哈大高铁客运专线对黑龙江省电网的影响分析

张明江

(黑龙江省电力科学研究院，哈尔滨150030)

哈大高铁客运专线是中国目前严寒地区设计建设标准最高的一条高速铁路，全长921 km，全线设17个牵引站向电铁供电，为双线电气化铁路。其中黑龙江省境内有2个牵引站，分别为哈西客站牵引变电所和双城北牵引变电所。哈大客运专线动车组采用的CRH380B高寒动车组是交直交传动电动车组，并且是单相系统供电，在机车运行过程中将产生大量的谐波和负序分量注入电网，波及其他用户［1－2］;而且电铁机车沿铁路移动用电，产生的危害程度比其他类型的谐波源设备要严重得多［3－4］。对此，本文主要从电能质量角度分析哈大高铁客运专线对黑龙江省电网的影响。

1 供电方式

根据国家电网公司《电气化铁路牵引站接入电网导则(试行)》的要求，电力牵引负荷为一级负荷，采用集中供电方式，牵引站应由两路电源供电，当任一路出现故障时，另一路仍应正常供电。牵引站的两路电源宜取自不同电源点的两座变电站(发电厂)。如牵引站的电源取自同一变电站(发电厂)，原则上应同时满足以下条件:1)两路电源取自不同段母线;2)该站应至少有两路电源进线(含来自高一级电压的不同降压变压器)。根据黑龙江省电网实际情况，哈西客站牵引变电所由哈西一次变电所和城乡一次变电所各出一回220 kV线路供电，双城北牵引变电所由双城一次变电所出2回220 kV线路供电，供电网示意图如图1所示。

图1 供电网示意图Fig．1 Schematic diagram of power supply network

牵引变电所有两回220 kV进线，220 kV侧主接线为带隔离开关分段的单母线接线，内设4台220 kV/27.5 kV单相变压器(哈西客站牵引变电所两台额定容量为31.5 MVA，两台额定容量为40 MVA;双城北牵引变电所额定容量均为40 MVA)。两台变压器与一回两相220 kV线路构成两组线路—变压器单元接线，采用固定备用方式，一组运行，一组备用，设有备用自动投入装置。牵引变电所27.5 kV侧接线采用单母线接线形式，牵引变压器低压侧设置27.5 kV断路器，馈线断路器上下行互为备用，采用上下行馈线间隔联络电动负荷隔离开关运行方式。牵引站供电接线图如图2所示。

2 电铁线路运行对电网的影响

2.1 系统参数

1)电能质量考核点(PCC点):城乡一次变电所、哈西一次变电所和双城一次变电所的220 kV母线。

2)由城乡一次变供电时的供电设备容量为466 MVA，由哈西一次变供电时的供电设备容量为1063 MVA，由双城一次变电所供电时的供电设备容量为463 MVA。

3)城乡一次变220 kV系统最小短路容量为2373.4 MVA，哈西一次变220 kV系统最小短路容量为7646.6 MVA，双城一次变电所220 kV系统最小短路容量为2896.7 MVA。

4)哈西客站牵引变电所用电协议容量为223 MVA，双城北牵引变电所用电协议容量为160 MVA。

2.2 负序分量

电铁线路两相供电系统，相当于正常三相对称系统经大阻抗两相短路［5］，其等值网络图如图3所示。

图2 哈西客站牵引变电所主接线示意图(括号内标注为双城北牵引变电所进出线)Fig．2 Schematic diagram of main wire linein Harbin west railway traction station

图3 电铁线路等值网络图Fig．3 Electric railway line equivalent network diagram

由图3可知

假设Xs1=Xs2，Xl1=Xl2，Xe1=Xe2，则

I2=I1=Es/(2Xs1+2Xl1+2Xe1)

式中:Xs1，Xs2为系统等值正、负序电抗;Xl1，Xl2为电铁输电线路正、负序电抗;Xe1，Xe2为牵引站单相变压器正、负序励磁电抗。

由中铁第一勘察设计院集团有限公司提供的牵引变电所220 kV侧的负序功率平均值为31.13 MVA，短时值92.29 MVA，负序电流平均值为81.7 A，短时值242.2 A。

根据电力分析理论知识和系统及发电厂参数，计算出注入哈三B电厂和哈一热电厂的负序电流(I2)及其与额定电流之比(I2/IN)如表1所示。

表1 注入电厂的负序电流(I2)及其与额定电流之比(I2/IN)值Tab．1 Negative sequence current of injecting power plant and the ratio of negative sequence current(I2)to the rated current(I2/IN)

当公共连接点的正序阻抗与负序阻抗相等时，负序电压不平衡度计算公式为

式中:I2为负序电流值，A;Sk为公共连接点的三相短路容量，VA;UL为线电压，V。

根据式(1)，当牵引变电所分别由城乡一次变、哈西一次变供电和双城一次变供电时，公共连接点的三相电压不平衡度如表2所示。

表2 牵引变电所运行时公共连接点三相电压不平衡度Tab．2 Three-phase voltage unbalance for common point when traction station operating

根据国家标准《隐极同步发电机技术要求》(GB/T 7064－2008)、国家标准《旋转电机 定额和性能》(GB 755－2008)和国家电力公司标准《汽轮发电机运行规程》(1999年版 国电发［1999］579号)的规定，当三相负荷不对称时，如发电机所承受的负序电流分量(I2)与额定电流之比(I2/IN)符合表3的规定，且定子每相电流均不超过额定值时，应能连续运行。

