城市轻轨供电系统对公共电网电能质量的影响研究

文春雷，刘建军，詹宏，张宇，魏燕，周凯，黄友聪

(1．重庆市电力公司，重庆市，400013;2．智能电网四川省重点实验室(四川大学)，成都市，610065)

0 引言

随着我国城市化的加速，城市交通问题日益突出，各大中心城市相继建立了城市轨道交通(包括轻轨和地铁)交通系统。其主要采用牵引供电系统，通过从公共电网供电到牵引变电所，通过牵引供电系统为机车供电。由于牵引负荷的非线性、非正弦性、非对称性和非连续性的“四非”特性，可能威胁到电力系统的安全稳定运行［1-2］。同时，城市轨道交通负荷处于人口密集的城市之中，一旦造成事故有可能对整个城市的电力供应和社会稳定带来影响［3-4］。

实际上，机车在运行中负荷及其电能质量参数会发生变化，受许多不确定的因素影响。尽管国内外在研究牵引负荷谐波时采用了随机模拟的方法，但主要以实测法进行研究，实际测量往往对列车实际的运行状况并不清楚，很难摸清电能质量的变化规律［5］。目前的许多研究中给出了机车在运行中产生的随机谐波电流计算方法［6-8］，但其要求掌握复杂的控制算法，而且其研究对象主要针对普通电气化牵引供电系统。由于轻轨供电系统采用直流牵引，并且采用三电平逆变系统，具有特殊性，针对该问题的研究并不多见。

本文根据轻轨供电系统和公共电网的实际参数，通过MATLAB/Simulink模块，从动态的过程对某城市轻型轨道交通的牵引供电系统及电力机车进行动态建模、仿真，并通过实际测量数据加以验证，以全面了解该城市轨道交通供电系统对公共电网的影响规律。

1 公共电网及牵引供电系统

本文研究的城市轨道交通供电系统具有一定典型性，采用1．5 kV直流牵引供电，主接线原理如图1所示。主变电所将城市电网的110 kV电能降压后以10 kV电压等级分别供给牵引变电所和降压变电所。为保证供电的可靠性，设置2座110 kV主变电所，每个主变电所都由2路独立的电源供电，内部设置2台主变压器。牵引变电所电压等级为10 kV，为环网供电方式。其中整流采用24脉波整流方式，机车上包括了逆变器和牵引电机，其中逆变器将直流通过绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)斩波逆变成脉冲宽度调制(pulse-width modulation，PWM)脉冲驱动牵引电机。

图1 城市轨道交通供电系统Fig．1 Power supply system of urban mass transit

2 公共电网实测数据

采用Fluke434专用电能质量分析仪，从110 kV电压互感器(potential transformer，PT)和电流互感器(current transformer，CT)二次侧取电压和电流信号同时监测，普通负荷则采用短时(30 min)测量为主，对轻轨供电的重要负荷采取长时间测量，测量时间为12 h。为了解背景谐波的影响，测试时，对该变电站的其他110 kV出线的也全部进行了测量，其中谐波成分较为明显的有 3，5，7，11，13，17 次。

2．1 谐波测试

110 kV轻轨供电出线的三相电能质量情况几乎一样，A、B、C三相总的谐波电压畸变率仅为0．6%、0．6%、0．7%，即电压畸变很小，重点关注谐波电流注入问题。谐波电流的含有率较高，但是其负载轻，总的基波电流很小(最大的1次测量在10 A左右，可能实际运行时行车密度较低)，各次谐波电流也非常小。各谐波电流成分如图2所示(以B相为例进行分析)，其他较小谐波成分已忽略。虽然其谐波电流含有率较高，但是换算成各次的谐波电流，都没有超过国标的规定值。

测试结果中明显含有3，5，11，13次等低次谐波，但同时明显出现了23，25，47，49次等高次谐波电流，这些高次谐波在其他出线的测试中并没有测量到，可能是因轻轨供电所致。

