多种特殊负荷集中区域电网的电能质量问题分析

郑伟 丁宁 周喜超 刘颖英 智勇 杨勇

(1.甘肃电力科学研究院，甘肃 兰州 730050;2.中国电力科学研究院，北京 100192)

0 引言

甘肃电网在西北电网中具有地理核心位置，是西北电网的枢纽和省际功率交换中心。甘肃省的地理位置、气候特点及工业分布特点决定了其负荷分布具有特殊性:风力发电、电气化铁路负荷以及各类工业冶炼负荷在甘肃电网中分布相对集中，这些大容量非线性、冲击性负荷的接入，必然会对甘肃电网电能质量造成不同程度的影响。一方面，这些特殊负荷本身的电能质量特性将会对电网产生影响;另一方面，多种特殊负荷集中区域的电能质量问题叠加后对电网的影响将会表现出新的特性。此外，在稳态极端工况或暂态情况下多种特殊负荷对电网的影响，也是值得探讨与分析的。

目前，对风电［1-5］、电气化铁路［6-9］以及冶炼负荷［10-13］本身的电能质量特性及其治理措施的研究较多，已取得较为成熟的成果。在电能质量叠加问题方面，文献［14-16］对谐波叠加问题进行了理论分析，采用随机相位概率分析法、Monte Carlo模拟法、电磁暂态仿真模型等方法对多谐波源系统的谐波叠加及抵消等问题进行了一系列的研究。但多种特殊负荷集中区域的电能质量问题叠加特性，以及稳态极端工况或暂态情况下特殊负荷对电网的影响特性方面的研究尚少。因此，本文对该方面问题进行了分析，以掌握多种特殊负荷集中可能对区域电网电能质量产生的最严重影响，从而避免多种特殊负荷集中的电能质量问题给电网带来的损失。

本文首先对风电、电气化铁路及冶炼负荷本身的电能质量特性进行系统的总结和介绍。然后，通过对甘肃电网某区域电网的仿真分析，研究了多种非线性负荷同时工作在最大功率、不对称负荷接入电网、冲击性负荷投切、牵引负荷过电分相等暂态和极端情况下的电网电能质量问题，分析结果可以作为该区域电网电能质量治理及管理的参考依据。

1 特殊负荷的电能质量问题

1.1 风力发电的电能质量特性

风力发电的电能质量特性主要是:电压偏差、电压波动与闪变以及谐波特性。

1.1.1 电压偏差特性

无功功率在电网中流动是造成电网电压偏差的主要原因。对于定速风电机组，由于其吸收的无功功率随发出的有功功率增大而增大，因此会造成电压偏差。而对于变速风电机组，虽然能够通过有功和无功的解耦控制实现风电场与电网无功交换为0，但当期出力较高时，输出的较大有功功率在输电线中也会引起无功损耗，从而引起电压偏差。此外，当输电线路较长时，线路对地电容将导致风电场在出力较低时风电场端电压高于电网电压。

1.1.2 电压波动与闪变特性

风电机组输出功率的波动是引起电网电压波动与闪变的主要原因。引起风电机组输出功率波动的原因有很多，风速的随机性、风力机组的类型和控制策略、风电机组的操作、风力机结构特性以及风电机组所接入电网的结构都会引起输出功率变动［1］。

1.1.3 谐波特性

风电机组中大功率的电力电子装置是谐波问题的主要来源。包括双馈机和直驱式风机的变速风机，在电网侧采用PWM逆变器，逆变器装置的结构设计、控制方法及相应滤波器的设计将使风电机组表现出不同的谐波特性，并且该谐波电流与风机的输出功率基本呈线性关系。随着电力电子技术的发展，高频逆变技术将使风电机组的特征谐波集中于易于滤除的高频区域，并产生一定量的高频间谐波成分。

1.2 电气化铁路的电能质量特性［6］

电铁负荷的电能质量特性包括谐波、负序、电压偏差和电压波动特性。其中，谐波和负序是电铁负荷的主要电能质量特性。

1.2.1 谐波特性

由于电铁负荷具有单相不对称、波动剧烈的特点，因此其产生的谐波有别于其它电力用户产生的谐波。电铁负荷谐波特性主要表现在:①特征谐波相比普通负荷有所不同;② 谐波初相角分布广泛，可在复平面的0～360°之间随机分布;③ 谐波幅值随机剧烈波动并在一定条件下具有日周期性;④ 谐波从110kV或220kV(330kV)电压等级直接注入电网等。

