牵引负荷

2024-06-13

牵引负荷（精选4篇）

牵引负荷篇1

摘要：考虑牵引负荷具有随机波动的特点,提出了一种利用概率模型描述牵引变电所有功功率和无功功率的方法。基于实测数据,统计分析了电力机车和牵引变电所有功功率分布特点。利用单台电力机车有功功率分布和行车密度分布联合对牵引变电所有功功率进行概率建模,进而通过按功率因数特性对机车适当分类,建立了无功功率概率模型。给出了采用模拟退火算法完成概率模型参数辨识的方法。最后通过实例求解和蒙特卡洛仿真,验证了所提出的概率模型的有效性。

关键词：牵引负荷,电气化铁道,概率模型,模拟退火算法

0 引言

随着电气化铁道的快速建设以及大功率电力机车和高速动车组的大量上线运行,电气化铁道与电力系统的相互影响日益受到人们的重视。构建牵引变电所的负荷模型对电气化铁道负荷预测、电能质量分析和电网运行优化有重要意义。

牵引负荷最大的特点是随机波动性强,这使得负荷行为难以准确描述,关于牵引负荷建模的研究国内外开展得都不多。文献[1]对牵引负荷的数字特征进行了较为详细的分析,提出多台同类型机车取用相等电流时,馈线电流的分布服从正态分布,并指出由于受到列车密度的影响,电流分布曲线不对称,用正态分布描述将造成较大误差。文献[2]进一步提出牵引馈线电流具有有界性、连续性、单峰性和非对称性,并利用分段函数描述其概率密度。然而,由于不同牵引变电所的负荷差异较大,分段函数的通用性不强。文献[3]指出馈线电流不具有确定的概率分布规律,建议根据不同运行条件进行研究。文献[4]提出了利用β函数描述馈线电流概率密度的方法,从形态上进行了对比分析。文献[5]针对电气化铁道进行了仿真分析,统计分析了有功功率、无功功率、视在功率及电网电压的概率分布,提出了利用蒙特卡洛等随机方法模拟牵引负荷分布的思路,但没有给出具体技术细节。

早期研究牵引负荷的分布规律时通常不考虑功率因数的变化,只分析馈线电流的分布特征[1,2]。然而,不同类型电力机车(或动车组)的功率因数差异较大,同一电力机车的功率因数随有功功率的变化也很大,这使得馈线电流的分布呈现一定的复杂性。此外,变电所空载概率也影响了对概率密度函数的拟合[4]。因此,用统一函数式准确描述不同区段的馈线电流分布非常困难。

本文针对电气化铁道的运行特点,直接统计和分析牵引变电所有功功率和无功功率的分布规律,利用电力机车有功功率分布和行车密度联合对牵引负荷进行描述,采用综合测辨法[6]构建了牵引变电所的负荷概率模型,建立了多元目标函数,给出了利用模拟退火算法进行参数辨识的方法和步骤,并进行了实例求解和验证。

1 牵引变电所负荷建模思路

牵引变电所的负荷可认为主要由多辆电力机车的有功功率和无功功率叠加组成,并受到许多因素的影响。单一电力机车的有功功率与线路坡道、曲线、站场、限速、轨道、天气、司机操作等都直接相关[1,2]。在牵引供电网络的仿真中,一般采取牵引计算程序模拟某一电力机车的负荷过程,而分析涉及电气化铁道的全局性问题,如牵引供电系统与电力系统的交互影响时,由于随机因素较多,对所有电力机车进行牵引计算建模有一定的局限性,不能反映牵引负荷的概率特性,而且追溯到线路上运行的各电力机车也难以适用于电力系统的仿真计算。牵引变电所的有功功率和无功功率是供电区段内所有电力机车的负荷合成,是多种影响因素的综合反映。从统计分析电力机车功率分布特点出发,利用综合测辨法进行牵引负荷概率建模是一个值得尝试的方法。

1.1 单台电力机车的有功功率分布

牵引变电所的供电区段长度一般为40 km～60 km,区段内线路的坡道、曲线、限速等条件都比较稳定,因此,单台电力机车在固定区段内的出力往往集中于几个功率区间,当样本数量足够大时,有功功率在这些区间内近似服从正态分布。图1为2008年7月在京哈线北京东站至唐山北站区段实测的CRH2动车组有功功率的概率分布,采样间隔为1 s。

在各功率区间内选取正态分布如下:

式中:x为有功功率;σ为方差;μ为有功功率均值。

利用最小二乘法进行非线性曲线拟合,得到结果如表1所示,拟合的决定系数R2很高,说明吻合程度比较好。可见,列车的有功功率可以视为在若干个功率区间内服从正态分布。

1.2 多台电力机车有功功率的叠加分析

在同一个变电所的供电区段内,假设同时有多列动车组正在运行,单列动车组的有功功率分区间服从正态分布,由于变电所总有功功率为独立取值的多个动车组有功功率的线性叠加,根据中心极限定理和正态分布特性,变电所总有功功率在高值区间将近似服从正态分布,并且列车日对数越多,近似程度越高。

图2为4个牵引变电所实测有功功率的概率分布以及根据正态分布函数进行曲线拟合的结果,包括大秦线木林变电所(2007年测试)、丰沙大线周士庄变电所(2007年测试)、京沪线安定变电所(2008年测试)和泰山变电所(2007年测试)。

