电气化铁路电能质量及其综合补偿技术

电气化铁路电能质量及其综合控制技术解绍锋路电：061-60959手机：[phone]邮箱：[e-mail]西南交通大学电气工程学院主要内容绪论电能质量概述电气化铁路电能质量实例电气化铁路外部电源电气化铁路电能质量控制1绪论1绪论电力作为商品摆脱传统的计划经济模式进入市场，以市场运作规则来制约供用电双方，是我国电力市场建设与发展的必然。我国电力市场建设是一项长期复杂的系统工程，涉及电力系统规划、电力生产、电网运行和负荷管理等诸多方面。电能质量是评估电力系统运行水平的重要技术标准，优良的电能质量应由供电、电气设备制造商、电力用户三方共同保证。自20世纪中期开始，国际上开始将电能质量以及电磁兼容构筑成一个技术体系加以研究。电能质量已经成为电力系统研究领域一个新的学科分枝。电能质量管理已经成为电力市场管理中的一项系统工程。优质电能质量的基本要求优质的供、用电应具有以下特征：(1)供电电压具有稳定的标称频率、幅值和波形；(2)保持三相电压和电流的平衡，保证电网最大传输效率；(3)持续稳定和充足的电能供应；(4)低廉的电价；(5)对环境的不良影响较小。保证优质电能的目的(1)现代用电设备对电能质量的要求更高，许多带有微处理器和功率电子器件的装置对电磁干扰极为敏感。(2)电力用户提高了对诸如供电间断、电压凹陷、电路通断引起的暂态现象的认识，提出更高供电质量要求。(3)电网各部分是相互联系的，供电部门在保证向用户优质供电的同时，还需极力避免遭受用户产生的电力干扰，维护电网安全运行。如何保证电能质量？近年来，在经济发达地区高端产业快速增长的同时，非线性负荷大幅增加，电网中的电能质量问题日益突出。据美国电力科学院的粗略估计，认为每年因电能质量相关问题，造成美国经济损失达260亿美元。发达国家电能质量问题主要是供电电压暂降，占供电质量投诉量的80%。因此，有必要建立电能质量监管体系，使其成为保证电网安全运行、保护电气环境、保障电力用户正常使用电能的基本技术规范，同时也是实施电能质量管理、维护供用电双方合法权益的法律依据。•自20世纪60年代起，世界大多数国家制定了有关供电频率和电压允许变动的技术指标，部分国家还制定了限制谐波电压、电流畸变以及电压波动等推荐导则。•近十几年来，许多工业发达国家已制定了更加完备的电能质量系列标准，而且各国的电能质量标准正在与国际相关专业委员会推荐标准接轨，逐步实现标准的统一与完整。电气化铁路与电能质量电气化铁道负荷的波动性、不对称性、功率因数低和非线性一直是电力专家关注的电能质量问题。我国第一条电气化铁路——宝成铁路宝鸡至凤州段于1961年8月15日建成通车。由于当时向该段供电的电网容量较小，电网三相不平衡是当时专家们关注较多的问题。1961年宝凤段供电示意图在宝（鸡）－凤（州）段开通时，考虑到宝鸡电厂无法承受电气化铁道产生的负序电流，所以在供电上“舍近求远”，从关中系统兴平地区变电所受电。直至上世纪90年代，随着电网容量扩大，该地区的电压不平衡问题得以缓解。1961年到1980年底，我国共建成电气化铁路1676km，发展十分缓慢。自1980年改革开放后，电气化铁路开始从山区走向平原；由低标准边远地区铁路向主要长大干线、重载、高速铁路发展。到2010年底,我国电气化铁路已达4.2万公里。电气化率约46%，其中高速铁路投入运营里程达8358公里，位居世界第1位。在此期间，电力、铁路两部门在电能质量，尤其是在谐波、负序、无功方面的争议一直没有停止。“十一五”期间,铁路里程新增2万公里;其中高速铁路9800公里，时速在300公里以上的有5457公里；既有线电气化改造15000公里。根据国务院批准的《中长期铁路网规划》（2004年批准，2008年调整），至2020年，我国铁路营运总里程将达到12万公里，电气化率60%，其中高速铁路达到1.6万公里；包括“四纵”、“四横”八条时速在200公里以上的客运专线。