基于PSCAD/EMTDC的电气化铁路接入电网的电能质量评估方法

欧阳森， 梁伟斌

(广东省绿色能源技术重点实验室， 华南理工大学电力学院， 广东 广州 510640)

基于PSCAD/EMTDC的电气化铁路接入电网的电能质量评估方法

欧阳森， 梁伟斌

(广东省绿色能源技术重点实验室， 华南理工大学电力学院， 广东 广州 510640)

目前电气化铁路接入电网对电能质量影响的建模过程复杂，仿真场景不够全面，针对这一现状，本文提出一种基于PSCAD/EMTDC的电气化铁路接入电网的电能质量评估方法。首先，本文提出一种基于PSCAD/EMTDC的电气化铁路接入电网的仿真模型，其中包含以负荷+谐波源方式表征电力机车的功率特性和谐波特性的等效电力机车模型，该模型以机车出厂测试报告或实测数据为依据，达到简化建模过程的目的；其次，为了使分析过程更全面，提出了结合电力机车的车型、工况、数量组合三个维度的仿真场景设置方案；最后，以深茂铁路为例，对广东省某牵引站带不同电力机车场景进行详细的电能质量评估，有效分析了电气化铁路接入对电网电能质量的影响。

电能质量； 电气化铁路； PSCAD/EMTDC； 仿真模型； 评估

1 引言

近年来，随着电气化铁路的快速发展，电气化铁路对电网电能质量的影响越来越引人关注。电气化铁路会产生大量的谐波和负序电流[1]，接入电网后将会对公共电网的电能质量造成严重的负面影响。因此，对电气化铁路引起的电能质量问题展开全面分析和详细建模评估具有重要的科研意义与实际应用价值[2]。

国内学者已逐步展开对电气化铁路接入电网引起的电能质量方面的研究工作。目前，国内对电气化铁路接入电网的研究多集中于针对牵引变压器接线方式[3-5]与电力机车牵引负荷的内部特性[5-7]进行建模分析，并评估牵引站带单辆机车负荷时对电网电能质量的影响[7-9]。然而，目前的研究仍存在如下不足：

(1)目前对电气化铁路的仿真模型搭建主要考虑电力电子电路结构连接以及各种车型所对应的不同控制策略[5-7]，由于电路结构与控制策略具有复杂性与多样性，因此其建模仿真过程比较复杂，可推广性不高。

(2)对电气化铁路接入电网引起的电能质量评估的仿真场景不够全面。在实际运行时，存在上下两供电臂各带多种车型、多种工况、多种数量组合的机车负荷的可能性，然而目前大部分文献[7-9]均只考虑牵引站带单辆机车负荷进行电能质量评估，分析得不够全面。

针对上述研究的不足，本文拟提出一种基于国际公认的电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC(Power Systems Computer Aided Design)的电气化铁路接入电网对电网电能质量影响的仿真建模分析方法。首先，本文拟提出基于PSCAD/EMTDC搭建的电气化铁路接入电网的仿真模型，所搭建模型主要包括V/v型牵引变压器、电力机车、输电线等，可有效利用电力机车的出厂测试报告数据或实测数据；其次，为了提高分析全面性，提出结合电力机车的车型、工况、数量组合三个维度的仿真评估分析场景；最后以深茂铁路为例，对广东省某牵引站带不同电力机车场景进行建模与仿真分析，评估该电气化铁路接入对电网电能质量的影响。

2 电气化铁路接入电网仿真模型搭建

文中利用PSCAD/EMTDC对电气化铁路接入电网进行建模，重点介绍此模型中最主要的三部分，分别是牵引变压器、电力机车和输电线。

2.1 V/v型牵引变压器

牵引变电站沿铁路线路设置，由区域变电所或电厂供电，经由牵引变压器将电能供给上、下两条供电臂。牵引变压器的负载特性与普通电力变压器有很大区别，主要表现为存在单相负载、负载变动大、谐波含量高等。