由图2可见,有功功率在数值较高区间与正态分布函数吻合度非常高,而在数值较低区间有较大偏差,尤其是泰山变电所,这主要是该供电区段的行车密度较低所导致。对繁忙干线铁道,在一定时间周期(通常为1 d)内,变电所总有功功率将近似服从正态分布,但空载时段往往会造成在0功率附近存在一个分布尖峰。

2 有功功率概率模型

由于牵引负荷具有随机波动性,有效的研究方法是将牵引负荷变化过程视为随机过程,研究其数字特征和分布特性[2]。利用实测数据进行负荷建模的方法较多[4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15],其中多篇文献介绍了概率模型的构建方法[11,12,13,14,15],本节介绍了有功功率概率模型的构建方法,无功功率的概率模型在第3节介绍。

2.1 有功功率模型的构建

影响牵引变电所有功功率分布的因素主要有2个:①行车密度,即某一时刻同时从变电所取流的列车数量;②每台电力机车的功率发挥。因此,有功功率的概率模型至少应包含以上2个因素。

行车密度的统计一般采用运行图法或实测法,文献[1]对此有较为深入的探讨。以京沪线京津段为例,根据运行图对黄土坡至廊坊段进行列车数量统计,24 h内列车数量的概率分布如图3所示。按照正态分布函数进行拟合,决定系数为0.96,行车密度近似服从正态分布,列车日对数越高则吻合程度越好。

因此,行车数量按分布mk～N(μ1,σ21)进行计算。其中,k为仿真时步,m为当前时刻供电区段内的行车数量,按四舍五入取整。

设i为电力机车序号,Pi为其有功功率,假定列车时步k的有功功率Pki均服从以下正态分布:Pki～N(μ2,σ22)。

因此,牵引变电所有功功率的概率模型如下:

式中:PkΣ为仿真时步k变电所的总有功功率。

计算过程包含4个未知参数μ1,σ1,μ2,σ2,分别用于描述行车密度和单列电力机车有功功率发挥的概率分布。所以,牵引变电所有功功率的概率模型的参数辨识问题转变为求取4个变量的非线性规划问题,求取较复杂的非线性全局优化可采用蒙特卡洛、模拟退火等算法,本文利用模拟退火算法来求取其全局最优值。

2.2 利用模拟退火算法辨识模型参数

根据变电所高压侧三相有功功率的实测数据,很容易求得有功功率分布的概率积分值,适当选取多个概率积分值作为负荷概率模型的收敛目标,目标函数如下:

式中:n为所选取的概率积分值的总数;LkΣ为仿真时步k利用式(2)计算有功功率的总次数;Lki为其中符合第i个统计区间的落点数量;si为由实测数据分析得到的对应区间的概率积分值。

退火温度的控制采取非线性降温策略:

式中:T为模拟退火算法的温度值;λ为降温系数,一般设为0.80～0.98。

该降温公式可增大在冷却阶段的搜索强度。

在搜索过程中,邻域按下式产生:

式中:Ci为常数,用于调整不同变量的增量;frnd(·)为均匀随机选取函数。

邻域的产生步骤为:按平均分布随机选取其中一个变量,由标准正态分布函数随机产生位于中的增量,并利用常数调整增量的大小。

邻域的约束条件可根据线路和电力机车的实际情况设定,通常,μ1范围为(0,10),σ1范围为(1,5),μ2范围为(0.1,6),σ2范围为(0,3)。

新解的产生按照Metropolis规则,即接受新解的概率按下式计算:

式中:Δfnew和Δfold分别为本次和上次循环所得到的目标函数误差值。

3 无功功率概率模型

通常,功率因数瞬时值可采用下式近似描述:

式中:x为电力机车的有功功率;a和b为系数。

由于交直无补偿型、交直有补偿型、交直交型3种电力机车的功率因数存在比较明显的差异,可根据典型车型由式(7)分别确定相应系数。考虑到3类车型在供电区段内所占比例直接影响到变电所的无功功率分布,构建牵引变电所无功功率概率模型的公式如下:

式中:γi为当前电力机车的待求功率因数,γi=frnd(y1(Pki),y2(Pki),y3(Pki));y1,y2,y3分别为由式(7)计算出的功率因数;frnd表示根据3种车型数量比例对以上3个功率因数进行随机选取。

当电力机车输出的有功功率一定时,其功率因数围绕某一个固定值呈正态分布,因此,引入正态分布的标准差对功率因数的波动进行描述,可提高模型的灵活性和仿真精度。

结合上述分析,无功功率概率模型需要辨识的参数包括3类车型的比例和功率因数的标准差,共有3个变量,同样可以采用模拟退火算法进行求解,目标函数的构建及邻域生成方法与有功功率模型类似。

当牵引变电所安装有固定或动态无功功率补偿装置时,可以按无功补偿容量和动态控制策略对上述仿真结果进行修订。

4 负荷概率模型的求解实例及验证

4.1 有功功率概率模型

以安定牵引变电所为例,选取日实测数据,统计得到图4所示的概率密度分布。

利用模拟退火算法辨识模型参数的步骤如下:

步骤1:设置温度初始值、降温系数、终止温度;

