地铁牵引供电系统接入对电网电能质量影响分析

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(1.国网四川省电力公司客户服务中心，四川 成都 610041；2.国网四川省电力公司电力科学研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

地铁牵引供电系统大多由电力机车、牵引网、电缆等几部分组成，由于该系统采用直流牵引方式，具有非线性强、电压波动大、电缆引发的充电无功功率大等诸多特征，其接入对城市电网电能质量以及供电可靠性、稳定性都带来了较大的影响[1-4]。为了防患于未然，在轨道交通接入前进行电能质量预评估并提出相应的预防性措施，可提高电网的电能质量及供电可靠性和稳定性，消除轨道交通接入对电网造成事故的潜在隐患[5-8]。

首先介绍了某地铁主变电所的接入系统方案以及负荷情况。基于PSCAD对电力机车、牵引网、电缆构成的牵引供电系统进行详细地仿真建模，然后分析了各种运行工况下地铁牵引系统的谐波电流水平。最后针对不同系统阻抗下110 kV 电缆可能引发谐波电流放大的风险进行了评估，为轨道交通接入电网提供强有力的技术保障。

1 牵引供电系统仿真建模

1.1 牵引供电方式

研究的牵引供电系统采用单相工频25 kV交流制、带回流线的直接供电方式，如图1所示。

该供电方式在接触网同高度的外侧增设了一条回流线，减轻了接触网对邻近通信线路的干扰，结构简单、维护量小、供电可靠性高。

地铁主变电所牵引部分采用两台三相V/V接线牵引变压器，一主一备。其中每台V/V变压器由两台单相变压器组成，分别接入两个不同的线电压，其接线形式如图2所示。

图2 V/V变压器接线形式

1.2 交直交型电力机车模型

表1 为所选用的A+型车的主要特征参数，其中列车最高运行速度为140 km/h，其载荷和重量参数如表2所示，牵引特性曲线如图3所示。可以看出，单车最大输出功率为7200 kW。列车的加速过程为：048 km/h为恒牵引力加速；48 km/h100 km/h为恒功率加速；100 km/h160 km/h以自然特性加速，转差效率恒定。

表1 A+型机车的相关参数

表2 车辆总重

注：乘客人均体重按60 kg计，轴重≤17 t。

图3 A+型8辆编组机车牵引特性曲线

交直交机车的交流传动系统普遍采用“交-直-交”型主电路，主要由牵引变压器、四象限整流器、逆变器、三相异步交流电机等组成，主电路原理如图4所示。

图4 交直交机车主电路结构原理

2 牵引网仿真模型

2.1 牵引网串、并联元件

在单一频率下，牵引网输电线路可近似线性，等效为如图5所示的π型对称线性无源二端口网络电路。

图5 π型等值电路

当牵引网的平行导线较多时，可对导线进行等值合并处理。建立串联阻抗元件的支路导纳矩阵为

图6 电缆供电方式牵引网模块以及子模块

(1)

牵引网中并联元件的节点导纳矩阵为

(2)

其中Δ为大实数，而其他并联设备的节点导纳矩阵为

(3)

2.2 牵引网简化仿真模型

复线带回流线直供方式牵引网采用8根导线等值，包括上/下行接触网(Tl/T2)、上/下行钢轨(Rl/R2)、上/下行加强导线(A1/A2)、上/下行回流线(NF1/NF2)。图6中搭建了基于直供带回流线供电方式的牵引网模型。

3 谐波电流水平评价

为了评估地铁牵引系统接入对区域电网的影响，下面考虑较为严重的运行工况，即考虑多车紧密运行时注入电网的谐波水平。

设机车处于紧密运行状态，正常供电下某主变电所牵引变压器的计算负荷分别为19.57 MW和9.9 MW，因此重载8.615 km线路布置3列机车，各列车运行功率分别为7.2 MW、7.2 MW、5.2 MW；轻载5.639 km线路布置2列车，每列功率为5 MW。考虑最严重情况，有两列车分别处于牵引网上下行末端，列车在线路上分布见图7所示。

图7 牵引网中列车分布示意

图8和图9为某地铁主变电所接入电网110 kV侧三相电压和电流仿真波形以及最大相电压、电流的FFT频谱，谐波电流主要集中在1950 Hz和2050 Hz高频段，最大相1950 Hz谐波电流含量为3.63 A。

图8 多车紧密运行时110 kV郭家堰侧电压和电流波形

图9 多车紧密运行时110 kV接入点电压和电流FFT频谱

图10和图11为重载臂V/V变压器27.5 kV侧电压、电流仿真波形和FFT频谱，表3和表4则分别对110 kV 接入点的电压和电流畸变情况进行了统计，可以看出，110 kV 母线各相电压总畸变率分别达到0.97%、0.61%、1.36%，110 kV接入点各次谐波电流也均满足国标限值要求。

图10 重载臂V/V变压器27.5 kV侧电压和电流仿真波形

图11 重载臂V/V变压器27.5 kV侧电压和电流FFT频谱

测试参数A相B相C相基波电压/kV65.5166.6166.13总畸变率/%0.970.611.36650 Hz/%0.050.110.101950 Hz/%0.640.360.912050 Hz/%0.670.370.94

表4 110 kV接入点电流畸变情况

4 110 kV电缆引发谐波电流放大风险分析

图12 牵引供电系统与电网交互的并联谐振等效电路

图传递函数的幅频特性(浅色：小方式，深色：大方式)

5 结 语

针对城市轨道交通牵引系统进行了详细的仿真建模，考虑了多车紧密运行方式下牵引供电系统的谐波电流水平，并针对不同系统阻抗下110 kV 电缆可能引发谐波电流放大的风险进行了评估。结果表明：一方面根据当前主变电所接入点的短路容量计算得知，各次谐波电流均满足国标限值要求；另一方面，牵引系统产生的谐波电流经110 kV电缆线路注入电网时，在低频段和高频段均存在谐波电流放大风险。