目前，我国高速铁路大多采用 V/v型变压器，该变压器具有结构简单、容量利用率高等优点。从结构上看， V/v接线型变压器是将两台单相牵引变压器连接成开口三角形，原边绕组接入电力系统的AB相与BC相，副边出线端子分别接到两组牵引母线，再经馈线向两牵引供电臂供电。由于是两台单相变压器的串联组合，箱体内两台单相变压器的磁路相互独立，两相容量可以相等，也可以不相等。

根据上述三相 V/v接线型牵引变压器的结构特点，在 PSCAD 中使用变压器元件库中两个单相双绕组变压器对V/v接线牵引变压器进行仿真，其仿真模型搭建接线图如图1所示。

图1 V/v型牵引变压器仿真模型Fig.1 Simulation model of V/v type transformer

2.2 电力机车

电力机车是电气化铁路牵引供电系统的主要负荷，也是谐波和负序的主要产生源。谐波的存在引起电力系统电压的畸变，负序电流则会引起三相不平衡，因此仿真建模时需对电力机车的功率特性和谐波特性进行充分的体现。

目前已有文献[5-7]对电力机车的建模主要考虑电力电子电路结构连接以及对应的控制策略研究，由于电路结构与控制策略具有复杂性与多样性，故此类建模方法较复杂，可推广性低。

针对现有建模方法复杂且大部分电力机车均有出厂测试详细报告的现状，本文提出采用负荷+谐波源的方式表征电力机车的功率特性和谐波特性的等效电力机车模型。其一，PSCAD的恒功率负荷模型元件可根据实际情况设定其有功功率、无功功率、电压以及频率等参数特性，因此仿真时可通过设置负荷模型不同的功率参数来表征电力机车不同工况下的功率特性。其二，利用PSCAD搭建一个可产生2～25次谐波信号的谐波电流产生元件；根据电力机车的谐波数据，可通过设置谐波信号产生元件输出不同工况下电力机车的谐波电流数据，以此方式表征电力机车的谐波特性。

本模型以机车的出厂测试数据或实测数据为基础，采用负荷+谐波源的方式等效替代电力机车，简化建模过程，增强可推广性，适合工程应用。首先依据出厂测试报告或实测得到电力机车在不同运行工况下所产生的谐波电流数据以及对应的功率数据；其次，利用PSCAD搭建一个谐波信号产生元件，该元件可产生各次谐波信号，将其谐波电流数据输入至谐波信号产生元件中，使其以谐波源方式注入至供电臂，并将其对应工况的功率数据以负荷形式注入至供电臂，其仿真模型如图2所示。

图2 电力机车等效仿真模型Fig.2 Equivalent simulation model of electric locomotive

2.3 输电线

输电线路包括架空线和电缆，本模型的输电线路可采用PSCAD中已有元件Coupled Pi Section等效替代，其主要参数包括频率、线路长度以及线路每公里的电阻、电抗、容抗等，其仿真模型如图3所示。

图3 输电线仿真模型Fig.3 Simulation model of transmission line

3 仿真场景设置分析

针对目前文献[7-9]只片面地对牵引站带单辆机车负荷进行电能质量评估而导致分析不够全面的现状，本文以深茂铁路为例，提出了详细且全面的仿真评估分析方案。

在实际运行时，存在上下两供电臂各带多辆、多种工况、多种车型的机车负荷的可能性，因此本方案综合考虑了电力机车的车型、工况、数量组合三个维度，考虑所有存在出现可能性的场景，弥补了现有文献仅对单辆机车进行评估故分析不全面的缺陷。以深茂铁路为例，本方案所考虑的车型、工况、数量组合如下：

(1)电力机车车型。在我国，现阶段主要运行的客车为动车组(CRH型8辆编组)，具有少量SS9机车，货车为HXD3，故仿真时牵引负荷分为CRH型8辆编组、SS9机车、HXD3系列货物列车三种类型。根据电力机车出厂测试数据可知，SS9机车额定功率为4800kW，功率因数为0.85；CRH系列动车组8辆编组类型的额定功率为5500kW，功率因数为0.98；HXD3系列货物列车的额定功率为7200kW，功率因数为0.98。