步骤2:设置4个变量的初始值;

步骤3:执行外层循环,检查是否达到目标温度,如已达到则跳至步骤7;

步骤4:根据式(5)产生邻域;

步骤5:执行定长内循环,由式(2)计算出多个有功功率值,并由式(3)和式(6)选取最优解;

步骤6:按式(4)进行降温,跳至步骤3;

步骤7:输出全局最优解。

对安定牵引变电所的参数辨识结果为:

获得以上参数后,根据行车数量、列车有功功率分布及式(4)进行蒙特卡洛仿真,仿真间隔为1 s,可得到变电所24 h内的有功功率,统计得到其概率分布,结果见图4,与实测数据的吻合程度很高,特别是在高值功率范围,概率模型能真实地模拟有功功率的实际分布情况。表2为实测与仿真的统计结果对比,其中,95%概率大值和平均值的误差均小于5%。

4.2 无功功率概率模型

利用模拟退火算法,输入已经辨识出的有功功率概率模型参数,可求得无功功率概率模型的相关参数,然后采用蒙特卡洛仿真得到无功功率的概率分布,结果见表2和图5,概率模型能很好地描述无功功率的实际分布情况。

5 负荷概率模型的应用

该模型的应用包括:

1)通过对典型牵引变电所的测试和分析,辨识模型参数,用于电力系统概率潮流计算以及其他仿真研究;

2)根据实际情况估计模型参数,对已建或待建的变电所进行负荷估计,协助研究电气化铁路建设对电网的影响。

以京沪线三界变电所为例,估计模型参数并求解的步骤如下:首先利用牵引计算程序计算出列车全程双向运行数据,然后统计列车在三界变电所供电区段内的有功功率得到:95%概率值为4.31 MW,平均值为1.85 MW。根据正态分布特点可计算出其标准差约为1.50 MW,则列车有功功率近似服从正态分布N(1.85,1.502)。

根据运行图统计出经过该供电区段行车数量值平均值为2,最大值为5,则行车密度近似服从正态分布N(2.00, 1.952)。

根据前述负荷概率模型的应用方法,仿真计算得到变电所的有功功率,间隔1 s,时间为24 h,统计结果如表3和图6所示。同理,统计出电力机车的类型和比例,可以估算牵引变电所的无功功率。

6 结语

本文利用实测数据分析了电力机车有功功率的概率分布特征,在此基础上引入行车密度分布,通过随机过程方法对牵引负荷进行描述,构建了牵引变电所的负荷概率模型,可较真实地模拟其随机波动性。然后,基于实测有功功率的概率积分值建立了目标函数,采用模拟退火算法完成了参数辨识。蒙特卡洛仿真结果与实测结果的对比表明,本文所提出的负荷概率模型的精度较高,证明了此建模方法描述牵引变电所功率负荷行为和估计负荷95%概率大值的有效性。

牵引变电所主变过负荷分析及对策篇2

朔黄铁路运量逐年递增, 在运输组织上采取了增加列车密度、提高列车运行速度、增加列车编组、开行万吨列车等措施, 这就对牵引变压器带来了很大的负荷压力, 牵引变电所过负荷越来越多, 给安全供电带来了较大隐患。

1 变压器寿命与过负荷的关系

变压器过负荷引起变压器各部分温度升高、绝缘老化、使用寿命降低, 直至损坏。变压器运行时, 其绕组和铁芯中的电能损耗都将转变为热能, 使变压器的温度升高。这些热量由绕组和铁芯内部以传热方式传至导体或铁芯表面, 再以对流方式传至变压器油中。变压器的绝缘老化, 主要是因为温度、湿度、氧气和油中劣化产物的影响, 高温是老化的直接原因。运行中绝缘的工作温度愈高, 化学反应 (主要是氧化作用) 进行得愈快, 引起机械强度和电气强度丧失得越快, 即绝缘的老化速度愈大, 变压器的使用年限也愈短。在短时严重过负荷时, 由于绕组时间常数较小, 温度上升较快, 温升相对较高;但对于变压器油, 由于时间常数较大, 温度变化较慢。当热点温度升高, 突然超过临界值时, 在绝缘纸中可能产生气泡, 使变压器整体绝缘降低, 可见运行温度对变压器寿命起着决定性的作用。油浸式变压器绕组匝绝缘用的电缆纸, 温度为80~140℃时, 其寿命L与温度的关系, 可用蒙特辛格 (Montsinger) 公式表示:

式中, θ0为保证变压器绝缘正常寿命的绕组热点温度, θ0=98℃;θh为实际的绕组热点温度 (℃) ;Ln为θh=θ0条件下的变压器绝缘正常寿命。

主变压器长期在过负荷情况下运行, 除考虑对主变压器自身的危害外, 还应考虑套管、引线、隔离开关、电流互感器等设备的过负荷能力及过电流能力。因此必须对变压器的过负荷倍数进行限制。