我国200km/h客货共线铁路的单台机车功率达8000~12000kW；设计列车追踪间隔为5min；牵引变电所主变安装容量为31.5~50MVA；部分达到63MVA。高速铁路的单台机车功率达到23000kW；设计列车追踪间隔为3min；牵引主变安装容量达到73MVA以上，甚至达到120MVA。在这些线路上，一方面，电气化铁路需要电力系统提供高质量、高可靠性的供电电源；另一方面，电气化铁路产生的电能质量问题也会更加突出。例如，电气化铁路进入我国经济较发达的东部地区，电气化铁道负荷对电网以及高端制造业的影响已经引起当地电力部门的高度重视，这些电铁线路的供电协议谈判进行得比较艰难。对从事电气工程的技术人员和研究人员来说，对电能质量相关知识的了解，是很有必要的。2电能质量概述2电能质量概述电能质量定义电能质量的分类电能质量问题的起因电能质量相关标准什么是电能质量目前无统一定义IEEE定义：合格的电能质量是指供给敏感设备的电力和设置的接地系统是适合于该设备正常工作的。IEC标准对电能质量的定义为:电能质量是指供电装置在正常工作情况下不中断和不干扰用户使用电力的物理特性。导致供电设备或用户设备故障或不能正常工作的电流、电压或频率偏差。电能质量的分类IEEE第22标准统筹委员会(电能质量)和其他国际委员会推荐用如下术语表述几种主要的电能质量干扰：断电(interruption)频率偏差（frequencydeviation）电压凹陷/下跌(voltagesags)电压上升(swell)瞬时脉冲或暂态(impulse，Transient)电压波动和闪变(voltagefluctuationandflicker)电压切痕(voltagenotches)谐波/谐间波(harmonics/interharmonics)电能质量问题的起因95％的电能质量问题由用户侧引起（相对于计量点）。80％的经济损失是由5％的系统侧（相对于计量点）电能质量问题引起的。电力系统引起的电能质量问题绝大多数是电压暂降。95%5%20%80%电能质量问题起因出现频率用户负荷气候因素（强日照、狂风、暴雨等）配电系统输电系统发电系统电能质量国家标准GB/T15945-2008《电能质量电力系统频率偏差》（GB/T15945-1995）GB/T12325-2008《电能质量供电电压允许偏差》(GB/T12325-2003)GB/T15543-2008《三相电压不平衡》（GB15543-1995）GB/T14549–1993，电能质量公用电网谐波GB/Z17625.4–2000，中、高压电力系统中畸变负荷发射限值的评估GB/T12326-2008《电能质量电压波动和闪变》（GB12326-2000）GB/T18481-2001，电能质量暂时过电压和瞬态过电压3电气化铁路电能质量实例3电气化铁路电能质量实例直接接入高压系统一般电气化铁道牵引供电系统接入110kV电网新建客运专线均拟直接接入220kV电网不对称性牵引供电系统运行方式由牵引变压器接线方式决定除纯单相接线外，都是两相（异相）供电非线性交直型电力机车功率因数低、谐波含量大可能有交-直-交机车与交-直机车混用局面，负序、无功和谐波仍然存在波动性线路条件司机操作3.1电力系统频率偏差影响系统频率的主要因素是有功功率仅当所有发电机的总有功出力与总有功负荷（包括电网的所有损耗）相等时，系统频率才能保持不变。当所有发电机的总有功出力与总负荷不平衡时，各发电机组的转速及相应的频率就要发生变化。大型冲击负荷因短时从近区发电机大量吸收有功功率，会造成局部电网短时频率波动。GB/T15945《电力系统频率偏差》基本条款电力系统额定频率为50Hz。电力系统正常频率偏差允许值为±0.2Hz。当系统容量较小时，频率偏差值可以放宽到±0.5Hz。制定依据保证电力系统，发电厂和用户的安全和正常运行相关国标和规范的规定相关国际标准规定（±0.5Hz甚至±0.1Hz）各个电网的实际情况有所差别GB/T15945《电力系统频率偏差》附加条款用户冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超过±0.2Hz。