1.2.2 负序特性

由于电气化铁路是单相负荷，当三相电力系统对其供电时，它将向电力系统注入负序电流。单相工频交流电气化铁路的首要问题就是拓扑结构的不对称，加之单相负荷的独立性和变化的随机性，使得其返回系统的负序问题颇为复杂。电气化铁路接入系统一般会采用轮流换相的方法进而减小其单相性对电网各公共连接点的影响。

1.3 冶炼负荷的电能质量特性

冶炼类负荷的类型多种多样，包括交(直)流电弧炉、电热炉、中频炉、精炼炉以及电解设备等。该类负荷主要的电能质量特性包括谐波和电压波动特性，此外对于不对称冶炼设备还具有负序特性。

1.3.1 谐波特性

冶炼设备的谐波特性主要取决于两方面:非线性电阻特性和整流电路特性。如果冶炼过程中存在电弧，而这些电弧是非线性电阻性的，因此电弧燃烧时就产生了谐波电流。该谐波电流由于电极的阳极和阴极压降不同，因此存在偶次谐波成分。此外，由于电弧的导电率和长度随时间变化，谐波幅值也会随机变化，从而产生连续的谐波频谱，使主要的谐波频谱都存在边频带，即间谐波。如果冶炼负荷存在整流电路，则整流装置将使冶炼负荷产生特征谐波注入电网。

1.3.2 电压波动特性

各类冶炼负荷所消耗的功率均存在不同程度的冲击性和随机性特点，而无功功率变化所带来的主要电能质量问题就是电压波动与闪变。其中，电压波动与闪变问题最严重的就是电弧炉设备。电弧炉的电压波动特性主要取决于其熔化期的电气特性［10］。

交流电炉均存在不同程度的负序问题，其负序特性主要取决于电炉的大电流电感支路。大电流电感支路包括变压器二次侧连接、电极导线以及电极。一方面，由于导体的几何对称性总会存在偏差，在强磁场的作用下产生不对称的互感系数，从而使电感支路表现出静态不平衡性。另一方面，大电流电感支路在电炉运行时会改变它们之间的相对位置，从而表现出动态不平衡性。

2 多种特殊负荷集中区域电网的电能质量问题仿真分析

2.1 仿真模型的建立

根据甘肃省的电网结构和负荷情况，选取了上述三类负荷较集中的区域，依据实际电网参数和电能质量测试数据，在PSCAD/EMTDC中搭建了相应的仿真模型，对不同工况下多种特殊负荷集中区域电网的电能质量情况进行了仿真分析。

图1给出了仿真时所采用的区域电网结构图。其中，等效电源为与该区域电气距离较远的330kV系统变电站，为了分析最严重的情况，采用该站的330kV母线最小短路容量作为等效电源数据;变电站1、变电站3、变电站6为330kV变电站，其余系统变电站均为110kV变电站;3座电厂经升压变接入110kV电网。该区域共有4座风电场接入110kV电网，3个牵引站直接接入330kV接入系统，其中牵引站1、2共同接入变电站1的330kV母线。冶炼负荷通过110kV接入系统变电站7中。各系统变电站均考虑了所带其他一般负荷以及加装的补偿装置。

图1 仿真分析电网结构图

仿真中，风电场的输入为各个风电场接入点的测试数据，电铁牵引站的输入为该站短时最大功率情况下对应的基波和谐波电流数据，同时考虑了牵引站的轮流换相，冶炼负荷的输入是基于典型电弧炉模型的输出数据。

2.2 稳态电能质量

为了考察极端情况下三种负荷对电网电能质量的影响，将风电场、电铁负荷以及冶炼负荷同时以最大容量接入电网中，分析该情况下主要母线的谐波、负序以及电压波动的情况。

2.2.1 谐波问题

表1给出了主要母线的电压谐波总畸变率仿真结果。

情感，对于人类而言有格外重要的意义.情感可以促使人去喜爱、探索一项自己并不了解的事物，进而对其感兴趣，再深入的探析.而数学课程就是这样一门特殊的学科，需要学生们去投入情感，去进行深入的探索.所以，数学情感教育逐渐获得大家的关注，成为高中数学课程改革的一个新的目标.但是很多学生和老师都对数学情感教育还不够了解，本文将带领大家对情感教育进行深入的探究.