根据国家标准《电能质量 三相电压不平衡》(GB/T 15543－2008)的规定，电力系统公共连接点电压不平衡度限值正常运行为2%，短时为4%。

表3 不平衡负荷运行限值Tab．3 Unbalanced load operation limit

2.3 谐波分量

哈大高铁配备的是CRH380B型高寒动车组，采用交－直－交传动方式。交直交动车组的特点是功率因数高，牵引工况接近1;谐波频谱宽，高次谐波含量低。电铁谐波的特征谐波为2、3、5、7次，其中3次谐波电流含有率最大，随着谐波次数的增大，含有率快速递减［6］。

根据中铁第一勘察设计院集团有限公司提供的资料，在高峰时段，牵引站两侧的上、下行方向均有两台机车运行，单台机车牵引最大功率为8800 kW，单台机车的谐波电流频谱数据如图4所示。

图4 单台机车的谐波电流频谱图Fig．4 Harmonic current spectrum of single locomotive

从图4可以看出，单台机车的谐波电流频谱主要为2次、3次、5次和 7次，其含有率分别为0.75%、1.8%、0.58%和0.6%。单台机车的谐波电流值如表4所示。

表4 单台机车的谐波电流值Tab．4 Harmonic current of single locomotive

国家标准《电能质量 公用电网谐波》(GB/T 14549－93)中推荐，两个谐波源的同次谐波电流在一条线路的同一相上叠加，当相位不确定时可按下式进行计算:

式中:叠加系数Kh按表5选取;Ih1和Ih2分别为谐波源1和2的第h次谐波电流，单位为A。

表5 叠加系数Kh的值Tab．5 Superposition coefficirnt Kh

两个以上同次谐波电流叠加时，首先将两个谐波电流叠加，然后再与第三个谐波电流叠加，以此类推。牵引变电所正常运行时注入220 kV系统的谐波电流值如表6所示。

表6 牵引变电所正常运行时注入220 kV系统的谐波电流值Tab．6 Injeting harmonic current of 220 kV system when traction station in normal operation

根据系统参数和国家标准《电能质量公用电网谐波》(GB/T 14549－93)的规定，牵引变电所注入220 kV电网的各次谐波电流允许值如表7所示。

从表7可以看出，由双城一次变电所供电时，牵引变电所运行时所产生的3次谐波电流超出国家标准规定的允许值。

3 电能质量治理方案

通过以上计算分析可知，由双城一次变电所供电时，牵引变电所运行时所产生的3次谐波电流超出国家标准规定的220 kV公共连接点的谐波电流注入允许值的要求。根据《电力法》和黑龙江省电力公司相关文件的要求，在双城北牵引变电所必须加装电能质量治理装置，并且与主设备同时设计、同时建设、同时验收、同时投入使用，确保电网的安全、稳定、经济运行。由于牵引机车为单相负荷，在运行过程中将产生负序电流，引起系统不平衡(负序)干扰，所以电能质量治理方案应综合考虑以上问题，拟采用静止无功补偿器(SVC)［7］。整套装置由TCR、隔离开关、高压滤波电容器、滤波电抗器、放电线圈、氧化锌避雷器、支柱绝缘子、安装框架等组成。

3.1 设计原则

滤波及无功补偿装置的配置需要考虑以下几点:

1)根据现有功率因数和目标功率因数，确定补偿容量。

2)根据谐波电流的大小，确定滤波支路个数及滤波支路的有效容量。

3)根据滤波及无功补偿装置的安全性，确定滤波支路的电容器额定电压。

4)根据电容器的串、并联台数以及保护方式，确定滤波支路的单台电容器容量。

5)根据多个仿真计算的结果，确定滤波支路的最终详细参数。

电容器组额定电压的选取考虑下列因素:

表7 牵引变电所注入220 kV电网的各次谐波电流允许值Tab．7 Allowed harmonic current of traction station in 220 kV systemA

图5 一次系统图Fig．5 Primary system diagram

1)接入点的系统最高运行电压。

2)串联电抗器引起的滤波电容器工频电压升高。

3)谐波引起的电容器电压升高。

4)相间和串联段间的电压分配不均匀。

3.2 参数计算及配置

本方案以综合解决电气化铁路的三相电压不平衡度、谐波和功率因数为目标。SVC包含相控电抗器TCR和滤波器FC两部分。将35 kV TCR装置通过一个升压变压器接到双城北牵引变电所220 kV母线。滤波器装置分为两部分:一部分与TCR接到统一35 kV母线，采用三相单调谐滤波器，含3次、5次滤波支路，作用是滤除TCR装置本身产生的谐波电流;另一部分是在牵引站两段27.5 kV供电臂母线上各安装一套单相滤波器，分别为3次、5次滤波支路，用来滤除电力机车产生的谐波电流。一次系统图如图5所示。

TCR三相总容量为120 MVA，滤波器基波无功补偿容量为85 MVA，具体参数如表8所示。

3.3 治理效果分析

220 kV母线滤波前后谐波电流如表9所示。

SVC投运后，PCC点三相电压不平衡度＜1.3%，双城北牵引变电所220 kV侧的功率因数大于0.95，满足要求。

4 结语

本文从谐波和负序角度详细分析了哈大高铁客运专线对黑龙江省电网的影响，说明对于同一负荷接入不同系统所产生的影响也是不一样的，对于超出国标允许值的情况，给出了治理方案，保证了电网的稳定运行。

表8 治理方案参数配置Tab．8 Parameter configuration of the control plan

表9 220 kV母线的谐波电流值Tab．9 Harmonic current of the 220 kV bus A

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