高铁供电系统外部供电电源

第三节第三节 高铁供电系统外部供电电源高铁供电系统外部供电电源 一 电力网 二 电气化铁路供电要求与负荷特点 1 高可靠性 两路独立 电源 主变压器一主一备 运行 非正常情况时可越 区供电 但牵引变压器负荷 率普遍较低 一般不超过 30 2 大供电容量 HXD2 型大功率电力机车 10000KW 16 辆编组 时速 350km h 的动车组超过 20000KW 350km h 3min 追踪间隔 30km 供电臂 变电所的峰值功率超 过 120MVA 3 良好电压品质 电压水平与电压波形 牵引网额定电压 25kv 正常工作电压 20 27 5KV 由于负荷压损大 国内不少既有 线路空载电压达到 29KV 4 波动剧烈的大容量单相不平衡非线性负荷 5 电气化铁道谐波的特点 单相独立性 随机波动性 相位广 泛分布 高压渗透性 电气化铁道之所 以产生负序 本质上 是由于电力机车是单 相负荷造成的 6 谐波与负序主要术语 第 h 次谐波电压 电流 含有率 谐波电压 电流 含量 电压 电流 总谐波奇变率 三相电压 负序 不平衡度 三 我国铁路与电力部门关于电铁电能质量问题的争论 100 1 U U HRU h h 100 1 I I HRI h h 2 2 h hH UU 2 2 h hH II 100 1 U U THD H u 100 1 I I THD H i 100 1 2 U U 1982 年 4 月原水电部在石家庄组织召开了全国首次谐波学说交 流会 会上把电气化铁道作为重要的谐波源 并提出要尽快制订谐 波标准 这次会议也引起了铁道部的重视 铁道部原科技局与基建 总局以 82 科技标字第 73 号文和 82 基字第 92 号文下达研究项目 电铁高次谐波容许标准 的研究 成立了研究小组 1982 年 9 月 原水电部参照英国中央电力局谐波限制值导则 G5 3 组织编写了 电 力系统谐波管理的暂行规定 征求意见稿 1984 年 6 月铁道部研 究小组递交了 电铁谐波允许值的建议与说明 8 月 30 日经审核 以 84 基电字 168 号文发至原水电部 反映了对 暂行规定 的不 同意见 原水电部对此没有答复 而是以 84 水电电生字第 56 号文 正式颁布了 暂行规定 SD126 84 规定自 1985 年 1 月 1 日起执 行 1984 年 11 月铁道部以 84 基电字第 216 号文请原国家标准局 组织审订 电铁谐波允许值的建议与说明 该文指出 暂行规定 中关于电压正弦波形奇变率极限值和谐波电流允许值的一些条款没 有考虑电铁电力机车负荷具有间断 波动 不规则的轮廓特性的特 点 而是将电铁负荷视同一般电力负荷 因此 暂行规定 的这些 条款对电铁是不适宜的 1986 年 4 月 11 日原国家标准局的国际发 1986 081 号文 关于 发送 1986 年制 修订国家标准项目计划 的通知 中明确 电 力系统高次谐波分量 项目由水电部生产司和铁道部基建总局为负 责单位共同起草 根据 081 号文开展 3 项联合工作 1 1987 年 1 月 铁道部和原水电部联合组团赴英考察 并邀请原国家标准局派 员参加 2 1987 年 10 月 组成了两部联合调查组 就山西 陕西 两省向电气化铁路供电的电网中的谐波 负序进行了联合调查 并 得出谐波问题 需要两部能力合作 从各方面采取措施以求得合理 的解决 的一致意见 3 1988 年 8 月原能源部 含水电部 铁道 部成立了雁同电网谐波领导组和测试配合组 对雁同电网的一些地 区变电站 牵引变电所的地方用户进行了较大规模的联合测试 取 得了大量数据 就电气化铁道的谐波 负序对雁同电网的影响进行 了试验研究 1991 年原能源部谐波国标起草小组拿出了 电能质量 公用电 网谐波 征求意见稿 这次的征求意见稿虽较 暂行规定 在谐 波限制上有所放宽 但与铁道部的要求仍有不小的差距 两部在商 谈时未能取得实质性的进展 1992 年 3 月 10 日 在国家技术监督局标准化司主持下 召开 了由原能源部电力司 科技司和铁道部建设司 中国铁路工程总公 司等单位的有关领导及专家参加的谐波国标协调会 经充分讨论和 协商 形成了 电能质量 电力系统高次谐波分量 国家标准起草 协调会议纪要 并于 4 月 24 日以国家技术监督局标发 1992 052 号文下达 在 纪要 中 原能源部 铁道协调同意 鉴于目前电 气化铁道的特殊性 公用电网谐波标准暂不适用于电气化铁道 对 电气化铁道接入公用电网的谐波要求 由两部另行签订协议解决 1993 年 7 月 31 日 国家技术监督局批准并颁发了由原能源部 电力司负责起草的 电能质量 公用电网谐波 GB T14549 93 规 定自 1994 年 3 月 1 日开始实施 与电气化铁道相关的另一项国标 电能质量 三相电压不平衡度 也于 1993 年底完成报批稿 1993 年 12 月 11 日 大秦铁路二期工程国家验收委员会在 验 收证书 中明确 关于电气化铁道谐波影响问题 由国家计委会同 国家技术监督局组织电力部 铁道部抓紧研究 签订协议 予以解 决 国家计委重点建设协调监督司于 1994 年 2 月份指示铁道部先提 出一个两部协议的建议稿 作为两部进一步协商的框架 