2 朔黄铁路概况

(1) 铁路等级:国家Ⅰ级电气化铁路。

(2) 正线数目:双线。

(3) 限制坡度:上行4‰, 下行12‰。

(4) 最小曲线半径:400 m。

(5) 牵引种类:电力机车。

(6) 机车类型:S S4型机车、大功率交流机车、DF4B型机车。

(7) 到发线有效长:2 800 m、1 800 m或1 050 m。

(8) 闭塞类型:自动闭塞。

(9) 联锁方式:计算机联锁、电气集中联锁。

(10) 列车编组:普通货物列车C64:66辆;万吨货物列车C70;116辆;C80:116辆。

(11) 牵引质量:普通货物列车6 000 t;万吨货物列车11 600 t。

(12) 列车间隔:技术站普通货物列车追踪间隔时间为9 min;万吨列车追踪间隔时间为12 min。中间站根据设备情况按黄灯开车掌握列车追踪间隔时间。

(13) 列车运行速度:不同区段的列车运行速度见表1。

(14) 机车类型、牵引重量:具体的机车类型和牵引重量见表2。

3 过负荷分析

3.1 过负荷概况分析

2013年1—3月, 朔黄铁路15个变电所共发生过负荷675次, 过负荷主要集中在龙宫变电所227次、肃宁北变电所263次、沧州西变电所80次、狼坨子变电所28次。2013年1—3月的过负荷参数 (平均值) 见表3。

(1) 过负荷跳闸分析。2012年1月—2013年4月, 龙宫变电所由于过负荷Ⅱ段动作造成跳闸共4次。2012年12月11日04:01龙宫变电所2#主变C相过负荷Ⅱ段跳闸, 主变一次跳闸电流:A:133.14 A;B:363.42 A;C:260.04 A。龙宫—宁武西上行车次:S4052、S694;龙宫—宁武西下行车次:S4063、S631;龙宫—北大牛上行车次:S2070、S884、S 6 3 2;龙宫—北大牛下行车次:S2005、S963、S2163。龙宫变电所供电范围内共有列车10列, 其中万吨列车5列, 共计15台机车取流。由于车流密度大, 机车追踪时间短, 万吨机车多造成龙宫变电所过负荷Ⅱ段跳闸。

(2) 典型过负荷分析。龙宫变电所的过负荷时间都非常长, 超过50 min的有9次, 2013年前3个月中过负荷时间最长的是2013年3月17日08:06的4500S, 主变一次电流A:222.5 A;B:350.2 A;C:200.5 A, A相过负荷倍数为1.53倍, 整个供电范围内共有列车11列, 其中万吨列车4列 (上行1列, 下行3列) , 由于上行重车在该区段是下坡道, 牵引负荷相对较小, 主要是下行长大上坡道取流大, 下行12‰的坡道就在龙宫变电所的供电臂范围内。

3.2 过负荷原因分析

(1) 列车的载重量增大。随着运量的增加, 朔黄铁路牵引重量由原来的全部小列5 676 t增长到现在部分万吨列11 352 t (C64车型) 、10 788 t (C70车型) 和11 600 t (C80车型) , 由于列车取流加大, 造成牵引变电所主变压器过负荷次数增加。

(2) 列车通过对数增加。朔黄铁路由原来的每天130多对小列增加到现在的160多对小列和万吨列混跑, 单位时间内通过的列车对数增多, 牵引力加大, 牵引变电所输出的电流增大, 造成主变压器过负荷次数增加。

(3) 线路坡度大。朔黄铁路线路特点是由西部山区逐步过渡到东部平原, 东部平原的坡度很小, 长大坡道主要集中在原平南—神池南, 平均坡度为6‰左右, 最大上坡道为12‰左右。线路的夹角大, 坡道长, 列车牵引分力和水平分力越大, 列车取流越大, 造成主变压器过负荷次数增加。

4 采取的对策

(1) 增大牵引变压器的容量。通过增大牵引变压器的容量, 并采用V/X接线方式的牵引变压器。一台额定容量一定的这种牵引变压器其负载能力可提高一个容量级, 过载能力可提高约25%, 可节省容量20%~22%, 可以节省电气化铁路的基建投资和运营成本。在减少基本电费方面, 带来的经济效益尤为显著。随着列车牵引重量和列车密度的双增加, 更换大容量、利用率更高的V/X接线方式的变压器已提上日程, 公司有关部门正在积极与地方电业局联系外部电源改造及主变压器增容的事宜, 目前这种“小马拉大车”的情况马上就能改观。

(2) 均衡运输。减少列车集中启动、集中加速, 尽量做到上、下行均衡运输。目前过负荷情况最严重的就是龙宫变电所, 在主变压器增容之前, 按主变压器1.8倍额定容量来计算, 需要对龙宫变电所供电臂内的车流密度进行限制, 结合现有运行图要求, 运行前方为万吨列车追踪最小间隔控制在12 min, 运行前方为普列列车追踪最小间隔控制在9 min, 同时采取2列万吨列车中间加开1列普通列车, 3列万吨列车不连发等措施, 控制同一供电臂上的列车对数, 减少牵引变压器的过负荷。

(3) 加强设备检修。加强设备检修, 提高设备检修水平, 保证一台牵引变压器过负荷跳闸后, 另一台牵引变压器能及时投入, 缩短全所停电时间, 减少对铁路运输生产的影响。日常运行时, 应定期投切主备供牵引变压器, 使2台变压器能均衡使用。

(4) 两台变压器并列运行。该方案在目前的情况下, 完全可以满足运行需要, 但是否经济, 则必须考虑变压器的实际损耗和基本电费之间存在的矛盾。如果变压器自身损耗产生的费用大于基本电费, 则可以采用。

