电气化铁路谐波在公用电网的渗透研究.pdf

第 3 2卷第 4期 2 0 0 9年 8月 四 川 电 力 技 术 S i c h u a n El e c t r i c P o we r T e c h n o l o g y Vo 1 3 2。 No 4 Au g 2 0 0 9 电气化铁路谐波在公用 电网的渗透研究 周小 涵 ( 四J i I 电力职业技术学院电气一系 ， 四川 温江6 1 1 1 3 0 ) 摘要 ： 详细地分析了电气化铁路( 电铁) 产生的谐波在电网中的渗透 问题， 通过构建公共连接 ( P C C ) 的系统和支路 的等效谐波模型， 提出使用支路 系数 k 和渗透系数 k 来分析电铁谐波在 P C C的传输特性。分析结果表明并联支路 对P C C谐波电压具有削弱作用而且随着谐波次数的升高这种削弱将会加强。最后通过 M a t l a b对典型 系统进行建模， 其仿真结果验证 了使用这两个系数对电网中谐波渗透进行分析的合理性和准确性。 关键词： 谐波； 公共连接( P C C ) 点； 支路系数 ； 渗透系数 A b s t r a c t ： T h e p e r me a t i o n m e c h a n i s m o f h a rmo n i c s t h a t g e n e r a t e d b y e l e c t ri fi e d r a i l w a y s y s t e m ( E T S )i n p o w e r d i s a n a - l y z e d i n d e t a i l T h e b r a n c h p a r a me t e r k l a n d p e r me a t i o n p a r a me t e r k 2 a e u s e d t o d e s c rib e t h e e f f e c t o f E TS o n P C C t h r o u g h t he h a rm o n i c mo d e l o f PCCTh e s t u dy o f r e s u l t s ho ws t h a t t h e p a r a l l e l c i r c ui t s wi l l l o we r t h e e ffe c t o f h a r mo ni c v o l t a g e o f PCC a n d t h e a b i l i t y wi l l b e e n h a n c e d w h e n t h e h a rm o n i c o r d e r i s h i g h e r S o f t w a r e s i mu l a t i o n r e s u l t o f t h e s y s t e m i s p r e s e n t e d t h a t t h e t wo pa r a me t e r s c a n an a l y z e t h e h a r mo ni c p e ne t r a t i o n a c c u r a t e l y K e y wo r d s ： h a r mo n i c s ；P CC；b r a n c h p ara me t e r ；p e rm e a t i o n p a r a me t e r 中图分类号： T M 7 3 4 文献标识码 ： A 文章编号： 1 0 0 3 6 9 5 4 ( 2 0 0 9 ) 0 4 0 0 4 1 0 3 随着中国电力市场 的建立和 电能需求 的大量增 加 ， 电能质量 日益显示出其 重要性 ， 电力部 门对 电能 质量的关注也 日益增强 。另一方 面 ， 随着 用 电设 备的更新 ， 用户对供电系统的电能质量提出了更高的 要求 。