基于PSCAD的牵引站接入系统谐波仿真分析

2018-08-15于腾凯李晓军

东北电力技术 2018年6期

于腾凯，李晓军

(国网河北省电力有限公司电力科学研究院，河北石家庄 050021)

电铁牵引负荷具有随机性、不对称性、冲击性、功率因数低等主要特征，产生谐波电流和三相不平衡负序电流，注入电网将引起旋转电机转子发热、变压器使用寿命缩短、线路送电能力降低、保护装置误动、安全自动装置不能正常投切等事件发生，对电网安全运行影响较大[1-5]。本文基于牵引站谐波特性建立牵引负荷PSCAD谐波模型，搭建仿真电路，针对不同工况下的谐波发生量对比分析电铁站谐波对PCC造成的影响，并考虑实际牵引站的谐波特性设计了无源组合滤波支路的谐波治理方案。对方案的仿真验证表明，PCC谐波含量大幅度减少，满足国标接入要求，可供电铁牵引站解决此类问题参考。

1 谐波影响分析方法

牵引站接入电网谐波影响分析方法如下。

a. 收集主变、线路、无功补偿电容器、牵引站谐波特性等设备参数，以及电网负荷水平，接入变电站的主接线图等基础数据，搭建基础网架。

b. 根据供电协议中用电客户所签订的用电协议容量、供电设备的额定容量，产生谐波设备的额定容量，以及供电系统的电压等级和公共连接点处在系统最小运行方式下的短路容量，确定牵引站注入系统的谐波电流允许值。

c. 搭建仿真模型。基于仿真计算获得的数据，结合国标要求对谐波指标进行分析。对于未投运站，分析结果应考虑背景谐波水平，由背景谐波实测数据叠加仿真数据最终得到各次谐波数值。叠加过程中当注入谐波的相角不确定时，可按式(1)计算：

(1)

式中：kh为各次谐波叠加时的叠加系数，取值见表1。

表1 谐波叠加系数

2 牵引站接入系统谐波仿真分析

某电铁牵引站接入电压等级为110 kV，由两路独立电源Sub1和Sub2供电，互为热备用，站内设有备自投装置，接入导线型号均为LGJ-240 mm2。Sub1为主供电源，短路容量1 490 MVA，所供机车类型为SS9(功率4 800 kW)和SS4(功率6 400 kW)。牵引变压器采用V/v型接线，变比110/27.5 kV，容量20 MVA，短时过载能力175%。两臂分别由AB和BC供电，基波电流平均值/最大值分别为190.6 A/995.0 A和255.6 A/955.2 A，自然功率因数为0.81。

机车运行于不同牵引工况时会产生随机性很大的谐波电流，本文根据铁路方提供的牵引站谐波特性基于PSCAD的电流源模型进行不同比例的组合，以此模拟实际牵引负荷的谐波工况。图1为基于PSCAD仿真搭建的该牵引站接入主供电源Sub1(PCC)的示意图，表2、表3为监测点谐波限值，牵引站谐波特性如图2所示。

图1 基于PSCAD的电铁站谐波仿真模型

表2 电网允许注入的谐波电流值A

表3 监测点母线谐波电压限值 %

图2 谐波特性分布图

考虑到最小方式下系统提供的短路容量较小，系统承受谐波电流的能力较低，以最小运行方式作为计算前提。牵引站对接入点的谐波影响与两供电臂负载情况关系密切(见图3)，分3种工况分析。

工况1：一臂最大，一臂平均。

工况2：两臂平均。

工况3：两臂最大。

以工况1为例，流过牵引站接入线路A相的电流见图4。3种工况下注入的谐波电流、PCC母线各次谐波电压含有率分别如图5、图6所示。

由图2—图6可知，该牵引站谐波电流以奇数次为主，其中3次、5次、15次谐波含量较高，在一臂最大一臂平均的工况下流过电铁站接入线路的电流波形、两供电臂电压波形已严重畸变。分析可得出以下结论。

a. 电铁的负荷水平直接决定其谐波电流的大小，工况3虽然发生概率最低，但对电网的影响最大。

b. 3种工况下注入系统的3次谐波电流均超标，为允许值的1.58～6.88倍；其他奇次谐波电流不同程度超标；偶数次谐波电流均满足国标要求。

c. 工况1、工况3下，PCC母线电压总谐波畸变率已超国标限值要求；高次谐波含量较大时，由于谐波阻抗较大而对电压总谐波畸变率贡献率更高。

图3 工况1两供电臂电压波形

图4 工况1接入线路电流图

图5 谐波电流对比

图6 PCC母线A相谐波电压含有率对比图

3 谐波治理

针对该牵引站负荷谐波特性，设计两臂独立补偿的谐波治理方案。在两供电臂分别加装3、5、7次单调谐滤波器和11次兼高通滤波器。考虑将两臂牵引负荷功率因数提高至0.95，并留有部分裕量，确定补偿总容量为17 Mvar，滤波支路参数如表4所示。

以牵引站A臂为例，由图7可知，A臂母线对3、5、7次及11次以上高次谐波呈现低阻抗，表明设计的滤波支路有效，但同时对低次偶数次谐波有一定程度放大，但该谐波并非特征谐波，由于系统对应次背景谐波并不大，对系统造成的影响有限。以公共连接点电压总谐波畸变率最大的B相为例，牵引站注入PCC B相母线的谐波电流均在国标限值之内(图8)，考虑背景谐波后PCC母线各相电压总谐波畸变率均小于国标要求，表明设计的滤波器可满足国标要求。