电气化铁路牵引负荷对地区电网谐波影响分析

廖华武　邹长春　罗庆跃　刘白杨　胡千佳

摘 要：谐波会使电压和电流波形产生畸变，对电网经济安全运行构成威胁。本文通过对电铁牵引负荷谐波进行实测，用PSASP仿真软件进行仿真，分析电铁牵引负荷接入后，牵引变电站上级母线电压畸变率，研究表明，怀化电网受谐波影响已到相当水平。

关键词：谐波；谐波畸变；电压畸变；PSASP

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.02.169

0 引言

随着社会经济持续发展，地区电网规模日趋庞大，接入电网的大型用户类型也发生了变化，电气化铁路牵引负荷已占到某地区电网总负荷1/3强。电气化铁路机车已经成为我国交通运输中的重要基础设施，是国家经济社会发展的中间力量，由于电力牵引负荷是一种大功率整流负荷，运行过程中，会产生谐波、负序、电压波动和闪变电流[1]，侵入到电网侧后，将严重威胁电力系统的安全稳定运行。本文在电网基础数据库的基础上，运用电力系统分析综合程序（Power System Analysis Software Package， PSASP），进行了三相不对称谐波潮流计算，通过计算，得出该地区电网各牵引变电站供电端变电站母线存在不同程度的谐波电压超标。

1 电铁牵引负荷的谐波计算

谐波产生的原因是由于正弦电压加于非线性负载导致基波电流发生畸变，常见非线性负载有开关电源、UPS、变频器、整流器、逆变器等等。电气化铁路机车谐波主要为3次、5次、7次，以及11次等高次谐波，其余的奇次谐波依次衰减[2]，第h次谐波电压含有率：

2 某地区电网现状

近几年随着经济的发展，铁路负荷稳中有升，占怀化电网内负荷比重近1/3强，由于负荷波动大，一会吸收系统无功负荷，一会又向系统倒送无功，使变电站母线电压波动频繁，影响到对其他用户的供电质量，受影响最大的有火马冲变、泸阳变、李家坡变、怀化变#1主变等供电用户。铁路牵引变负荷在怀化电网中所占比重越大，对系统电压的影响也越来越严重。

（1）东端电铁牵引变运行方式。低庄牵引变由李牵线主供（田家电源），观烟线备用（观音阁电源）；大江口牵引变由田李Ⅱ线主供（田家电源），田李Ⅰ线备用（田家电源）；小龙門牵引变由沪线主供（田家电源），阳火线备用（阳塘电源）。

（2）西端电铁供电方式。怀化牵引变由阳新Ⅱ线主供（阳塘电源），公晃线备用（公坪电源）；岩田铺牵引变由公晃线主供（公坪电源），阳新Ⅱ线备用（阳塘电源），新晃牵引变有晃新线主供（晃州电源），阳新Ⅱ线备用（阳塘电源），象鼻子、麻阳牵引变由阳锦线主供（阳塘电源），公锦线备用（公坪电源），锦和牵引变由公锦线主供（公坪电源），阳锦线备用（阳塘电源）。110kV牵引变电站供电如图1所示。

3 PSASP建模仿真

3.1 PSASP软件概述

电力系统分析综合程序（Power System Analysis Software Package）简称PSASP。是一套历史长久、功能强大、使用方便的电力系统分析程序，它具有中国自主知识产权，是资源共享，使用方便，高度集成和开放的大型软件包。[3]主要功能有潮流计算、暂态稳定、短路电流、网损分析、电压稳定、电能质量分析等。本次建模仿真中主要用到了谐波潮流计算和电能质量计算两个模块。[4]电能质量计算流程结构如图2所示。

3.2 电能质量计算

电力系统谐波分析是根据给定的电网结构、参数以及负荷、谐波源滤波器等元件的运行条件，通过谐波潮流计算确定系统中谐波电流的分布以及各部分的电压和电流波形的畸变程度，或通过计算网络的频率相应判断系统是否临近谐波谐振状态以及怎样减小系统谐振发生的可能性的计算[4]。

系统参数设置，录入牵引变电站参数，牵引主变铭牌参数见表1。三相不对称谐波潮流计算作业定义，录入韶山SSD4型电力机车谐波参数，执行计算。

3.3 结果输出

计算结果输出。湘田家110受大江口牵引变电站、小龙门牵引变电站影响，总谐波畸变率达7.95%；湘阳塘供电区内有新晃2牵引变电站、锦和1牵引变电站，同时还间接收到小龙门T沪至泸阳变等影响，总谐波畸变率为6.97%，湘公坪供电区内接有新晃1牵引变电站、锦和2牵引变电站，下一级的还有铁路变等谐波源，谐波电压畸变率高达10.54%，湘山塘驿、湘凉水井、湘飞山等都受到电铁谐波侵入影响，谐波畸变率分别为4.04%、6.89、2.21。均超过电能质量公用电网谐波GB/T14549-1993不能超过2.0%的允许值。

而与牵引变电站直接供电的110kV电压等级变电站，谐波畸变率也均超出国家标准。如湘怀化李家坡变电站，两侧有大江口牵引变电站和低庄牵引变电站，谐波电压受电铁谐波影响很大，总谐波畸变率李家坡110-1为10.59%、李家坡110-2为10.63%、李家坡35为10.37%，均超国标允许3到5倍。同样与电铁牵引变电站有联系或简介关联的变电站谐波都超出国家标准允许值，典型的变电站有湘怀化泸阳110、35，总谐波畸变率分别为6.99%、7.12%。湘怀化新街110，总谐波电压畸变率为6.64%，湘怀化火马冲110、35，总谐波畸变率分别为8%、7.83%。湘怀化怀化110-1与湘怀化怀化35-1受电铁谐波侵入影响也很严重，总谐波畸变率分别为10.55%与9.94。而电网谐波国标允许值是35kV为不大于3%，110kV为不大于2%。

4 结论

从以上数据分析，可以得出，受电铁谐波影响较大的变电站主要有：公坪变电站110kV侧、怀化变电站1主变、火马冲变电站、李家坡变电站、新街变电站、泸阳变电站等110kV变电站，阳塘、田家、山塘驿、凉水井等220kV电压等级110kV侧出线也受到电铁谐波不同程度影响。总谐波电压畸变率超过国家标准2到5倍，影响很大，需要及时治理，使之符合国家相关标准要求。

参考文献：

[1]罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及装备[M].中国电力出版社，2006

[2]陈解祥.电气化铁道谐波污染与对策[J].湖南电力，2009（06）：4-8.

[3]中国电力科学研究院.电力系统分析综合程序（PSASP）用户手册[R].北京：中国电力科学研究院，2002.

[4]中国电力科学研究院.电力系统分析综合程序（PSASP）电能质量计算用户手册[R].北京：中国电力科学研究院，2015.

[5]李欣然，孙谦，朱湘有，张永旺，邓威.基于实测数据的电铁牵引负载谐波源模型[J].电网技术，2012（01）：158-162.