CN101699693B

CN101699693B - 铁路牵引冲击负荷对电网电压波动计算方法

Info

Publication number: CN101699693B
Application number: CN2009102135962A
Authority: CN
Inventors: 胡煜; 陶冶
Original assignee: JIANGSU KENENG ELECTRIC ENGINEERING CONSULTATION Co Ltd
Current assignee: JIANGSU KENENG ELECTRIC ENGINEERING CONSULTATION Co Ltd
Priority date: 2009-11-06
Filing date: 2009-11-06
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2029-11-06
Also published as: CN101699693A

Abstract

一种铁路牵引冲击负荷对电网电压波动计算方法，本方法是应用电力系统分析综合程序PSASP进行，包括步骤：1)确定机车启动前牵引站高压侧负荷值并输入电网模型中，作潮流计算，以此潮流计算结果作为暂态稳定计算用的基础潮流；2)分别计算牵引变两臂上两列机车启动时，高压侧无功冲击负荷的大小；3)应用PSASP程序，在牵引站高压侧母线模拟无功冲击，计算PPC点的电压波动.。本发明对于减小牵引负荷对电网冲击影响、提高电力系统电能质量、电网运行安全稳定具有重要意义。

Description

铁路牵引冲击负荷对电网电压波动计算方法

技术领域

本发明属于电力工程技术领域，具体是一种铁路牵引冲击负荷对电网电压波动计算方法。

背景技术

电气化铁路的牵引动力是电力机车，机车本身不带能源，所需能源由电力牵引供电系统提供。牵引供电系统主要是指牵引变电所和接触网两大部分。变电所设在铁道附近，它将从发电厂经高压输电线送来的电流，送到铁路上空的接触网上。接触网是向电力机车直接输送电能的设备。沿着铁路线的两旁，架设着一排支柱，上面悬挂着金属线，即为接触网。电力机车利用车顶的受电弓从接触网获得电能，牵引列车运行。牵引供电制式主要是交流制。交流制是将高压、三相电力在变电所降压和变成单相后，向接触网供交流电。目前我国使用单相25千伏50赫兹的工频交流电供应，这样的供电形式比较经济。

目前我国在建的电气化高速铁路(如京沪高铁、沪宁城际铁路、宁杭客运专线铁路)的列车追踪时间间隔按3min设计，按每3min内两辆机车(上、下行线各一辆)各经过无电区一次考虑，则设备需要投(启动)、切(停止)4次(此处投/切是指合上/断开牵引机车变压器的开关)，则每小时设备投切次数达到80次，如此频繁的设备投切次数对系统造成的电压波动和闪变是不可忽视的。

目前在三相对称电力系统中计算冲击负荷在PCC点(即公共连接点)引起的电压波动常用的方法是，应用电力系统分析综合程序PSASP，在程序中建立负荷模型(三相对称负荷)，通过在母线上模拟一个无功冲击负荷ΔQ_k及其变化时间Δt，应用暂态稳定计算模块计算PCC点的电压波动。

但是，由于铁路牵引负荷为单相供电负荷，当电力系统向其供电时，将造成电力系统三相负荷不平衡；此外，无功冲击负荷还会在牵引变压器内部产生无功损耗的增量，在计算电压波动时，该增量也应考虑在内。上述两点因素在传统的计算方法均未考虑，因此传统的模拟三相对称系统的方法不能直接应用于铁路牵引负荷对电压冲击影响的模拟计算。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明针对铁路牵引负荷在电力系统造成三相不平衡的特点，提出的一种计算电压波动的方法，具体技术方案如下：

一种铁路牵引冲击负荷对电网电压波动计算方法，本方法是应用电力系统分析综合程序PSASP进行，包括步骤：

1)确定机车启动前牵引站高压侧负荷值并输入电网模型中，作潮流计算，以此潮流计算结果作为暂态稳定计算用的基础潮流；

2)分别计算牵引变两臂上两列机车启动时，高压侧无功冲击负荷的大小：

2.1)根据牵引变压器两供电臂瞬时最大负荷，以及机车功率ΔP₀+jΔQ₀，计算机车启动前两供电臂的有功和无功负荷P₁+jQ₁、P₂+jQ₂；

2.2)根据牵引变压器接线形式(由两个单相变压器接成V/v结线变压器)以及接入相序(相序可取-AB、BC或者-BC、CA或者-CA、AB，具体相序与牵引站所处的电力系统有关，对下面的计算结果没有影响)，可计算出机车启动前牵引站高压侧三相有功负荷，分别为

