关于尼日利亚电气化铁路建设的思考

赵振元



关于尼日利亚电气化铁路建设的思考

赵振元

针对尼日利亚电网现状，就电气化铁路负荷对电力系统稳定性造成的影响进行了分析，并针对在尼日利亚建设电气化铁路给出了建议。

尼日利亚铁路；电气化铁路负荷；电力系统静态稳定性；系统容量

0 引言

铁路是国民经济的大动脉，电气化铁路已成为铁路运输现代化的重要标志之一。电力机车相比传统的内燃机车具有较高的牵引定数，其整备及启动时间比其他类型机车短，可以大幅提高铁路的运输能力。长久以来，铁路交通在尼日利亚发展较慢，尼日利亚主要有2条铁路线，西南—东北线和东南—西北线，均为非现代化铁路。目前，该国的铁路只能提供最低程度的交通运输服务，严重制约了旅客运送和货物运输的发展。

阿卡铁路是中企在海外建设的第一条完全采用中国铁路技术标准的现代化铁路，为预留电气化标准铁路。该铁路为单线铁路，于2016年6月试运营，2017年7月开始临管运营。在试运营期间，每日运送乘客近1 400人，客流量还在逐年增加。从该铁路的设计、建设及运营情况可看出，尼政府及民众对现代电气化铁路充满期望。

尼日利亚的电力基础落后，电网运行状况较差，在较短时间内改变其电力工业现状具有一定难度。尼日利亚电气化铁路一直处于空白状态，虽然尼日利亚政府对其电力工业采取了多种改革措施，但全国电力系统设备使用率仍不足一半，电力工业发展非常缓慢。从目前尼日利亚电网容量、规模和现代化程度等情况来看，其为现代化的电气化铁路供电并保证电力及牵引供电系统稳定正常运行比较困难。由于尼日利亚电力电网容量及规模较小，若将电气化铁路这种具有明显特点的负荷接入电网，势必会对电网的电能质量及电力系统稳定性造成影响。

1 电气化铁路负荷对电网可能造成的影响

电气化铁路负荷具有非线性、单相独立及不对称性、负荷波动大等特点，会对电网运行造成影响。目前电力牵引机车主要有直流电机机车和交流电机机车，分别通过交直全波整流和交直交变频整流实现取流和调速控制。整流式电力机车是典型的非线性负荷，其运行时牵引供电系统将向电力系统注入高次谐波分量。一般电气化铁路采用单相制，相对于三相电力系统而言，牵引电力负荷呈现出独立性和不对称性，破坏了电力系统的三相对称性，导致系统出现较大的负序电流。电气化铁路作为单相整流型负荷使电力系统中出现较多的谐波分量和负序分量，对电网的电能质量造成了严重的影响。对于负序分量，一般可通过使用特殊接线牵引变压器以及牵引变电所换相连接等措施降低负序影响；对于谐波分量，一般可采用改进换流装置和设置滤波装置2种方法减小谐波影响。

电气化铁路负荷的非线性、单相独立性及不对称性对电网电能质量造成的影响可以通过改变或改进牵引供电系统本身的结构或设备进行抑制或降低。但是，负荷的波动对于电力系统来说属于一种硬特性，电力牵引负荷波动性极大，电力机车电流很难保持平稳，机车行驶过程中通常涉及多种运行工况，加之运行中司机操作、不同路况等因素的影响，牵引负荷随机波动性强，有时甚至在短时间内突然由零变为满负荷或相反，对电力系统稳定性造成影响。在我国，由于电力工业发展迅速，区域电网的容量和规模较大，一般电气化铁路对电力系统稳定性的影响非常小或几乎不会造成影响。

对于现代化高速铁路，其负荷容量和波动性相比一般电气化铁路更大，需要在容量、规模、稳定性等方面制定配套的电力系统方案，才可减小甚至避免高铁负荷对电网稳定性造成的影响。

电气化铁路对电力系统可靠性要求高，对于容量、规模较小，现代化和稳定性水平不高的电力系统，普通电气化铁路负荷就有可能对电网的稳定性造成影响。

2 电力系统静态稳定性

电力系统的稳定是电力系统正常运行的基本条件，按可承受扰动程度的大小，一般分为静态稳定和暂态稳定2大类。对于电力牵引负荷，尤其是对于尼日利亚这类电力工业十分落后的国家，在考虑其运输需求量和效益比的前提下，即使现在在尼日利亚建设一条电气化铁路，其里程数和规模也不会很大，电力牵引系统的总容量也较小，所以，电气化铁路负荷的波动并不会造成电力系统的结构或参数产生过大的变化，对系统的暂态稳定性几乎不会造成影响。因此，可将电力牵引负荷波动对电网稳定性的影响归结为电力系统静态稳定性来分析。

电力系统在受到很小扰动的情况下将出现暂态过程，暂态过程可出现2种不同的结果：一种是经过暂态过程后系统仍可恢复到扰动前的运行状况；另一种是在扰动后系统发生较大变化而偏离了扰动前的运行状况，甚至造成与发电机之间失去同步。对于第一种情况，系统是静态稳定的，而后者则是静态不稳定的。