(2)电力机车工况。每种车型均取其5种典型工况作为典型代表进行仿真分析，分别为启动工况、高功率工况、中功率工况、低功率工况和制动工况，涵盖了电力机车所有可能出现的功率范围。其中，电力机车运行时的额定功率工况定义为高功率工况，按牵引功率大小往下可分为中功率工况和低功率工况；启动工况的功率约为1.5倍额定功率，机车在制动工况时向系统倒送功率，倒送功率值约为0.5倍额定功率。

(3)电力机车数量组合。考虑牵引变电站不带机车，以及上下行供电臂带不同数量机车的情况。以A0B0表示上行、下行线路不带机车，A2B1表示上行带2辆机车，下行带1辆机车，以此类推。根据本实例牵引变压器容量与实际运行规划，设定极限情况为A2B2，共有6种组合情况。另外，根据列车运行的规定，同一供电臂上不可能出现2辆电力机车同时处于启动工况或制动工况，因此下文在分析启动工况和制动工况时设定极限情况为A1B1。

综上所述，对电气化铁路引起的电能质量问题进行全面分析时，需要结合车型、工况、数量组合三个维度，本文取深茂铁路其中的典型场景进行分析。

4 实例分析

电气化铁路负荷具有不对称、非线性和波动性的特点，所产生的电能质量问题集中于电压偏差、谐波和负序上，因此需对电气化铁路接入引起的电能质量问题进行详细的建模仿真以及评估分析。

4.1 仿真条件

在仿真建模过程前，首先对深茂铁路仿真条件进行分析，包括评估内容及电气连接方式。

(1)评估内容。对牵引站带不同机车负荷组合场景下在110kV变电站110kV侧连接点产生的电能质量问题进行详细的评估分析，评估分析内容包括电压偏差、三相电压不平衡、谐波等。

(2)电气连接方式。该牵引站110kV侧出线1 回接入110kV 变电站，线路长度约为5.65km，其中架空线路全长1.35km，型号为JL/LB1A-240/30，电缆线路全长4.3km，型号为YJLW03-Z 64/110-1×500mm2。该牵引站采用110/27.5kV三相V/v接线变压器，容量为(16+16)MV·A，牵引供电系统采用单相工频25kV交流制，经三相V/v变压器变压后引出上下行两条供电臂，供电臂带电力机车，牵引站接入系统示意图如图4所示，仿真模型如图5所示。

图4 广东省某牵引变电站接入系统示意图Fig.4 Schematic diagram of one traction substation of Guangdong province accessing power grid

4.2 电压偏差

由于同种机车负荷的功率越高，其产生的电压偏差越大，故高功率工况、中功率工况、小功率工况中只取高功率工况进行分析，本节分别取三种电力机车的启动工况、高功率工况、制动工况为例进行研究。在不同仿真场景下，110kV变电站110kV母线侧产生的电压偏差情况如表1所示。

根据表1的仿真结果可知：①当电力机车处于启动工况、高功率工况时，机车从电网吸收功率，导致在变电站110kV母线产生的电压偏差为负值，并网点的电压下降；②当电力机车处于制动工况时，机

图5 广东省某牵引站接入系统仿真模型Fig.5 Simulation model of one traction substation of Guangdong province accessing power grid

机车类型组合情况电压偏差(%)启动工况高功率工况制动工况SS9机车CRH动车HXD3货车A0B00.500.500.50A1B0-1.50-0.811.18A1B1-1.94-0.981.18A2B0—-2.28 —A2B1—-2.34 —A2B2—-2.70 —A0B00.500.500.50A1B0-1.26-0.651.08A1B1-1.30-0.671.08A2B0—-1.94 —A2B1—-1.97 —A2B2—-2.02 —A0B00.500.500.50A1B0-1.72-1.031.25A1B1-1.79-1.061.25A2B0—-2.77 —A2B1—-2.84 —A2B2—-2.92 —

车向电网倒送功率，导致在变电站110kV母线产生的电压偏差为正值，并网点电压升高；③带SS9机车时供电电压偏差范围为-2.70%～+1.18%；带CRH系列动车时供电电压偏差范围为-2.02%～+1.08%；带HXD3系列货物列车时供电电压偏差范围为-2.92%～+1.25%。