由于电力系统为三相对称系统，为校核电力系统对牵引站的供电能力，应用PSASP程序做潮流计算时，应该取最大一相负荷的3倍为暂态稳定计算基础潮流中的有功负荷P₀，即

P_{0} = 3 \times \sqrt{P_{1}^{2} + P_{2}^{2} + P_{1} P_{2}} / \sqrt{3} = \sqrt{3 (P_{1}^{2} + P_{2}^{2} + P_{1} P_{2})};

2.3)由Q₁、Q₂计算机车启动前牵引变压器的无功损耗ΔQ_T1、ΔQ_T2，则Q′₁＝Q₁+ΔQ_T1、Q′₂＝Q₂+ΔQ_T2，按步骤B的方法可算出暂态稳定计算基础潮流中的无功负荷

Q_{0} = \sqrt{3 (Q_{1}^{' 2} + Q_{2}^{' 2} + Q_{1}^{'} Q_{2}^{'})};

其中Q′₁、Q′₂为低压侧两臂计及牵引变压器无功损耗的无功负荷。

3)应用PSASP程序，在牵引站高压侧母线模拟无功冲击，计算PPC点的电压波动：

3.1)在PSASP程序中设定牵引变电站高压侧母线(实际牵引站高压侧无母线，此处假设是方便潮流计算)，并在母线上增加一个负荷，大小为P₀+jQ₀；

3.2)先计算一臂上的机车启动时产生的无功冲击负荷ΔQ′＝αΔQ₀，α为励磁涌流倍数；再计算ΔQ在牵引变压器中产生的无功损耗ΔQ′_T1，则无功损耗增量δQ₁＝ΔQ′_T1-ΔQ_T1；最后得到一臂上的机车启动时，牵引站低压侧的无功冲击负荷ΔQ₁＝(ΔQ+δQ₁)；

同样方法可计算得到二臂上机车启动时牵引站低压侧的无功冲击负荷ΔQ₂＝ΔQ+δQ₂；

3.3)二个臂上的机车都启动后，牵引站高压侧无功冲击最大一相的值为

取其3倍作为暂态稳定计算中三相系统的无功冲击值，则

ΔQ = \sqrt{3 (Δ Q_{1}^{2} + Δ Q_{2}^{2} + Δ Q_{1} Δ Q_{2})};

3.4)在PSASP程序中利用暂态稳定计算模块(该模块是PSASP程序自带计算模块)，并在基础潮流计算结果的基础上，在牵引站高压侧母线上设定节点(母线)扰动，扰动大小为ΔQ，扰动时间取10ms(此时间是机车启动瞬间产生的冲击扰动时间间隔，是不可缺少的必要条件，扰动时间的取值参考《电气化铁路负荷最大电流突变量的估算方法》(详见《电力系统自动化》2008年第9期、P79～81)，观察公共接入点的电压变化大小，电压变化量与额定电压的比值即为电压波动。

本发明采用三相系统计算程序PSASP来模拟单相无功冲击负荷，通过计算牵引站高压侧无功冲击最大一相在PCC点引起的电压波动，根据计算的电压波动确定的低压侧无功补偿容量更为科学合理，对于减小牵引负荷对电网冲击影响、提高电力系统电能质量、电网运行安全稳定具有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例的电网示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

一种铁路牵引冲击负荷对电网电压波动计算方法，本方法是应用电力系统分析综合程序PSASP进行，步骤是，先确定机车启动前牵引站高压侧负荷值并输入电网模型中，作潮流计算，以此潮流计算结果作为暂态稳定计算用的基础潮流(本步骤在现有技术中的常用方法，在此就不进一步加以限制了)；

