至少两路独立的电源,由主变电所对下一级线路牵引变电所和降压变电所供电，主变电所进线电压一般为110 kV，经降压后变成 35 kV或10 kV。分散供电方式是指沿城市铁路线路沿线，根据需要直接由城市电网引入多路电源,电源电压等级一般为10 kV,供给各牵引变电所或降压变电所。分散式供电应保证每座牵引变电所和降压变电所能获得双路电源。混合供电方式即前两种供电方式的结合,以集中式供电为主，个别地段引入城市电网电源作为集中式供电的补充,使供电系统更加完善和可靠。

2 牵引供电系统对电网的谐波影响分析及处理

2.1 地铁谐波特征及对电力系统的危害

在地铁供电系统中，波形畸变主要的来源是车辆牵引供电的整流、逆变装置，其次是直流电源成套装置及其他一些电子装置。谐波电流和电压的出现，将对电力系统造成影响，降低系统电压正弦波形的质量，不仅影响电力系统自身，同时危及其他用户和周边通信系统。

谐波电流、电压对电力系统的影响及危害，主要包括：在旋转电机和电容器中产生附加损耗而发热；对通信设备产生干扰；保护系统和控制电路的误动作；对轨道电路的载波频率信号造成干扰；测量仪表不能精确工作[2]。

地铁供电系统大多采用24脉波整流，总体来说，整流机组直流侧主要含24次的脉动电压，交流侧主要含23次、25次谐波电流，而低次谐波电流如5次、7次将大幅度降低。2台整流机组产生的11次、13次谐波因大小相等方向相反，互相抵消，因此，交流侧11次、13次谐波也将被削弱。但实际上由于电网电压不对称和整流变压器三相阻抗不对称等非理想因素，非特征次谐波将不可避免的产生，在交流侧也会产生5次、7次、11次、13次谐波。并且存在其他一些问题，如地铁轻负荷与重负荷下的谐波有差异，近期负荷与远期负荷相差很大，在远期客流量很大的时候，谐波较严重，仍有造成公共电网电能质量劣化的可能。

对某大城市地铁线路多条母线电压数据进行谐波分析，95%概率值统计结果为: 各条母线电压谐波特性类似，主要含有3、5、7、11、13、17、19、23、25次谐波，其它频次谐波成分均小于0.1%。其中，只有一段母线的电压谐波含量超出了国家标准规定的限值，该110 kV母线的总谐波畸变率(THD)95%概率值达到2.1%，超过了国家标准2%，11次谐波含有率95%概率值达到了2.03%，超过了国家标准1.6%，见图1。

图1 测试线路总谐波畸变率对比

对电流数据进行谐波分析后，其结果为：在各出线电流中，主要为11次和13次谐波。其中，某110 kV线路的11次谐波电流为14.29 A，超过了国家标准规定的限值两倍以上；以及线路的11次和13次谐波电流分别为8.75 A和3.62 A，均超过了国家标准规定的限值，同时多条线路谐波电流值接近国家标准规定的限值，见图2。

图2 测试线路谐波电流对比

2.2 处理措施

平衡的三相系统中，由于结构上的对称性，已经消除了偶次谐波。对于三相整流负载，产生的主要谐波是kn±l(n为整流脉波数)次谐波。例如地铁中24脉波整流机组产生的主要是23次和25次谐波，而12脉波整流机组产生的主要是11次和13次谐波。

为了减小谐波带来的危害与影响，必须采取谐波抑制措施，主要方式有：降低谐波源的谐波含量；在谐波源处吸收谐波电流；改善供电环境。故可采取的抑制谐波的主要措施分别有[3]：

a. 增加整流脉波数；

b. 改变整流变压器接线方式；

c. 采用无源滤波器和加装静止无功补偿装置；

d. 采用有源电力滤波器。

3 牵引供电系统的无功补偿分析及处理

无功功率在供电网络的传输中不仅要产生有功功率损耗,而且还会造成电压损失,因此，为了提高线路传输能力,降低损耗,无功功率宜采取就地平衡的原则,根据用电负荷的实际需要,进行分散或集中的无功补偿，以达到把功率因数控制在一个合理水平的目的。

3.1 地铁供电系统无功特性

地铁供电系统负荷波动性大，地铁测量数据表示一般情况下，白天和晚上机车正常运行时，有功负荷高，即变压器和电力机车等负荷运行消耗大量感性无功功率，需要感性无功功率补偿；凌晨机车停运时，有功负荷降低，电缆的充电容性无功功率开始超过系统消耗的感性无功功率，供电系统功率因数降低，将产生无功反送，需要进行容性无功功率补偿，以提高功率因数。同时由于机车运行时的不确定性，无功功率的补偿是处于动态的。

根据地铁负荷的日时段特性,理想的补偿方案应该能够跟踪负荷的变化,进行随机性适时补偿,维持电压稳定,并且合理设置补偿容量

以满足轨道交通供电系统无功补偿的双向性。如果地铁牵引变电所无功补偿装置的容量设置不当,在机车负荷变化的过程中,就有可能发生地铁供电系统向公共电网输出的无功有时呈感性,有时呈容性,而无功在感性和容性间频繁变化,可能产生工频谐振,引起公共电网事故；在夜间功率因数降低时，容性无功功率倒送电网,增设的电容补偿装置可能使得夜间时段向电网倒送容性无功功率更多，这将对电网影响很大,不仅会造成电压质量下降,而且严重的无功倒送可能会引起保护方向性元件的误动作。目前，国内补偿装置容量设置采用的一般做法是：按照轻载情况下所需要的最大感性补偿容量来选择并联电抗器,按照重载情况下所需要的最大容性补偿容量来选择并联电容器。

3.2 无功补偿方式

无功功率的补偿方式有集中补偿，分布式补偿以及分区集中式补偿[4]。集中补偿选择在110 kV主变电站的出线端35 kV母线上安装补偿装置，集中对整个供电系统的负荷进行补偿；分区集中补偿就是指在每个110 kV主变电站所带分区进行补偿；分布式补偿是指在每个35 kV的降压所都进行无功补偿。在补偿效果和经济方面进行综合考虑，集中补偿投资最小，设备设置方便；一般情况下，主变电站分区内降压所距离不远，分区集中补偿方式与分布式补偿效果近似，但投资明显较少，故可采取集中补偿和分区集中补偿相结合的混合方式，在分区集中补偿采用并联电抗器，而在主变电站35 kV母线采用动态无功补偿装置进行集中补偿。

无功补偿装置的选择上比较好的是采用静止同步无功发生器SVG，SVG采用第3代无功补偿技术，其优势明显，占地面积小，经济性好；响应时间快，可靠性高；运行损耗低且不产生谐波，安全性好；功率因数可以补偿到 0.95～1。SVG无功补偿技术基于电压源型逆变器的补偿装置实现了无功补偿功能质的飞跃，其既可补偿容性无功功率，又可补偿感性无功功率，做到迅速吸收或发出所需要的无功电流，实现动态无功功率平滑、连续的补偿[5]。