综合上述，各种负荷组合情况下110kV变电站110kV母线电压正负偏差绝对值之和均不超过标称电压的10%，符合国家标准。

4.3 三相电压不平衡度

电气化铁路单相供电和负荷的不平衡会带来负序电流，容易引起公共连接点处的三相电压不平衡问题。国标规定负荷引起系统公共连接点三相电压不平衡度应小于1.3%。

由于同种机车负荷的功率越高，其产生的三相电压不平衡度越大，故本节分别取三种电力机车的启动工况、高功率工况、制动工况为例进行研究，不同场景下110kV变电站110kV母线侧三相电压不平衡度的仿真结果如表2所示。

由表2仿真结果可知：①当牵引站带相同的电力机车数量组合时，电力机车的3种典型工况中，启动工况造成的三相电压不平衡度最大，高功率工况次之，制动工况最小；②当牵引站带相同的电力机车工况及数量组合时，HXD3货车造成的三相电压不平衡度最大，CRH动车次之，SS9机车最小；③当电力机车运行在启动工况时，仅有SS9机车的A1B0组合符合国标限值，但也达1.28%，接近限值1.3%，因此电力机车在启动工况时造成的三相电压不平衡度超标情况比较严重；④当3种电力机车运行在高功率工况时，仅在A0B0、A1B0、A1B1数量组

表2 多个仿真场景的三相电压不平衡度情况Tab.2 Unbalance of three-phase voltage of multiple simulation scenes

合时三相电压不平衡度符合国家标准，其余数量组合均超过国标限值，其中最大值为HXD3货车的A2B2组合，达到了2.69%，超过国标限值的2倍以上。

综上所述，电力机车造成的并网点三相电压不平衡度超标情况比较严重，需要针对三相电压不平衡度采取一定的补偿或治理措施。

4.4 谐波

电力机车作为两相或单相不对称谐波负荷，其产生的谐波电流经牵引变压器变换后为不平衡的三相谐波电流，并直接注入高压电网公共连接点，易造成公共连接点电压畸变，需限制其注入电流。

4.4.1 谐波电压

根据国家标准 GB/T14549-1993《电能质量-公用电网谐波》规定，110kV电压等级的电网电压总畸变率限值为2%。

由于电力机车的启动和制动工况过程十分短暂且数量组合较少，因此本文只以SS9型机车和CRH型8辆编组动车的高、中、低功率工况为例进行仿真分析。不同仿真场景下，SS9机车与CRH型8辆编组动车组引起110kV变电站110kV母线侧三相电压总畸变率仿真结果分别如图6和图7所示。

图6 SS9机车不同工况下引起三相电压 总畸变率仿真结果Fig.6 Simulation results of total voltage distortion caused by SS9 locomotive in different conditions

图7 CRH型动车不同工况引起三相电压总畸 变率仿真结果Fig.7 Simulation results of total voltage distortion caused by CRH locomotive in different conditions

由仿真结果可知：

(1)带SS9机车时，高功率工况下，仅在A1B0情况下，谐波电压总畸变率小于2%的国家标准限值，其余数量组合下，谐波电压总畸变率均超标；中功率和低功率工况下，均仅在A1B0、A1B1、A2B0情况下，谐波电压总畸变率小于国家标准限值，其余数量组合下，谐波电压总畸变率均超标。SS9机车引起的三相电压畸变率最大值出现在高功率工况下的A2B2情况，其值为4.85%，超过国标限值2倍以上。

(2)带CRH动车组时，谐波电压总畸变率最大值出现在低功率工况的A2B2情况下，其值为0.58%，小于国家标准限值2%，故所有CRH负荷情况下谐波电压总畸变率均符合国家标准。

由上述结果可知，SS9机车所带谐波容易导致110kV变电站110kV侧谐波电压总畸变率偏高，需要对其采取一定的限制或治理措施；CRH型8辆编组动车所产生的谐波较小，所导致的谐波电压总畸变率均符合国家标准。