5 结论

目前变压器虽然存在过负荷, 但仍然可以满足运量需求, 除龙宫变电所需要加强监视测量及限制车流密度外, 其他各所可以满足运行需要。变压器的过负荷是一种不正常的运行模式, 但如果合理利用, 对提高企业经济效益有显著效果。况且, 随着运量的增长, 在每次增容改造前都会遇到阶段性过负荷问题, 因此对变压器安全运行的监视尤为重要, 建议对增容后的变压器增加绝缘在线监测、变压器绕组温度监测等项目, 在有效的监测措施下, 变压器的过负荷能力得到充分发挥, 可最大程度地节约基本电费。

参考文献

[1]杨乃成, 李喆, 冯国新.牵引变压器过负荷原因及对策[J].铁道技术监督, 2012 (1)

[2]朔黄铁路2013年运行图技术资料[G]

[3]朔黄铁路过负荷统计[G]

牵引负荷篇3

1 新疆电气化铁路供电系统和沿途风电场简介

新疆境内某电气化铁路共有17座牵引变电站,其中除1座牵引站采用110 kV电压等级供电外,其余牵引站均采用220 kV电压等级供电。目前,铁路沿途共有风电场10座,预计到该电气化铁路正式投运时,沿途将有风电场25座,总装机容量达2 050 MW。

2 牵引负荷的负序电流对沿途风电机组的影响

电力机车作为单相移动、幅值频繁变化的大功率非线性整流负荷,在正常运行时将会引起电网三相不对称而产生较大的负序电流。负序电流注入风电机组后,造成风力发电机定子电流不平衡,不平衡电流对风电机组有如下影响。

1) 不平衡电流可导致定子绕组发热,从而降低了定子绕组的绝缘度。

2) 不平衡电流会造成两倍基波频率的周期性转矩脉动,从而导致在转子轴、齿轮箱和叶片上产生噪声和附加机械应力,加剧了齿轮箱和机械传输轴的疲劳损耗。

3) 不平衡电流会造成发电机无功功率的二次脉动。

风力发电机的单机容量较小,耐受负序电流能力有限,当电网注入风电机组的负序电流超过风电机组设定保护值时,风电机组电流不平衡保护动作会自动跳开其出口处的并网开关与电网解列,这种解列会对电网的安全稳定运行和电气化铁路的可靠供电产生影响。

3 牵引负荷注入风电机组的负序电流计算

3.1 负序电流在电网内各支路的分布计算

本文采用负序电流分配系数法来计算牵引负荷注入沿途各风电机组的负序电流。电流分布系数只同短路点位置、网络结构和参数有关。对于确定的短路点,网络中的电流分布是完全确定的。用短路点电流去除各支路的电流,便得到各支路的电流分布系数。对电气化铁路来说,电力机车在运行时是一个负序源,它产生的负序电流经牵引变压器高压侧注入电网,按一定的电流分配系数分配给各台风电机组,这样可以得到:

$C_{i j} = \frac{Ι_{G j}}{Ι_{k i}} (1)$

式中:i为牵引站编号;j为风电机组编号;Cij为第j台风电机组对第i个牵引站的负序电流分配系数;IGj为流经第j台风电机组的负序电流;Iki为第i个牵引站高压侧短路时的负序短路电流。

牵引站母线对监视支路的电流分配系数表示单位负序电流源注入监视支路负序电流的大小,它取决于牵引站母线至监视支路的系统转移阻抗,因而与电网结构、电网运行方式等有关。由于电气化铁路两相系统中的两相负荷电流相差180°,且220 kV牵引站侧无接地点。可按正常运行时三相系统中发生相间经负荷阻抗短路的模型来考虑。利用中国电力科学研究院PSASP6.28软件中的短路电流计算模块可以计算出两相短路时的短路电流包括负序电流在网络中的分布。

3.2 对负序电流的计算方法

为减少牵引负荷所产生的负序电流值,铁道设计部门对各牵引站供电臂的相序已经做了合理安排,正常运行时牵引供电系统所产生的负序电流的数值是不大的。重点需要研究的是由于某些偶然原因破坏了调配车辆图所规定的正常运行方式,使负序分量对电力系统运行有一定的影响。显然这种情况的出现是一个随机过程,由于电力机车带电与否为一互不相容事件,可以认为运行电力机车在同相供电臂上的分布服从于二项式分布。在复线区段同相供电臂中运行电力机车不大于m的概率积分式为

ΣP $_{Σ n i}^{(m)}$ =P $_{Σ n i}^{(m)}$ +P $_{Σ n i}^{(m - 1)}$ +…+P $_{Σ n i}^{(0)}$ (2)

式中:Σni为同相供电臂上的区间数;p为平均带电概率;m为可能出现的列车数。

同相供电臂有一个(对)电力机车时注入监视支路的负序电流I′为

$Ι^{'} = \frac{Σ (Ι_{i} C_{j} Κ_{1} Σ t_{i})}{Σ (Σ t_{i})} (3)$

式中:ti、Σti、Σ(Σti)分别为列车在区间、本供电臂及同相供电臂中的带电行走时间;Cj为(1)式求出的负序电流分配系数;Ii为列车在某一区间取用的平均电流(有效值)。

