城市轨道交通直流牵引供电系统接入对电网电能质量影响的分析

魏铭池，魏 巍，刘 畅，徐 琳

(1.西南交通大学电气工程学院，四川 成都 610031；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

近年来，随着城市轨道交通的飞速发展，城市轨道交通直流牵引供电系统接入对电网电能质量的影响越来越引人关注[1-4]。城市轨道交通负荷具有冲击性和非线性，其接入电网后将会对电网的电能质量造成严重的负面影响[5-7]。因此，对城市轨道交通直流牵引供电系统接入电网引起的电能质量问题展开全面分析和详细建模评估有助于将技术监督关口前移，及时发现相应风险，从而维护电网的安全稳定运行。

国内学者已逐步开展对城市轨道交通直流牵引供电系统接入电网引起的电能质量问题的研究工作。目前，国内对城市轨道交通直流牵引供电系统接入电网的研究大多集中于24脉波整流机组[8-10]与城轨机车负荷特性[11-12]，并评估牵引供电系统带单辆城轨机车时对电网电能质量的影响[13-14]。

在实际生活中，城轨机车有不同工况、不同数量组合的可能性，但是大部分文献[11-14]仅研究了牵引供电系统带单辆城轨机车时对电网电能质量的影响，没有进行全面分析。

对此，基于Matlab/Simulink平台，首先，建立了城市轨道交通直流牵引供电系统接入电网的仿真模型，主要包括24脉波整流机组、牵引网、中压电缆、城轨机车；然后，提出结合城轨机车工况、数量组合两个维度的仿真场景设置方案;最后，以成都市轨道交通为例，仿真分析了接入点的电压偏差、谐波电压和谐波电流。

1 城市轨道交通直流牵引供电系统接入电网仿真模型搭建

城市轨道交通直流牵引供电系统由110 kV电网接入，经主变电所降压为35 kV电压等级后，向牵引变电所输送电能。牵引变电所再次降压，然后整流为1500 V直流电传输至接触网，为城轨机车供电，最后经钢轨回流。主变电所向牵引变电所供电的接线形式为双边集中供电形式，通过牵引变电所的输电线路都经过中压母线(35 kV)连接，增加了供电可靠性。图1为城市轨道交通直流牵引供电系统示意图。

图1 城市轨道交通直流牵引供电系统

基于Matlab/Simulink平台建立了城市轨道交通直流牵引供电系统接入电网的仿真模型，下面介绍此模型中最主要的4个部分：24脉波整流机组、牵引网、中压电缆、城轨机车。

1.1 24脉波整流机组

当前中国城市轨道交通直流牵引供电系统大多采用24脉波整流机组[8-10]。

图2为24脉波整流机组主电路原理图。24脉波整流机组由2台等容量的12脉波整流机组构成。每台12脉波整流机组DC侧绕组依次为Y和△接法，从而形成相位差为30°的线电压；AC侧是延边三角形接线，依次移相±7.5°，以此构成的2台等容量变压器的4套DC侧绕组的线电压相位互差15°，依次全波整流之后，并联运行于DC侧，最终输出24脉动直流电。

图2 24脉波整流机组主电路原理

由图2搭建的24脉波整流机组仿真模型如图3所示。

图3 24脉波整流机组仿真模型

利用2台移相变压器依次移相±7.5°之后分别接入2台三相三绕组变压器，接线方式为D11-Y/D11-D11，每台变压器连接2个6脉波桥式整流器，从而并联形成12脉波整流机组，2台12脉波整流机组并联形成24脉波整流机组。

1.2 牵引网

牵引网是城市轨道交通直流牵引供电系统向城轨机车输送电能的直接环节，它由馈电线、接触网、钢轨以及回流线组成[14-15]。

牵引网等值电路如图4所示，牵引网仿真模型如图5所示，牵引网参数如表1所示。

图4 牵引网等值电路

图5 牵引网仿真模型

表1 牵引网参数

1.3 中压电缆

城市轨道交通直流牵引供电系统中压网络电缆线路(35 kV)等值电路如图6所示。

图6 中压电缆等值电路

由于中压电缆表面有屏蔽层，相间电容可忽略，因此直接组合3个“PI Section Line”模块对三相中压电缆建模，如图7所示。中压电缆参数取值如表2所示。

图7 中压电缆仿真模型

表2 中压电缆参数

1.4 城轨机车

城轨机车是城市轨道交通直流牵引供电系统的主要负荷，也是功率的主要消耗源，因此仿真建模时需对城轨机车的功率特性进行充分的体现。

1)当城轨机车运行于启动工况、额定工况、中功率工况、低功率工况时，采用负荷表征城轨机车功率特性，利用Matlab/Simulink平台的“Series RLC Load”元件可实现依据实际工况设置城轨机车的功率参数，如图8所示。