4.4.2 谐波电流

由于篇幅问题，本文以谐波电压总畸变率最高的SS9机车高功率工况为例，进行谐波电流仿真。SS9机车高功率工况的谐波及功率数据如表3所示，将其数据输入至仿真模型中，得到谐波电流仿真结果，如表4所示。

表3 SS9机车高功率工况下的谐波及功率数据Tab.3 Harmonic and power data of SS9 locomotive in high power condition

表4 接入高功率工况SS9机车引起的谐波电流仿真结果Tab.4 Simulation results of harmonic current caused by SS9 locomotive in high power condition

该变电站110kV侧最小短路容量为558MW，根据国家标准《电能质量 公用电网谐波》的规定，谐波注入电流允许限值换算后如表4所示。

根据表4可知，带SS9机车高功率工况下，所有列车组合的3次谐波均超标；除A1B0外，其他列车组合的5次谐波均超标；除A1B0、A1B1、A2B0外，其他列车组合的7次谐波均超标；除A1B0、A1B1、A2B0外，其他列车组合的9次谐波均超标；11次及以上谐波均在标准限值内。

综上所述，SS9机车会使并网点产生3、5、7、9次谐波电流超标问题，因此需要对其引起的谐波电流问题采取对应的限制或治理措施。

5 结论

(1)本文提出了采用负荷+谐波源的方式表征电力机车的功率特性和谐波特性的等效电力机车模型。该模型以机车出厂测试报告或实测数据为依据，采用负荷+谐波源的方式等效替代电力机车，其建模过程简便，可推广性强，适合工程应用。

(2)本文以深茂铁路为例，提出了详细且全面的仿真评估分析方案。所提出分析方案将电力机车结合车型、工况、数量组合三个维度进行仿真分析，并对仿真结果进行对比评估，得到更全面的评估结果。

(3)本文对深茂铁路牵引站在变电站110kV母线侧引起的电压偏差、三相电压不平衡、谐波等电能质量问题进行评估，评估结论如下：

1)电压偏差。在多种不同的仿真场景下，牵引站带电力机车在并网点所产生的电压偏差均在国家标准限值内。

2)三相电压不平衡。3种电力机车造成的并网点三相电压不平衡度超标情况均比较严重，其中最大值为HXD3货车的A2B2组合，达到了2.69%，超过国标限值的2倍以上，需要采取一定的针对性治理措施。

3)谐波电压。当牵引站带SS9机车数量超过1辆时，有导致谐波电压总畸变率超标的风险，需要对其进行治理；当牵引站带CRH型8列动车时，其谐波电压总畸变率均符合国家标准。

4)谐波电流。深茂铁路运行时将会导致该牵引站接入电网处存在3、5、7、9次谐波电流超标的问题，需要对其采取对应限制或治理措施。

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An evaluation method of power quality about electrified railways connected to power grid based on PSCAD/EMTDC OUYANG Sen, LIANG Wei-bin

(Key Laboratory of Clean Energy Technology of Guangdong Province, School of Electric Power,

South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

The existing modeling process of power quality about electrified railways connected to power grid is complicated and the simulation scene is incomplete, so this paper puts forward a novel evaluation method of power quality based on PSCAD/ETMDC. Firstly, a model of power quality about electrified railways connected to power grid is established, which is based on measured data. The equivalent model of electrified locomotive contains power characteristic and harmonic characteristic, which are substituted by load and harmonic source. Secondly, in order to make evaluation more complete, an analysis scheme has been put forward. The scheme uses a combination of three-dimensions of electric locomotive, which contains types, working conditions and quantity. At last, Shenmao Railway is taken as example to evaluate the power quality at different scenes, and the result shows electrified railways connected to power grid have significant effect on power quality.

power quality; electrified railway; PSCAD/EMTDC; simulation model; evaluation

2015-10-17

广东省自然科学基金项目(2016A030313476)

欧阳森 (1974-)， 男， 广西籍， 副研究员， 博士， 研究方向为电能质量分析与控制、 智能电器； 梁伟斌 (1993-)， 男， 广东籍， 硕士研究生， 研究方向为电能质量分析与控制(通信作者)。

TM743

A

1003-3076(2016)12-0052-07