利用式(1)～式(3)计算出各个同相供电臂注入各风电机组的95%、5%积分概率下的负序电流值。然后根据以下两种方式合成负序电流,并取其中较大值。这两种方式具体如下。

1) 电力机车运行最密集的同相供电臂取95%积分概率负序电流,电力机车运行最稀疏的同相供电臂取5%积分概率负序电流,第三个同相供电臂取95%积分概率负序电流。

2) 3个同相供电臂均取95%积分概率负序电流。

3.3 计算结果和评估

根据上述计算方法,本文根据铁路部门提供的基础参数、结合电网各种运行方式,计算出新疆境内该条电气化铁路牵引负荷注入沿途各个风电机组的最大负序电流值如表1所示。在表1中,仅列出计算后牵引负荷注入风电机组的负序电流值超过风电机组负序电流整定值的风电场,共4座。

从表1列出的4座风电场的接入点和电气化铁路接入点是同一个220 kV变电站,其位于新疆东部区域,且此处网架结构薄弱,短路电流较小,因此出现了负序电流超标问题。

4 对负序电流超标的治理措施

对牵引负荷引起风电机组负序电流超标的问题,现在有以下几种治理措施。

1) 改善网架结构,提高风电场接入点短路电流,减小牵引变电站母线对监视支路的电流分配系数。

2) 选用耐受负序电流能力更强的风电机组。

3) 通过在牵引站加装动态无功补偿装置,降低无功电流,平衡有功电流,从而从根本上减少牵引站注入电网的负序电流。

上述措施1)受当地经济发展和建设规划的限制,难以在风电场和电气化铁路建设初期实现,措施2)受风电机组制造技术的限制,效果有限。措施3)通过在牵引站加装动态无功补偿装置来抑制牵引站注入电网的负序电流是切实可行的办法。

4.1 三相相控静止无功补偿装置(SVC)的治理措施

目前,国内许多电气化铁路使用在两个供电臂上分别加装一个单相SVC的方法来减少负序电流,这种方法可以减少无功不平衡引起的负序电流,并起到很好的滤除谐波的作用。但是,该方法适用于主要由有功不平衡而产生的负序分量并不适用由不对称负荷而产生的负序分量。

而基于STETNMETZ三相相控SVC采用分相调节,根据瞬时电压和电流计算出所需补偿的电纳值B。其补偿原理图如图1所示,其角接电纳的计算公式如(4)～(6)式所示。

$B_{γ}^{a b} = - B_{l}^{a b} + (G_{l}^{c a} - G_{l}^{b c}) / \sqrt{3} (4)$

$B_{γ}^{b c} = - B_{l}^{b c} + (G_{l}^{a b} - G_{l}^{c a}) / \sqrt{3} (5)$

$B_{γ}^{c a} = - B_{l}^{c a} + (G_{l}^{b c} - G_{l}^{c a}) / \sqrt{3} (6)$

经由三相相控SVC补偿后的电路中电流是平衡的,且功率因数为1。根据上述公式可以计算出三相相控SVC的补偿容量。但使用三相相控SVC时有两点需要注意。

1) 对于单相接线和V-V接线的电气化铁路牵引站低压侧三相中有一相是接地,导致无法直接安装三相SVC时,需通过一台小容量三相降压变压器来实现三相SVC的安装。

2) 对于多个牵引站共同接入一个公共变电站的情况,可以考虑在牵引站的供电线路上安装三相SVC,多个牵引站就只需安装一套SVC。

4.2 背靠背单相静止无功发生器(SVG)的治理措施

背靠背单相SVG在V-V接线牵引站的接线方式如图2所示,在Scott接线牵引站的接线方式如图3所示。

对于V/V接线牵引站,注入电网负序电流I2为

$Ι_{2} = \frac{1}{\sqrt{3} Κ} \sqrt{Ι_{a}^{2} - Ι_{a} Ι_{b} + Ι_{b}^{2}} (7)$

对于Scott接线牵引站和阻抗平衡接线牵引站,注入电网负序电流I′2为

$Ι^{'}_{2} = \frac{1}{\sqrt{3} Κ} (Ι_{a} - Ι_{b}) (8)$

上二式中:Ia、Ib分别为牵引站a、b两个供电臂的电流;K为牵引变压器的变比。

背靠背单相SVG可以通过控制直流电容的电压来实现有功功率的交换,使得两个供电臂的负荷电流完全一致。

从式(7)、式(8)可以看出,当Ia=Ib时,对于V-V接线的牵引站来说负序电流依然存在,而对Scott接线牵引站和阻抗平衡接线牵引站来说,只要两个供电臂电流完全一致,负序电流就可以完全消除。因此,要采用背靠背单相SVG来减少或消除负序电流,就必须将牵引变压器的接线形式更换成Scott变压器或者阻抗平衡变压器。

4.3 动态无功补偿装置的容量配置原则

根据式(4)～(6)、式(8),可以计算出三相相控SVC和背靠背单相SVG的容量,计算出的SVC容量可以使牵引站注入电网的负序电流变为0。现实中考虑到经济性问题,没有必要选取如此大容量的设备,只需满足规程规定的各个牵引站引起系统公共连接点的不平衡度不超过1.3%,短时不超过2%,同时注入风电机组的负序电流必须小于其负序电流动作值就可以了。