表1 主要母线的电压谐波总畸变率

通过表1可以看出，冶炼负荷相邻的系统变电站母线的谐波含量较高，并且已经接近国标中110kV电压谐波总畸变率为2%的限值。此外，与电气化铁路相连的系统变电站1由于有两个牵引站同时接入，相应的谐波含量也较大。图2给出了变电站6的110kV的母线电压波形。

图2 变电站6的110kV母线电压

由于仿真时考虑了系统变电站集中加装的滤波和补偿装置，减小了谐波在电网中的传播，因此仿真结果均未出现超标现象。在冶炼类负荷和电气化铁路接入系统时，需对其产生的谐波采取相应的治理措施，避免大量谐波注入系统对电网产生恶劣影响。

2.2.2 负序问题

表2给出了直接接有特殊负荷的主要公共连接点三相电压不平衡度仿真结果。

由表2可以看出，有电气化铁路接入的系统变电站母线相应的三相电压不平衡度较高。当电气化铁路接入电力系统时，应当考虑优化牵引系统的供电方式，通过轮流换相、选择合适的牵引变压器类型和装设补偿装置等措施减小电铁负序对电网电能质量的影响。图3中给出了变电站1的330kV母线电压相量图。

表2 主要公共连接点三相电压不平衡度

图3 变电站1的330kV母线电压相量

2.2.3 电压波动

风力发电以及冶炼负荷都是波动性很强的负荷，这种负荷同时接入电网会给电网带来很大的电压波动问题。表3给出了主要公共连接点在三种负荷共同作用情况下的电压波动数据。

表3 各公共连接点电压波动

从表3可以看出，与冶炼负荷相邻的系统变电站的电压波动较大。图4给出了变电站6的110 kV母线电压有效值。因此，对于有冶炼负荷和风电场接入的公共连接点，需采取一定的治理措施，避免带来相应的经济损失。

2.3 暂态电能质量

为了考察负荷在投入(切除)或变换运行方式的情况下，是否会对其他负荷及系统产生影响，本节对冶炼负荷投入和牵引负荷过分相进行了仿真分析。由于风电场的投入和切除受调度的影响，并且风电场并网时须满足并网条件，故不特别针对风电场的并网进行暂态电能质量分析。

图4 变电站6的110kV母线电压有效值

2.3.1 冶炼负荷投入

当冶炼负荷投入时，将从系统电源汲取比正常工作时大得多的电流。流经系统电源阻抗的电流突然增大，造成电源阻抗分压增加，从而引起公共连接点电压降低。反之，当其从系统中切除时，电压会随之升高。

当系统电压降低时，对电气化铁路、风力发电厂等重要负荷的供电都会有一定的影响，严重时更可能造成负荷解列，带来严重的社会经济损失。

图5给出了当额定容量为100MVA的冶炼负荷在1.5s投入时，电压降低最严重的母线(变电站6的110 kV母线)的电压有效值波形以及冶炼负荷接入点的电流波形。

仿真结果表明，当冶炼负荷投入时，系统电压均会有一定程度的降低，越接近冶炼负荷的接入点，降低幅度越大，其接入点(变电站6的110 kV母线)的电压降低幅度约为4.1%。此时，与风电场相连的系统公共连接点电压降低约为1.9%，基本不会对风电场及电铁供电造成严重的影响。其余母线的电压降低均在3%以下，对系统及负荷不会产生严重的影响。冶炼负荷投入后的电压波动，是由冶炼负荷的随机性和波动性引起的，在该区域电网结构下，该波动幅度较小，对电力系统影响较小，可忽略。

图5 变电站6的110kV母线电压有效值和冶炼负荷接入点的电流波形

2.3.2 牵引负荷过分相

通过对牵引负荷的实测，估计牵引站出现电压变动最大的运行工况为:同一牵引供电臂上一列机车过分相后牵引运行另一列机车从惰性转为牵引运行，此时相当于有两列机车同时牵引时，造成的电压变动最大。

仿真中，在牵引站1中模拟该工况(4 s时发生)，结果显示变电站1的330 kV母线上电压降低最大，为0.17%，基本不会对系统产生影响。图6给出了该母线的电压有效值。

图6 变电站1的330kV母线电压有效值

由于牵引负荷接入点的系统变电站的短路容量较大，而该情况下的功率冲击与短路容量相比微乎其微，故其带来的电能质量问题可以忽略不计。但是，当系统短路容量较小时，该问题应引起注意。

3 结束语

(1)当同一系统母线接有多种非线性负荷时，该母线谐波含量较大，经集中治理后可有效减小谐波在电网中的传输，减小区域电网内的总体谐波水平;

(2)电气化铁路属单相负荷，该类负荷接入系统会引起供电母线的严重三相不平衡，因此在牵引负荷接入时，需对供电方案等内容进行审核，进行电能质量问题评估，并采取相应的治理措施;

(3)风力发电和冶炼负荷等波动性较大的负荷，会带来较大的电压波动问题，需对其采取治理措施;

(4)冶炼类的冲击性负荷投入电网时会带来一定的电压冲击，在其它类负荷接入该区域电网时，需考虑设备的耐受性，避免带来相应的经济损失。

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