自2 0世纪 8 0年代初开始 ， 中国电力专家展开 大规模 的电力 谐波研 究 ， 相关 谐波 国家 标准 G B T 1 4 5 4 9 9 3 电能质量公用电网谐波自 1 9 9 4年 3月 起开始实施 _ 2 J 。人们对谐 波的危害性认识得越来越 清楚 ， 目前谐波渗透 已经成为世界各国电力部门与用 电部门共同关注的一个重要问题 。因为它直接决定 电力系统中各种有关谐波限制和管理法规的确定 ， 而 这些法规又直接影响着用 电部门的发展 。 电铁在运输能力 、 运输速度 、 运输质量、 节能降耗 等方面显示出很大的优越性 ， 电力牵引已得到广泛 的 推广和应用 ， 目前 国家正在大力发展高速铁路 。然而 电铁将产生大量 的谐波 ， 并通 过牵 引变 电所 P C C处 渗透到公用电网， 给电网和其他用户带来了巨大的影 响 J 。传统仪器只能测量用户点的谐波， 电铁产生 的谐波渗透到用户处的大小 目前还没有具体的量化 分析 ， 对此做了比较详细的理论分析和仿真。 l 系统结构 电铁是从高压系统直接取电， 供电电压等级一般 为 1 1 0 k V或者 2 2 0 k V， 而 民用电力负荷一般通过 中 间传输系统与高压相连 ， 系统结构如 图 1所示 。 高 压 系 统 p aC 霾 传 输 系 统。 源 压 现 图 1系统结构 框图 一 般连接牵引变电所 的 P C C处往往与其他 的用 电负荷并联。为了清楚地说 明问题 ， 这里将介绍不带 支路的 P C C和带有支路 的 P C C， 进 而从 中说明 电气 化铁路产生的谐波在 P C C处的传输特性。 1 1 不带支路时 P C C处谐 波电压 当牵引变电所 P C C处没有其他支路时的电压这 里称为 P C C空载谐波电压 ， 其等效电路如图 2所示。 从等效图中可以看出 ， 空载谐波电压 为 v o =， J X o ( 1 ) 式中， 为 P C C空载谐波 电压 ； ， 为注入系统 的谐 波 电流 ； X 。 为 系统等 效谐波 阻抗 ； h为谐 波次 数。从式 ( 1 ) 可见 ， 不带支路时谐波渗透到 P C C处 的 41 第 3 2卷第 4期 2 0 0 9年 8月 四 川 电 力 技 术 S i c h u a n El e c t r i c P o we r T e c h no l o g y V0 1 3 2 No 4 Au g 。 2 O O 9 电压与系统的等效谐波阻抗成正比， 即系统的容量越 小 ， 牵引变 电所 P C C处谐波 电压越高。 图 2 不带支路时 系统等效 电路 图 1 2 带支路的 P C C处谐波电压 当牵引变 电所 P C C处带有其他 支路时的电压， 文中称为 P C C有载谐波电压， 其等效 电路如 图 3所 示 。 门 “ 图 3 带支路的 系统等效 电路图 从等效图中可 以看 出， 有载谐波电压 为： = 厶 = ， ； ( 2 ) 式中， 为 P C C有载谐波 电压 ； R为支路等效谐波 电阻； 为支路等效谐波电抗。 为了研究支路对 P C C处谐波 电压 的影 响， 提出 了支路系数这个概念 ， 其定义为一条支路加入前 后 P C C处谐波电压幅值之 比， 即 k 1 = I l 从式( 1 ) 和式( 2 ) 可以推导 出下式 ： = 1 + b2 了 式 中， n为支路谐波电抗 与系统等效谐波 阻抗之 比， 即 0= X X ； 6为支路谐波电抗与支路电阻之 比， 即b ：X R。 当P C C带有旁路时， P C C处的谐波电压有所下 降， 即并联支路对 P C C处的谐波电压有削弱作用， 这 种削弱程度可以通过支路系数来衡量 ， 图4为支路系 数随 口 、 b的变化趋势的仿真结果 。 从 图 4中可 以看出 ， 支路 系数与 。成正 比， 与 b 成反 比。也就是说 ， 系统的容量越大 ， 支路 的等效 电 阻越大， 支路系数越大， 即对 P C C点的影响越小 。随 着谐波次数 的升高 ， 支路系数越小 ， 对 P C C处 的影 响 越大。 