图2 轻轨供电出线谐波电流含有率Fig．2 Harmonic current of light rail power supply system

2．2 其他电能质量参数

轻轨110 kV供电线路不平衡情况如图3(a)所示，负序电压不平衡度为0．2%，低于国标规定的限制值2%［9］。负序很小的原因在于采用了三相整流，即平衡供电方式，因此与传统的牵引列车相比，其负序几乎可以忽略。

持续测量了12 h后，发现闪变参数Pst(短时闪变值)均小于 0．14，小于国标规定限值 0．9［10］，测量结果如图3(b)所示，未出现电压骤升骤降、暂降或暂时、瞬时的过电压情况。

3 建模及仿真分析

3．1 模型建立

根据图1的供电系统模型和公共电网、牵引供电的参数，用MATLAB/Simulink分别建立各部分的仿真模型，并单独进行分析和验证。

(1)24脉波整流。

研究的城市轨道交通供电系统具有其典型性，其整流采用24脉波整流方式，机车上包括了逆变器和牵引电机，其中逆变器将直流通过IGBT斩波逆变成PWM脉冲驱动牵引电机。

图3 轻轨出线不平衡和闪变情况Fig．3 Three phase unbalance and flicker of light rail power supply system

24脉波整流原理如图4(a)所示，事实上，24脉波整流是由2个12脉波整流并联而成，2个12脉波整流器的整流变压器高压网侧并联的绕组分别采用±7．5°外延三角形连接时，2套整流器并联运行即可构成等效24脉波整流。为了实现2台整流变压器在网侧实现±7．5°的移相，在整流变压器原边采用延边三角形接法。

建立24脉波整流仿真模型如图4(b)所示，整流器接有理想电源，直流侧接有电阻负载，通过此模型可以分析整流器的运行特性。通过24脉冲整流后，110 kV侧电流的谐波含量如图5所示。从电流谐波成分看出，通过整流后，明显具有一些特征谐波:21，23，47和49次谐波。根据理论，24脉波整流后，理论上的谐波次数应为24k±1，其中k为整数，即24脉波整流的特征谐波。对于24脉波整流机组而言，23次最大，其次是25，47和49次谐波电流。

根据图2的测量结果，测量到的24脉波整流的特征谐波次数和仿真结果相吻合，因此仿真结果和理论相吻合。该整流方式对于消除3，5，7，11，13次等低次谐波非常有效，但会产生高次的特征谐波。

(2)机车模型。

机车模型主要包括逆变器和牵引电机2部分。目前大功率交流传动领域广泛应用的是中点箝位型三电平逆变器(neutral point clamped，NPC)，其基本拓扑结构如图6(a)所示。从该图可以看出，三电平NPC逆变器直流侧有2个支撑电容串联组成，一般有电容值C1=C2。逆变器每相桥臂由4个开关器件、4个续流二极管、2个箝位二极管串联组成。直流侧电容的中点m定义为中性点，分别由箝位二极管引出接到上、下桥臂2个开关器件的中间。

图6(b)是利用MATLAB/Simulink搭建的三电平逆变器仿真模型，右侧为1．5 kV直流电源，左侧部分为三角载波和开关程序模块，中间的模块分别为根据图6(a)原理建立的逆变器和三相异步牵引电机模型。

图6 三电平NPC逆变器原理图和仿真模型Fig．6 Schematic diagram and simulation model of three-level NPC inverter

仿真电路输出的三电平PWM脉冲电压如图7所示，与传统的两电平比较，谐波成分会更少一些，波形更接近正弦。通过在逆变器的输入端测量到的谐波电流成分如图8所示，可以看到，主要包括了3，5，11，13和19次谐波成分，其中以11和13次谐波成分最为显著。根据仿真结果可以看出，因为逆变器的工作导致其11，13次的谐波成分比重也较大，这和图2的测量结果中包含的11，13和19次谐波成分相吻合，表明轻轨供电系统的较低次谐波主要是逆变器工作所导致。