图8 城轨机车仿真模型(负荷表征功率特性)

2)当城轨机车运行于制动工况时，城轨机车上的牵引电机处于发电机状态，将城轨机车的动能转换成电能反向流至直流牵引网。由于禁止直流牵引网上的电能通过DC/AC变换返回交流电网，再生电能除部分被其他处于牵引工况的车辆吸收利用外，还有一部分剩余再生电能会导致网压升高。此时，城轨机车按电流源建立模型，利用Matlab/Simulink的“controlled current source”模块建立模型，如图9所示。

图9 城轨机车仿真模型(制动工况)

2 电能质量评估指标

城市轨道交通负荷具有非线性和冲击性，其接入会给电网带来电压偏差、谐波等电能质量问题。下面对城市轨道交通直流牵引供电系统接入点处的电压偏差、电压总畸变率、特征次谐波电压含有率、特征次谐波电流含量等电能质量指标进行全面详细的分析评估。

2.1 电压偏差

电力系统中的用电负荷时时刻刻都在发生变化，其有功功率与无功功率一直是动态平衡的状态，电压也在不断变动，实际电压对标准电压偏差的百分比即为电压偏差。电压偏差超出国家标准限值后会恶化电气设备的工作效能，降低使用寿命，甚至损坏[16]。因此，对城市轨道交通直流牵引供电系统接入点的电压偏差进行全面详细的分析评估。

GB/T 12325—2008《电能质量 供电电压偏差》规定，35 kV及以上供电电压正、负偏差绝对值之和不超过标称电压的10%[17]。城市轨道交通直流牵引供电系统接入点的标称电压值为110 kV，其供电电压正、负偏差绝对值之和不应超过11 kV。

2.2 谐波

整流机组既是城市轨道交通直流牵引供电系统的重要设备，也是谐波的主要来源。目前，中国城市轨道交通直流牵引供电系统普遍采用的24脉波整流机组会向电网注入24k±1(k=1,2,3,…)次谐波，以23次、25次为主。谐波会导致电压与电流波形发生畸变，会对电气设备产生负面影响[18]。

为了及时发现潜在的谐波超标风险，需对城市轨道交通直流牵引供电系统接入点的电压总谐波畸变率、特征次谐波电压含有率、特征次谐波电流含量进行全面详细的分析评估。

2.2.1 谐波电压

GB/T 14549—1993《电能质量 公用电网谐波》规定：电网标称电压为110 kV时，电压总谐波畸变率限值为2.0%，奇次谐波电压含有率限值为1.6%，偶次谐波电压含有率限值为0.8%[19]。

2.2.2 谐波电流

GB/T 14549—1993《电能质量 公用电网谐波》规定：标准电压为110 kV，基准短路容量为750 MVA时，23次谐波电流允许值为2.1 A，25次谐波电流允许值为1.9 A[19]。这里110 kV三相电源短路容量取值为1000 MVA，由式(1)可求得谐波电流允许值。

(1)

式中：Ih为短路容量为Sk1时的第h次谐波电流允许值；Sk1为公共连接点的最小短路容量，MVA；Sk2为基准短路容量，MVA；Ihp为短路容量为基准短路容量时的第h次谐波电流允许值，A。

由式(1)求得的23次谐波电流允许值为2.8 A，25次谐波电流允许值为2.53 A。

3 仿真场景设置

由于目前大部分文献[11-14]只对城市轨道交通直流牵引供电系统带单辆城轨机车进行仿真建模，但在实际生活中，城轨机车有不同工况、不同数量组合的可能性。因此，以成都市轨道交通为例，设置了不同的仿真场景，较为全面地分析城市轨道交通直流牵引供电系统接入对电网的电能质量影响。

1)城轨机车工况。典型工况包含以下5种：启动工况、高功率工况、中功率工况、低功率工况和制动工况。城轨机车运行时额定工况定义为高功率工况，启动工况的功率约为1.5倍额定功率，城轨机车在制动时向系统倒送功率，倒送功率值约为0.5倍额定功率。由于城轨机车的功率越高，其对电网电能质量影响越大，因此取启动工况、额定工况、制动工况进行仿真建模分析。

2)城轨机车数量组合。实际运行时，存在高峰期城轨机车紧密运行及非高峰期城轨机车松散运行两种情况。非高峰期城轨机车松散运行时，每个牵引站均带一辆城轨机车，或是两相邻牵引站间均带一辆城轨机车。高峰期城轨机车紧密运行时，除每个牵引站均带一辆城轨机车以外，两相邻牵引站间均带一辆城轨机车。