5 结语

1) 本文通过负序电流分配系数法计算了电气化牵引负荷注入沿途风电机组的负序电流,针对负序电流超标的情况提出了基于STEINMETZ理论的三相相控SVC和背靠背单相SVG两种治理措施并计算了需要补偿的容量,提出了两种治理措施使用的限制条件和注意事项。

2) 本文将负序电流分配系数法应用于实际电网,计算了新疆境内某电气化铁路牵引站负荷注入沿途风电机组的负序电流,提出了补偿容量的配置原则,这对今后电气化铁路和风电场的规划、设计以及电能质量治理有一定的借鉴意义。

摘要：电气化铁路牵引负荷造成风电场风电机组跳闸脱离电网的事故在国内已发生多起。介绍了新疆境内电气化铁路供电系统和沿途的风电场,分析了负序电流对风电机组的影响,并采用了负序电流分配系数法计算了各个牵引站注入沿途风电机组的负序电流。对负序电流超标的情况提出两种加装动态无功补偿装置的治理措施及其无功补偿容量的计算方法,给出了实际中无功补偿容量的配置原则。

关键词：电气化铁路,风电场,负序电流,动态无功补偿

参考文献

[1]张小瑜,吴俊勇.电气化铁路接入电力系统的电压等级问题[J].电网技术,2007,31(7):12-17.

[2]姚宗溥,侯世英,祝石厚.电气化铁路牵引负荷对固原电网的影响[J].电网技术,2007,31(Supp):15-19.

[3]武松辉.牵引系统中负序电流的计算与分析[D].南昌大学,2007.

[4]朱刘柱.电气化铁路对电网电能质量的影响[D].安徽:合肥工业大学,2008.

[5]武松辉.牵引系统中负序电流的计算与分析[D].南昌大学,2007.

[6]唐敏,李群湛,贺建闽.牵引变电所无功综合补偿方案研究[J].电网技术,2004,28(2):47-52.

[7]姚金雄,张涛,林榕,等.牵引供电系统负序电流和谐波对电力系统的影响及其补偿措施[J].电网技术,2008,32(9):60-64.

[8]于坤山,周胜军,王同勋,等.电气化铁路供电与电能质量[M].北京:中国电力出版社,2010.

牵引负荷篇4

关键词：电铁负荷,电网运行,解决措施

1 电铁牵引供电系统原理

电铁牵引供电系统是电气化铁路从电力系统接引电源,降压转换后给电力机车供电的电力网络。它由牵引变电所和牵引网两部分组成。牵引变电所采用2路电源进线,2台牵引变压器,一主一备方式运行。110k V或220k V电源经牵引变压器后,降压为1×27.5k V或2×27.5k V,然后供给牵引网。牵引网如同电力系统的输电线路,由供电线路、接触网、轨道回路等组成。接触网架设在铁路上方,电力机车通过受电弓与接触线滑动接触而获得电能。牵引供电系统电气原理如图1所示。

2 电铁牵引负荷的特点

电铁牵引供电系统的任务是向电力机车供电。电铁牵引供电系统的负荷特性,主要取决于电力机车的电气特性、铁路线路条件和运输组织方案等因素。

2.1 电力机车的电气特性

(1)交直型电力机车。

交直型电力机车采用半控桥式整流,通过晶闸管控制导通角来控制机车出力,所以,交直机车在整流过程中会产生谐波,导致功率因数较低。交直型电力机车供电原理如图2所示。

(2)交直交型电力机车(动车组)。

交直交型电力机车采用四象限整流,通过GTO或IGBT控制导通和关断角来控制机车的出力,可分别控制导通和关断机车主变压器的若干个低压绕组的整流,使电流波形逼近正弦波,且电流与电压的相位基本同步。所以,交直交型电力机车的谐波含量很小、功率因数高。交直交型电力机车供电原理如图3所示。

2.2 列车的负荷特性

列车的负荷大小,主要与列车牵引质量、运行速度、线路坡度等因素有关。在运行速度、线路坡度相同的情况下,列车负荷与牵引质量成正比;在牵引质量、线路坡度相同的情况下,列车运行速度越高,空气阻力越大,空气阻力随速度呈几何级数增长,运行速度提高,牵引功率和能耗大幅度提高;列车在爬坡的情况下,需克服重力运行,在运行速度较低时,空气阻力较小,线路坡度对牵引负荷的影响较大,而高速列车的空气阻力较大,列车主要克服空气阻力运行,线路坡度对牵引负荷的影响变小。

2.3 铁路运输组织方案对牵引负荷的影响

铁路根据运量和线路条件编制运输组织计划,列车在行车调度的指挥下,在铁路上按信号运行。单线铁路一般采用站间闭塞方式,一个区间只能有1列车运行。双线铁路一般采用划分区段闭塞方式,按固定间隔时间追踪运行,目前货车一般追踪时间间隔8min,最小追踪时间间隔5min;客运专线高速列车设计最小追踪时间间隔,近期4min,远期3min,城际列车在高峰期比市内轨道交通追踪时间间隔更小。铁路建设时,基础设施均按远期线路能力一次规划建设到位,运输设备按近期需要配置。