再按照下述步骤进行：

A、根据牵引变压器两供电臂瞬时最大负荷，以及机车功率ΔP₀+jΔQ₀，计算机车启动前两供电臂的负荷P₁+jQ₁、P₂+jQ₂；

B、取牵引站变压器为V/v接线变压器，接入系统相序为-AB、BC，计算机车启动前牵引站高压侧三相有功负荷，分别为

取最大一相的3倍做为暂态稳定计算基础潮流中的有功负荷，即

P_{0} = 3 \times \sqrt{P_{1}^{2} + P_{2}^{2} + P_{1} P_{2}} / \sqrt{3} = \sqrt{3 (P_{1}^{2} + P_{2}^{2} + P_{1} P_{2})};

C、由Q₁、Q₂计算机车启动前牵引变的无功损耗ΔQ_T1、ΔQ_T2，则Q′₁＝Q₁+ΔQ_T1、Q′₂＝Q₂+ΔQ_T2，按步骤B的方法可算出暂态稳定计算基础潮流中的无功负荷

Q_{0} = \sqrt{3 (Q_{1}^{' 2} + Q_{2}^{' 2} + Q_{1}^{'} Q_{2}^{'})};

D、在PSASP程序中建立牵引负荷模型，基础潮流计算时牵引负荷为P₀+jQ₀；

所述模型是，在PSASP程序中设定牵引变电站高压侧母线(实际牵引站高压侧无母线，此处假设是方便潮流计算)，并在母线上增加一个负荷，大小为P₀+jQ₀；

E、计算一臂机车启动时产生的无功冲击负荷ΔQ′＝αΔQ₀，式中α为励磁涌流倍数；

F、计算ΔQ在牵引变中产生的无功损耗ΔQ′_T1，则无功损耗增量δQ₁＝ΔQ′_T1-ΔQ_T1；

G、一臂机车启动时，牵引站低压侧的无功冲击负荷ΔQ₁＝(ΔQ+δQ₁)；

H、同样方法可计算二臂机车启动时牵引站低压侧的无功冲击负荷ΔQ₂＝ΔQ+δQ₂；

I、二臂机车启动后，牵引站高压侧无功冲击最大一相的值为

取其3倍做为暂态稳定计算中三相系统的无功冲击值，则

ΔQ = \sqrt{3 (Δ Q_{1}^{2} + Δ Q_{2}^{2} + Δ Q_{1} Δ Q_{2})};

J、在PSASP程序中利用暂态稳定模块(本模块是PSASP程序中自带工具模块)做暂态稳定计算，即可算得公共接入点的电压波动；

例如，某牵引站负荷及机车功率等参数如表1：

表1

项目	参数
		牵引变压器容量(V/v接线)	(40+40)MVA

牵引变压器短路阻抗参数	10.5％
		瞬时最大负荷(一臂、二臂)	80.1MVA、86.6MVA
负荷功率因数	0.97
		机车有功功率	17.6MW
机车功率因数	0.98

步骤如下：

(1)上表中两臂的瞬时最大负荷也可表示为P_1臂+jQ_1臂＝77.7+j19.47(MVA)、P_2臂+jQ_2臂＝84.0+j21.05(MVA)

其中：P_1臂＝80.1×0.97＝77.7

P_2臂＝86.6×0.97＝84.0

(2)根据机车有功功率和机车功率因数(0.98)可知机车功率为

ΔP₀+jΔQ₀＝17.6+j3.57(MVA)；

其中：ΔP₀＝17.6

ΔQ₀＝17.6×tan(arccos0.98)＝3.57

(3)机车启动前两臂负荷分别为

P₁+jQ₁＝77.1+j19.47-17.6-j3.57＝60.1+j15.9(MVA)

P₂+jQ₂＝84.0+j21.05-17.6-j3.57＝66.4+j17.48(MVA)

(4)计算机车启动前两个单相变压器的无功损耗：

(5)计算机车启动前两个单相变压器总的无功损耗：

Q′₁＝Q₁+ΔQ_T1＝15.9+10.14＝26.04(Mvar)

Q′₂＝Q₂+ΔQ_T2＝17.48+12.38＝29.86(Mvar)

(6)计算牵引站高压侧三相负荷(潮流计算用)：

P_{0} = \sqrt{3 (P_{1}^{2} + P_{2}^{2} + P_{1} P_{2})} = \sqrt{3 \times (60 . 1^{2} + {66.4}^{2} + 60.1 \times 66.4)} = 189.83 (MW)