国家技术 监督局表示同意 1994 年 5 月 4 日 铁道部建设司向国家计委重点建设协调监督 司行文 提出了签订两部协议的实施意见 随后组织铁道部电气化 铁道谐波标准起草小组 广泛深入地开展了电铁谐波的有关研究工 作 1995 年底 铁道部电气化铁道谐波标准起草小组完成了 电力 铁道两部关于解决电气化铁路谐波规定的协议 建议稿 并上报 到国家计委和国家技术监督局 电力部门并未正式承认 两部协议 每条电气化铁路的开通 铁路与电力部门签署供电协议成为老大难问题 成昆电气化铁路涉及西昌卫星发射中心 引起铁道部高度重视 1997 年 1 月 国家计委办公厅以计办建设 1997 9 号文 特急 印发 关于电气化铁路谐波治理及京郑 湘黔电气化铁路开通供电 协调会议纪要的通知 纪要明确 3 点 1 关于谐波治理问题 会 议确定由国家计委和国家技术监督局牵头 委托中国国际工程咨询 公司组织有关谐波方面的专家组成专家组 对电铁谐波进行测试 研究 电力部 铁道部各选派 4 名专家技术人员参加 另外再选派 几位国内有名望 具有较丰富知识和经验的谐波专家参与这项工作 2 专家组要在 1997 年 6 月底前提出电气化铁路谐波治理的意见和 措施 3 关于京郑 湘黔电气化铁路开通问题 鉴于京郑 湘黔电 气化铁路是 1996 年投产项目 且铁路工程的电铁配套设施都已完成 只因谐波问题没有签订协议 故可先供电 临时供电 开通 待专家 组得出结论后 再按专家组意见采取措施 2005 年既有京沪线电气化工程及随后的客运专线工程又引发了 新一轮电铁电能质量问题的争论 国网公司发文明确要求各省公司 给电铁供电只允许采用 110KV 级 铁路部门极为被动 2006 2007 年因京津城际铁路外部电源问题 铁道部卢副部长 和耿志修副总工程师多次拜访国网公司 不同层面进行多次技术交 流 铁道部答应在既有京沪线的安定 三界 南翔 3 个牵引变电所 开展治理试点 2007 年 3 月国家电网公司委托中国电科院牵头负责 电铁供电关键技术研究 项目 2007 年 3 月根据国家标准化管理委员会安排 由全国电压电流 等级和频率标准化技术委员会归口负责修订新一轮国家电能质量标 准 2007 年 9 月 电能质量 电力系统频率偏差 电能质量 供电 电压偏差 电能质量 电压波动和闪变 电能质量 三相电压不 平衡 4 个标准拿出了送审稿 2008 年武汉会议通过 电能质量 公用电网谐波 自 2007 年 5 月起动修订以来 先 后在北京 延边 北京 西安召开 4 次专家组会议 2010 年 4 月西 安会议拿出的讨论稿 争议依旧 四 谐波及技术对策 目前普遍采用的技术措施 车上安装功率因数校正 PFC 装置 晶 闸管分组投切的并联电容组 兼滤 3 次或 3 5 次谐波 变电所安 装无功补偿装置 固定或分组投切的并联电容器组 兼滤 3 次谐波 通常 12 调谐率 2006 年开始谐 波治理试 点工作 带 3 5 及 7 次滤波支路的 SVC 方案得到实施 如京沪线安定 三界 牵引变电所 具有电能质量综合治理效果的 SVG 技术也开始在电气化铁道进 行试验 如京沪线南翔 大秦线湖东牵引变电所 要从根本上解决电气化铁道问题将有赖于基于 PWM 调制技术 的交 直 交传动系统的电力牵引 目前我国的电力牵引技术正在 更新换代 引进的 4 型 200km h 上以速度的动车组全部采用交 直 交传动 引进的 HXD系列 8 轴大功率货运电力机车全部采用交 直 交传动 自主开发的 6 轴大功率货运电力机车全部采用交 直 交传动 自主开发的 350km h 的直通车组全部采用交 直 交传 动 五 负序及技术对策 1 从设计时就要选用强电源 保证足够大的短路容量 2 在电源受限制的条件下 避免使用单相变压器 3 相邻的牵引变电所接入电力系统时 进行相应轮换 4 采用对称补偿装置平衡负序 动态调节时难度较大 三相变两相平衡变压器在电气化铁道的大量应用 在一次侧施加三相对称电压时 只要二次侧两端口的负荷相 等 幅值和功率因数均相等 则 二次侧两相端口电压保持幅值 相等 相位相差 9090 一次侧 三相电流对称 Scott 接线变压器 星形 延边三角形接线变压器 2010 年铁道部与国网公司 达成协议 铁路部门尽快研发 220kV 平衡变压器 2010 年 4 月已确定采用北 方交大提出的二次中抽式 Scott 接线方案 采用换相连接 平衡变压器等技 术措施 在宏观上缓解牵引负荷 造成的三相不平衡是有效的 但 负荷的随机波动性 也使得它们的效果是有限的 5 下图是采用新型同相供电 方式 6 交直交牵引变电所 发展方向之一 六 和谐共赢的解决思路 电铁电能质量 特别是谐波 方面的长期争议 电力部门 主张电气化铁道也要按谐波国标考核管理 铁路部门 电气化铁道负荷有其特殊性 达到目前国标限制值 有困难 而且投资很大 会造成不必要的浪费 我国电气化铁道电能质量问题是我国电力和铁路基础设施相对 薄弱 在经济快速发展的同时 不同行业间协调不够造成的 电能质量问题涉及技术问题复杂 但本质上是经济问题 谐波和负序的考核点为公共连接点 B 供电电压偏差考核点为供电点A 谐波和负序成问题的地方 供电电压也 往往不合格 影响电气化铁道电