1 3 渗透系数 当谐波从高压系统向低压系统渗透时， 其等效电 路图如图 5所示 。 图 4 支路系数 k 。 与 a , b的函数关 系图 U h L 一 一一| 上 门 U X o U 尺 i 图 5系统等效电路图 其 中， U 为谐波源注入处的谐波电压 ， 为 下 一 级 电压进线处 的谐波电压， 为了对谐波在两级电压 之间进行渗透的量化 ， 提出了谐波电压渗透系数 k ， 从图 5可以推导出 k 的计算表达式 k z = = l + d 21 = I斗 J + ( + ) c ) 一 式中， 为系统中间传输系统的等效谐波电抗 ； c 为传输系统 的等效谐波电抗与负荷等效谐波 电抗 的比值 ， 即 c =X X从； d为负荷等效谐 波电抗 与谐 波电阻的比值 ， 即 d= X R 。 图 6 渗透 系数 ： 与 c 、 d的函数关 系图 从图 6可以看出， 支路系数与 c 和 d都成反比。 考虑到系统负荷的谐波阻抗是并联等效的 ， 所 以随着 谐波次数的增加 ， c 值逐渐增大， d值逐渐减小。从另 一 个角度来说， 负荷的有功功率越大， 无功功率越小， 第 3 2卷第 4期 2 0 0 9年 8月 四 川 电 力 技 术 S i c h u a n El e c t r i c P o we r T e c h n o g y Vo 1 3 2。 No 4 Au g 。 2 0 0 9 表 1 算例计算结果 系统的渗透系数越小 ， 对谐波电压传输的阻碍越大。 2 算例分析 文中以一个典型的公用供电网络接线图为例 ， 进 行详细的计算分析。电铁接于 1 1 0 k V的高 压系统 ， 工业负荷 经过一条长为 6 0 k m 的架空线路接于 1 1 0 k V的电压母线上 ， 具体参数如图 7所示。 、 、 一 4 5 + 4 j- M w 图 7 典型公 用供 电网络接线图 通过等效计算 ， 可 以算出基波下 的参数为 Xo 1=0 1 5， X 1=Xn +Xn=01 6 7 +0 1 9 8=0 3 6 5， l + X L 1 = 0 2 2 5+2 5 3 1 j 。根据 以上公 式可以计 算 出各次谐波下的支路系数和渗透系数 ， 其值如表 1 所示。 从 表 1可 以看出 ， 增加一条并联支路对 P C C处 的谐波电压具有削弱作用 。这种削弱作用 主要 由支 路系数和渗透系数决定， 随着谐波次数的升高， 支路 系数逐渐减少 ， 渗透系数逐渐增加。当电路带有并联 支路后 ， 谐波 电压 总含有率逐渐 衰减 ： 从 2 7 3变为 2 3 0 ， 到 3 5 k V侧变为 2 2 8 。 3 结论 从理论上详细说明了电铁产生的谐波对 P C C处 的谐波影响 ， 并进一步分析 了并联支路对 P C C处谐 波 电压的削弱作用 ， 这种削弱作用 由支路系数和渗透 系数综合决定。谐波次数越高， 支路系数降低 ， 渗透 系数升高 ， 但总体削弱作用还是加强的。并为研究电 气化铁路对 P C C点处 的谐波贡献做 了铺垫 ， 对国标 的修改和制定具有一定的参考意义 。 参考文献 1 王思源 谐波对电能计量的影响 D 山东大学硕士论 文 ， 2 0 0 6 4 2 解绍锋， 李群湛， 赵丽平 谐波国家标准有关问题的探讨 J 电网技术， 2 0 0 6 ， ( 1 3 ) ： 9 49 8 3 解绍锋， 李群湛， 赵丽平 电气化铁道牵引负载谐波分布 特征与概率模型研究 J 中国电机工程学报， 2 0 0 5 ， 2 5 ( 1 6 ) ： 7 98 3 4 张章 ， 段晓波， 梁志瑞 ， 等 电气化铁路供电方案谐波评 估方法 J 河北电力技术， 2 0 0 7 ， ( 4 ) ： 91 2 5 赵乾钊 ， 李群湛 世界各国电气化铁路谐波限值标准述 评 J 电气化铁道 ， 1 9 9 9 ， ( 4 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