3)城轨机车车型。所研究的城轨机车车型为成都市轨道交通1号线车辆。由文献[15，20]可知成都市轨道交通1号线车辆采用B型车，4动2拖(4M2T)，6辆固定编组，列车最高速度80 km/h，供电电压为DC 1500 V，额定功率为2880 kW，启动功率为4320 kW，制动倒送功率为1440 kW。

取成都市轨道交通4个典型场景进行仿真建模分析，基于Matlab/Simulink搭建的非高峰期城轨机车松散运行仿真模型与高峰期城轨机车紧密运行仿真模型分别如图10、图11所示。

图10 非高峰期城轨机车松散运行仿真模型

图11 高峰期城轨机车紧密运行仿真模型

场景1：非高峰期城轨机车松散运行，每个牵引站均带一辆处于启动工况的城轨机车。

场景2：非高峰期城轨机车松散运行，两相邻牵引站间均带一辆处于额定工况的城轨机车。

场景3：高峰期城轨机车紧密运行，每个牵引站均带一辆处于启动工况的城轨机车，且两相邻牵引站间均带一辆处于额定工况的城轨机车。

场景4：高峰期城轨机车紧密运行，每个牵引站均带一辆处于制动工况的城轨机车，且两相邻牵引站间均带一辆处于额定工况的城轨机车。

4 实例分析

4.1 电压偏差

不同仿真场景下，城市轨道交通直流牵引供电系统接入点电压偏差值如表3所示。

表3 不同仿真场景下接入点电压偏差值

由表3可知：1)当城轨机车处于启动工况、高功率工况时，城轨机车从电网吸收功率，导致接入点电压偏差为负，电压降低，且功率越大电压偏差越大；2)当城轨机车处于制动工况时，城轨机车向电网倒送功率，导致接入点电压偏差值为正，电压升高；3)不同仿真场景下接入点电压正负偏差绝对值之和均未超过标称电压的10%，符合GB/T 12325—2008《电能质量 供电电压偏差》国家标准。

4.2 谐波电压

不同仿真场景下，接入点电压总谐波畸变率以及23次、25次谐波电压含有率如表4所示。

由表4可知：1)不同仿真场景下接入点电压总谐波畸变率、23次谐波电压含有率、25次谐波电压含有率均未超过国家标准限值，符合国家标准；2)谐波电压含有率与城轨机车功率成正比，即城轨机车功率越大，谐波电压含有率越高；3)仿真场景3的电压总谐波畸变率为1.71%，25次谐波电压含有率为1.456%，十分逼近国家标准限值，倘若城轨机车功率继续增大、数量继续增加，存在谐波电压超标风险，需要对其进行治理。

表4 不同仿真场景下接入点电压总谐波畸变率以及23次、25次谐波电压含有率 单位：%

4.3 谐波电流

不同仿真场景下，接入点23次、25次谐波电流含量如表5所示。

表5 不同仿真场景下接入点23次、25次谐波电流含量

由表5可知：1)仿真场景3的25次谐波电流含量超出国家标准限值，需要对其采取相应的限制或治理措施；2)其余仿真场景的23次、25次谐波电流尚未超出国家标准限值，符合国家标准；3)倘若城轨机车功率继续增大、数量继续增加，存在谐波电流超标的风险，需要对其进行治理。

综上所述：1)仿真场景3对电网风险最高。非高峰期乘客数量较少时，可以通过合理的城轨机车调度来消弭；高峰期乘客数量较多时，无法通过合理的城轨机车调度来消弭，需要采取相应的治理措施。

2)接入点的电压偏差、谐波电流以及谐波电压3个指标是城轨机车工况、城轨机车数量组合以及城轨机车车型3个因素共同作用的结果。相对而言，城轨机车数量组合的影响最大，城轨机车工况次之。

5 结 论

基于Matlab/Simulink平台建立了城市轨道交通直流牵引供电系统接入电网的仿真模型，以成都市轨道交通为例，基于实际情况，考虑城轨机车工况、数量组合，设置了不同的仿真场景，分析评估了城市轨道交通直流牵引供电系统接入对电网电能质量的影响，结论如下：

1)电压偏差：不同仿真场景下接入点的电压偏差值均在国家标准限值内，仿真场景3的电压偏差值最大，为-1.17%。

2)谐波电压：不同仿真场景下接入点的谐波电压含量均在国家标准限值内，仿真场景3的谐波电压含量最高，且十分逼近国家标准限值，存在谐波电压含量超标风险。

3)谐波电流：仿真场景3的25次谐波电流含量超出国家标准限值，需要对其采取相应的治理措施，其余仿真场景的谐波电流尚未超出国家标准限值。