Q_{0} = \sqrt{3 (Q_{1}^{2} + Q_{2}^{2} + Q_{1} Q_{2})} = \sqrt{3 \times (26.0 4^{2} + {29.86}^{2} + 26.04 \times 29.86)} = 83.92 (Mvar)

(7)测量得：一臂机车启动时牵引站低压侧无功冲击负荷ΔQ₁＝55.63Mvar；

(8)测量得：二臂机车启动时牵引站低压侧无功冲击负荷ΔQ₂＝56.03Mvar；

(9)计算两臂上的机车同时启动后，折算至高压侧的单相最大无功冲击负荷：

ΔQ = \sqrt{3 \times ({ΔQ}_{1}^{2} + Δ Q_{2}^{2} + Δ Q_{1} Δ Q_{2})} = 167.49 Mvar

(10)在PSASP程序中利用暂态稳定计算模块，在基础潮流计算结果的基础上，在牵引站高压侧母线上设定节点(母线)扰动，扰动大小为ΔQ，扰动时间取10ms，观察公共接入点的电压变化大小，电压变化量与额定电压的比值即为电压波动；

根据计算结果，公共接入点的电压波动为1.97％。根据国家标准(GB12326-2008《电能质量电压波动和闪变》)的相关规定，公共接入点电压波动限值为1％，则需要的改善率

k = \frac{1.97 - 1}{1.97} \times 100 % = 49.2 % .

本发明采用三相系统计算程序模拟单相无功冲击负荷在公共接入点产生的电压波动，计算过程中考虑了机车启动前牵引变压器的无功损耗，以及启动瞬间无功冲击负荷在牵引变压器中产生的无功损耗的增量。该计算方法针对铁路牵引负荷三相不对称的特点，同时计及牵引变压器无功损耗的增量，计算结果准确，可有效地针对电铁负荷在公共接入点电压波动超标问题进行相应的治理。

Claims

1.一种铁路牵引冲击负荷对电网电压波动计算方法，本方法是应用电力系统分析综合程序PSASP进行，包括步骤：

其特征是还包括步骤：

2)分别计算牵引变两臂上两列机车启动时，高压侧无功冲击负荷的大小，步骤包括：

2.1)根据牵引变压器两供电臂瞬时最大负荷，以及机车功率ΔP₀+jΔQ₀，计算机车启动前两供电臂的有功和无功负荷P₁+jQ₁和P₂+jQ₂；

2.2)根据牵引变压器接线形式即由两个单相变压器接成V/v结线变压器，以及接入相序，算得机车启动前牵引站高压侧三相有功负荷，分别为

和

由于电力系统为三相对称系统，为校核电力系统对牵引站的供电能力，应用PSASP程序做潮流计算时，取最大一相负荷的3倍为暂态稳定计算基础潮流中的有功负荷P₀，即

2.3)由Q₁、Q₂计算机车启动前牵引变压器的无功损耗ΔQ_T1、ΔQ_T2，则Q′₁＝Q₁+ΔQ_T1、Q′₂＝Q₂+ΔQ_T2，按步骤2.2)的方法算得暂态稳定计算基础潮流中的无功负荷

其中，Q′₁、Q′₂为低压侧两臂计及牵引变压器无功损耗的无功负荷；

3)应用PSASP程序，在牵引站高压侧母线模拟无功冲击，计算公共接入点PPC的电压波动：

3.1)在PSASP程序中设定牵引变电站高压侧母线，并在母线上增加一个负荷，大小为P₀+jQ₀；此处，实际牵引站高压侧无母线，此处假设是方便潮流计算；

3.3)两个臂上的机车都启动后，牵引站高压侧无功冲击最大一相的值为取其3倍作为暂态稳定计算中三相系统的无功冲击值，则

ΔQ = \sqrt{3 (Δ Q_{1}^{2} + Δ Q_{2}^{2} + Δ Q_{1} Δ Q_{2})};

3.4)在PSASP程序中利用暂态稳定计算模块，并在基础潮流计算结果的基础上，在牵引站高压侧母线上设定节点即母线扰动，扰动大小为ΔQ，扰动时间取10ms，观察公共接入点PPC的电压变化大小，电压变化量与额定电压的比值即为公共接入点PPC的电压波动。