3．2 仿真分析

根据图1中的供电电路，利用MATLAB仿真软件建立完整的轻轨供电模型。110 kV降压后直接连接到牵引供电系统的10 kV环网为轻轨列车供电。仿真条件:(1)公共电网(4路110 kV进线，组成双电源):短路容量分别在1．93～3．10 GVA之间，阻抗比为0．12/0．41;(2)主变电站:降压变压器的主接线为单Yd11接线;(3)牵引变电所:采用24脉波整流机组，电抗取0．1 mH，18座牵引变电站同时运行;(4)机车:额定功率约为800 kVA。

(1)轻重负荷条件下的谐波。

考虑到远期高峰期负荷的极端情况，上下行各有5辆电力机车同时运行，来分析此时牵引系统对公共电网的影响。白天高峰期(100%负荷运行)，行车密度为2～3 min。

仿真得到的110 kV网侧电流波形和谐波含量如图9所示，谐波成分并不严重。电流波形前面几个周期的振荡主要是控制算法需要一定的时间才能达到稳定。波形中包括了24脉波整流机组和逆变器产生的特征谐波，而且谐波都在国标值允许范围的。在白天负荷高峰期，公共电网110 kV侧电流总畸变率为1．77%，从电流谐波成分可以看出，谐波含量主要集中在 11，13，23，25 次谐波(2．3，1．6，0．2，0．3 A)，远小于国标所规定的值［11］(根据国标规定值折算到当前的基准容量的允许值为 11．1，9．3，5．39，4．88 A)。

图9 公共电网110 kV侧电流波形和谐波成分Fig．9 Current waveforms and harmonic components of 110 kV public grid side

考虑到夜间低谷期负荷情况，上下行约有2辆电力机车同时运行，来分析此时牵引系统对公共电网的影响。夜间运行(20%负荷运行)仿真后，得到谐波电流总畸变率仅为1．02%，而且各次谐波也明显减少，因此对公共电网的影响更为有限。

(2)启动瞬间的影响。

列车启动瞬间对电网的冲击性最大，其谐波含量丰富。仿真条件为双边供电，当机车同时启动时，公共电网110 kV侧谐波波形及含量情况如图10所示，110 kV侧电流谐波含量丰富，谐波特性不明显，其瞬间谐波总畸变率可达到17%，但各谐波成分仍没有超标。并且由于是瞬间冲击，发生时间较短(几十ms)，但此种极端情况通常不会发生，对电网不会造成危险。

机车在不同速率下对公共电网谐波的影响区别较小，其实质也就是负荷变化的影响，因此无须再进行分析;当列车制动时，机车断路器断开，此时对电网基本无影响。

(3)电压波动的影响。

通过改变负荷的大小仿真单列机车和多列机车的运行情况，分析公共电网的电压波动特性。通过快速傅立叶变换(fast fourier transform，FFT)分析，得到负荷变化下的基波电压波动率随着列车数量变化的曲线，如图11所示。通过仿真结果表明，随着负荷的增大，110 kV接入侧的电压逐渐降低，电压波动率逐渐增加，呈直线趋势，4辆列车同时启动导致的最大电压波动率为1．3%。因为只有机车启动或通过才会导致电压波动，假设负荷变化率为10次/h以内，而电压波动率的国家标准为2．5%，因此最大电压波动率仍在标准允许范围之内。

图10 列车启动时网侧110 kV侧电流瞬间波形和谐波电流成分Fig．10 Transient current waveforms and harmonic current components of 110 kV network side at startup of traction motor

图11 负荷变化对接入侧电压波动的影响Fig．11 Voltage fluctuation caused by load change

4 结论

本文通过建立包括公共电网的城市轻轨供电系统的全部仿真模型，模拟不同运行情况下的电能质量问题，研究该供电系统对公共电网电能质量的影响规律，得到如下结论:

(1)根据实测和仿真，得出该牵引供电系统向公共电网注入谐波主要是24脉波整流导致的特征谐波(23，25次)和逆变器开断导致的特征谐波(11，13次)，负序和闪变问题并不严重。

(2)即使在重负荷运行下，各次谐波远低于允许值;启动瞬间谐波含量非常丰富，电流谐波总畸变率可达17%，但持续时间很短，各特征谐波成分仍未超过国标允许值。

(3)随着列车数量的增加，电压下降明显，但最大电压波动率仍在国标允许范围内。

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