测量仪表频率测量仪表绝对误差不大于±0.01Hz电网频率实测案例：图为成(都)-达(州)铁路大英牵引变电所110kV电网频率实测结果，其偏差远小于±0.2Hz，表明主网有功功率比较充足。电气化铁路牵引供电频率基本能够达到国标规定。但在弱小电网，负荷较小的变动都可能导致电网频率较大波动,下图是青藏线安多35kV配电所的频率测试情况。当雄－安多297km铁路专用输电线路退出时,那曲－安多各个35kV铁路配电所由查龙水电站（装机容量8000kW）供电。从安多35kV配电所频率测试结果可以看出，在这一过程中，电网频率出现1~2分钟的较大波动。3.2供电电压允许偏差GB/T12325-2008《供电电压偏差》基本条款35kV及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过标称电压的10%。如供电电压上下偏差同号时，按较大的偏差绝对值为衡量依据。20kV及以下三相供电电压允许偏差为标称电压的±7％。220V单相用户的供电电压允许偏差为标称电压的+7%、-10%。计算电压偏差式中，Sk为负荷端口的系统三相短路容量，MVA；ST为负荷三相变压器容量，kVA；ϕ负荷功率因数角。(%)10sin100'kTNSSUUU××=×∆=∆ϕ上式表明，可以通过以下两条途径，来保证供电电压偏差满足国家标准要求：（1）电网中传输的无功功率尽可能小；（2）负荷端口的系统三相短路容量尽可能地大。由此可见，维持良好的供电电压水平，取决于供电部门和电力用户双方的共同努力。我国边远地区电气化铁路目前面临的问题是电网短路容量偏小，供电能力较弱。电网短路容量偏小意味着系统发电容量偏小或电源距负荷中心偏远。国外专家通常认为，电网公共连接点短路容量不足用户容量的30倍时，可以视其为小电网，小电网常见的电能质量问题之一就是供电电压偏差较大。在弱小电网中，牵引负荷可能引起电网电压较大的偏差和波动。图为内－昆铁路盐津牵引变电所的测试情况，上图为110kV母线A相电压，下图为A相电流。向该所供电的云南昭通电网较为薄弱，造成空载时变电所110kV母线电压偏高，负荷时偏低。对于更弱小的电网，情况更是如此，运行中，系统较小的变动都可能导致网压较大波动，下图是青藏线安多35kV配电所的电压测试情况。在当雄－安多铁路专用输电线路退出时，35kV铁路配电所均由查龙水电站（装机容量8000kW）供电，此时电网电压出现较大波动。改善电压水平的措施为保证电网具有良好的电压水平，电网公司除进行全局无功优化调整外，还要求大宗电力用户对无功做到“就地补偿”，使用户月平均功率因数达到0.90以上，并对用户实行奖惩制度。提高牵引变电所功率因数的主要方法是在27.5kV侧设置并联电容补偿装置。目前我国铁道电气化铁路较多采用固定补偿方式。GB/T15543-2008《三相电压不平衡》由电压不平衡度换算为负序电流值，标准中推荐的近似公式式中：I2——负荷电流的负序分量/A；U——线电压/kV；SSC——公共连接点的短路容量/MVA。(%)103SC2SUIu=ε3.3三相电压不平衡3.3三相电压不平衡GB/T15543-2008《三相电压不平衡》主要由不平衡负荷引起，因此标准的衡量点选在电网的公共连接点（PCC），以便在保证其他用户正常用电的基础上，给干扰源用户以最大的限值。主要条款电力系统公共连接点正常电压不平衡度限值为2%，短时不得超过4%。低压系统零序电压限值暂不作规定，但是各相电压必须满足GB/T12325的要求。标准规定对每个用户电压不平衡的一般限值为1.3%，短时不超过2.6%。根据公共连接点的负荷状况以及临近发电机、继电保护和自动装置安全运行要求，该允许值可作适当变动，但是必须满足上述规定。电气化铁道测量实例某牵引变电所三相相电压曲线电气化铁道测量实例某牵引