目前，尼日利亚电力工业基础落后，电网规模小，电力系统结构复杂程度低，在分析电气化铁路负荷对电力系统稳定性的影响时，可将整个系统简化为一个简单的单机系统（电气化铁路负荷端）进行分析。如图1所示，将外部电力系统（不向电气化铁路供电的系统）等效为一无穷大系统，即虚线机组B，将向电气化铁路供电的机组等效为机组A。机组A通过升压变压器、双回输电线路向负荷供电，节点C为电气化铁路等效接入点，其节点电压大小及相角均保持不变。

对于图1所示的简单电力系统，沿输电线路输送的功率完全取决于该发电机的转子角度。送端机组为隐极机，现将送端发电机组等效为经典二阶模型，即发电机组在某一电抗后的内电势保持恒定，忽略系统中各元件电阻和线路电容时，功率特性方程为

式中，XdS为发电机、变压器和输电线路电抗的总和。

图2所示为功率特性曲线。T为发电机组原动机的机械功率，0为电气化铁路负荷消耗的有功功率。当送端发电机组为受端电气化铁路系统供电时，T=0，此时系统会有2种不同的运行工况（运行点和），在这2种运行工况下，原动机机械功率与发电机发出功率平衡，系统能够恒定输送功率。但当受到小扰动干扰时，运行点在暂态过程后能自动恢复到稳定暂态，而运行点则不能。一般称点为系统的静态稳定运行点，点为静态不稳定运行点，点为静态稳定临界运行点，因此，要求电力系统的正常运行工况和事故后的稳定运行工况均必须是静态稳定的。

图2 简单电力系统功率特性曲线

根据电力系统稳定性理论，对于简单电力系统，功率特性曲线（图2）上升部分的各运行点（即0点与点之间的所有运行点），系统均处于静态稳定状态。当一套简单电力系统建设完成后，通过电力系统本身内部的控制调节，可以使系统运行在静态稳定状态，因此，简单电力系统的静态稳定运行点与负荷扰动情况并无很大关系，主要取决于电力系统本身的参数及控制调节情况。

为保证电力系统安全、可靠地运行，不但要求其正常运行工况及事故后的稳定运行工况是静态稳定的，而且还要求在这2种运行工况下均具有一定的静态稳定储备。稳定储备大小一般通过正常运行工况下的运行参数与稳定极限运行工况下响应的运行参数的差值来反映，如可以利用功率来反映静态稳定储备系数，即

式中，max为电力系统极限传输功率，其表达式为

正常运行工况下要求静态稳定储备系数不小于15%，简化式（1）可得

根据式（2）可知，电力系统的静态稳定储备系数与系统的功角有一定关系。

3 静态稳定储备系数的影响因素

发电机的励磁电势相角和端电压相角之间存在相角差，该相角差与系统输送的功率密切相关，因此称该相角差为系统的功角。功角对于研究同步电机的功率变化和运行的稳定性具有重要意义，是表征同步发电机运行状态和判别电力系统稳定性的重要参量。简单电力系统相量图如图3所示。

图3 简单电力系统相量图

牵引供电系统消耗的有功功率0为

0=0· cos

式中，0为牵引供电系统容量，cos为牵引供电系统功率因数。

牵引变电所容量的计算需要以下原始资料：通过区段的每日列车对数，列车通过牵引变电所两边供电分区的行走时分、给电行走时分和能耗，线路资料等。例如，当牵引变电所使用三相YNd11变压器变电，各列车负荷功率因数相等时，该变压器的容量取决于重负载绕组的电流，则有

由以上分析可知，牵引供电系统是否对为其供电的电力系统稳定性造成影响，以及所造成的影响程度，均取决于电力系统容量结构参数和牵引供电系统容量参数以及二者的比值关系。电力系统容量越大，二者比值越小，牵引供电负荷正常波动对电网稳定造成的影响越小。若电力系统容量规模不足，电气化铁路负荷势必影响电网的稳定运行。

4 结语

作为非洲最大石油生产国、第二大经济体，拥有1.6亿人口的尼日利亚是非洲人口最多的国家，但用电情况却非常不如人意。在未来几年内，尼日利亚电力建设及运营情况可能会有所改善，但目前情况来看，尼日利亚国内并没有理想的送电系统或区域电网能够为一条电气化铁路供电，如果在该国兴建一条电气化铁路，势必对现有电网系统造成一定影响。建议该国首先有针对性地筹划建设发电厂及输电线路以向牵引供电系统供电，在依据电气化铁路的规格、运量等具体参数确定牵引供电系统容量及变电所数量和位置之后，再制定电力系统的容量、结构等具体建设参数，以保证电气化铁路负荷冲击不对电网的静态稳定性造成影响。鉴于目前尼日利亚的实际情况，电力改革需一段较长时间，电气化铁路供电系统的归属、管理、运营等问题也有待商榷。

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With regards to the current conditions of power grid of Nigeria, with considerations of influences to the power supply system stability caused by the electrified railways, suggestions are given to the building of the electrified railway in Nigeria.

Nigerian railway; electrified railway load; static stability of electric power system; system capacity

U227+.2

B

1007-936X(2018)02-0088-03

2017-05-02

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.02.023

赵振元.中国土木工程集团有限公司，工程师，研究方向为电力系统及其自动化。