2.4 牵引变电所负荷特性

牵引变电所一般向两侧供电臂供电,牵引变电所的负荷大小,与供电臂中运行的列车数量、铁路线路坡度及列车运行速度等因素有关。牵引变电所负荷具有的特点:负荷波动频繁、负荷大小不均衡、负载率低。

2.5 客运专线负荷特性

客运专线高速动车组运行时,除具有一般电气化铁路的负荷特性外,还具有几个特性:牵引负荷大,可靠性要求高;列车负载率高,受电时间长;短时集中负荷特征明显;越区供电能力要求高。

3 电铁牵引负荷对电网运行造成的影响

3.1 谐波对电力设备的影响

(1)对输电线路的危害。由于输电线路阻抗的频率特性,线路电阻随频率的升高而增加。在集肤效应的作用下,导体对谐波电流的有效电阻增加,从而增加了设备的功率损耗、电能损耗,使导体发热,破坏绝缘,严重时造成短路,甚至引起火灾。另外,输电线路存在着分布的线路电感和对地电容,以及存在无功电容等电感和电容,它们与系统母线侧及系统串联或并联,组成串联回路或并联回路时,可能会发生串联谐振或并联谐振,导致在线路中产生很高的谐振电压,严重时会使电力系统或用电设备的绝缘击穿,造成恶性事故。

(2)影响线路的稳定运行。为保证线路与设备的安全,保证线路的稳定运行,电力线路中使用了大量继电保护和自动装置及低压开关设备。但由于谐波的影响,这些按基波量设定的高灵敏度继电保护和自动装置(如变电站主变的复合电压启动过电流保护装置、母线差动保护元件)误动,以及线路各种型号的距离保护、高频保护、故障录波器、自动准同期装置等会发生误动,晶体管继电器也会发生误动或拒动,严重威胁供配电系统的稳定与安全运行。另外,谐波电流会使断路器的铁耗和铜耗增大而发热,造成脱扣困难或额定电流降低、脱扣电流降低等不正常现象,出现误动作或不动作。

此外谐波还影响电网的质量。谐波不但使电网的电压与电流波形发生畸变,而且同频率的谐波电压与谐波电流要产生同次谐波的有功功率与无功功率,降低电网电压,浪费电网的容量。

(3)对电力设备的危害。当含谐波的电压加在电容器两端时,因为谐波频率高,电容器对谐波阻抗很小,使电容器电流变大,导致电容器温度升高,损耗系数增大、附加损耗增加,容易发生故障,影响电容器的使用寿命,严重时会引起电容器过负荷甚至爆炸。同时谐波还可能与电容器一起在电网中造成电力谐波谐振,产生谐波扩大现象,危害更大。同时,谐波电压的存在增加了变压器的磁滞损耗、涡流损耗及绝缘的电场强度,还增加了铜损,也会大大增加非对称性负荷的变压器励磁电流的谐波分量,因此会减少变压器的实际使用容量。除此之外,谐波还会导致变压器噪声增大。

(4)对用电设备的影响。在供电系统中,用户的电动机负荷约占整个负荷的85%左右。因此,谐波对电力用户电动机的影响最为明显。谐波能使电机产生附加的损耗和转矩,并能减少电动机的绝缘寿命。谐波产生的脉冲转矩,会导致电机出现转轴扭曲和机械振动的问题,发出很大的噪声。此外,谐波还对计算机网络、通信等弱电设备产生干扰;还影响电力测量的准确性和计量仪表的精确性,甚至导致计量设备无法工作;谐波对人体也有不良的影响。

3.2 负序对电力设备的影响

电铁负序电流会对电力系统内的发电机、电动机、变压器及继电保护等产生有害的影响:

(1)对同步发电机的影响:电铁牵引负荷引起发电机的不对称运行,从发电机安全运行考虑,其每相电流均不应超过额定值,限制了发电机出力;产生附加振动,引起金属疲劳和机械损坏;造成了各部分不均匀发热,漏磁通使定子槽内导线中的电流发生集肤效应,引起定子绕组铜的附加损耗。

(2)对电动机的影响:电力系统中的动力负荷大部分为感应电动机,负序电流进入电力系统时,引起定子电流增加,将造成各相电流的不平衡,从而降低运行效益,使电动机过热;负序电流在感应电动机中会产生一反向旋转磁场,将对转子产生一个制动力矩,对电动机转子起制动作用。

(3)对电力变压器的影响:负序电流造成三相电流不对称,因而不能有效发挥变压器的额定出力;会造成变压器的附加能量损失,在变压器铁心磁路中造成附加发热。

(4)对继电保护的影响:容易使系统中以负序分量起动的继电保护误动作,从而增加保护的复杂性。

4 解决措施

4.1 技术措施

(1)在牵引变电所内安装并联电容无功补偿装置,兼顾滤波作用,一般3次谐波可滤除50%,5次谐波可滤除20%,7次谐波可滤除15%。

(2)在部分交直型电力机车上加装补偿装置,补偿功率因数,并兼滤部分高次谐波。

(3)发展交直交型电力机车和动车组牵引,客运专线全部采用交直交动车组,谐波含量大幅度降低,将会根本解决好电铁谐波问题。

(4)增加换流装置的相数,采用脉宽调制法,三相整流变压器采用Y/Δ或Δ/Y接线等。