CN113076660B - 一种混合电源系统双边供电方式电气化铁路环流计算方法 - Google Patents

一种混合电源系统双边供电方式电气化铁路环流计算方法 Download PDF

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Abstract

一种混合电源系统双边供电方式电气化铁路环流计算方法，以精确计算系统环流，为进一步研究环流影响及抑制措施，确定双边供电系统结构形式奠定基础。包括步骤如下：S01、电流分析与计算，根据电气化铁路混合电源系统双边供电方式供电网络图，计算并分析系统附加电流；S02、电网三相电气支路电压降计算，结合电流计算结果和序网计算电网三相电气支路电压降；S03、牵引供电系统侧电压降计算；S04、第一输电线路电压降计算；S05、第二输电线路电压降计算；S06、牵引电气支路电压降计算；S07、环流计算。

Description

一种混合电源系统双边供电方式电气化铁路环流计算方法
技术领域
本发明涉及电气化铁路牵引供电系统，特别涉及一种混合电源系统双边供电方式下的电气化铁路环流计算方法。
背景技术
对于电气化铁路牵引供电系统，从牵引负荷能量来源划分，可分为单边供电方式和双边供电方式。与单边供电方式相比，双边供电方式是指单个方向牵引网同时由相邻两座牵引变电所供电，相邻供电臂间不需要设置电分相进行电气隔离，此时牵引列车负荷能同时通过相邻两座牵引变电所获取电能。双边供电方式取消了相邻接触网上电分相，一方面改善了列车运行条件，避免了列车通过电分相无电区产生的功率损失和速度损失，另一方面改善了牵引网中电流分布，减少了牵引网电压和电能损失，提高了牵引供电系统供电能力。但是，采用双边供电方式，由于在27.5kV侧形成相邻电力系统间的环型供电网络，将在两相邻引变电所供电的外部电力系统间产生环流，此外，双边供电方式牵引供电系统结构、继电保护和自动化装置均较为复杂。
我国电气化铁路牵引供电系统采用公共电网供电，牵引负荷作为公用电网负荷的一部分以专用线路供电、单相负荷方式独立运行，牵引供电系统不承担铁路以外地方供电负荷，牵引变压器普遍采用Vv或单相接线，牵引网采用单边供电方式，因此我国整个系统为混合(公用电网为三相、牵引网络为单相)电源系统单边供电方式，基于我国电气化铁路现有总体供电体系构成，我国牵引网采用双边供电方式，将采用有别于德国和俄罗斯的混合(公用电网为三相、牵引网络为单相)电源系统双边供电方式。
对于混合电源系统(公用电网为三相、牵引网络为单相)双边供电方式，电气上对公用电网有可能造成较大影响，公用电网重点关注的问题是双边供电导致的系统环流和双边供电下的短路电流的电气特性。正常运行时存在的系统环流，在发生短路时，也将构成短路电流的一部分。因此，系统环流的计算也是短路电流计算的一部分内容。
随着我国电气化铁路技术的发展，大坡道高标准重负荷电气化铁路开始在西部山区修建，这些项目普遍面临电分相对行车影响较大、设置非常困难，牵引负荷较重、外部电源较为薄弱等特点。为此，结合我国电气化铁路牵引供电系统特点，开展交流双边供电技术的研究和应用显得越发必要和紧迫。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供提供一种混合电源系统双边供电方式电气化铁路环流计算方法，以精确计算系统环流，为进一步研究环流影响及抑制措施，确定双边供电系统结构形式奠定基础。
本发明的一种混合电源系统双边供电方式电气化铁路环流计算方法，包括步骤如下：
S01、电流分析与计算，根据电气化铁路混合电源系统双边供电方式供电网络图，计算并分析系统附加电流；
第一电源系统和第二电源系统采用AB相分别为第一牵引变电所和第二牵引变电所供电，同时该两电源系统间通过三相电网传输系统连接，第一电源系统和第二电源系统间分别通过单相牵引电气支路和三相电网电气支路两种性质的潮流传输支路进行连接，两支路形成并联关系，第一节点和第二节点电流方程分别如式(1)和式(2)所示：
Figure GDA0003926050850000031
Figure GDA0003926050850000032
可知：
Figure GDA0003926050850000033
式中，k1，k2分别为第一牵引变电所和第二牵引变电所牵引变压器变比；
S02、电网三相电气支路电压降计算，结合电流计算结果和序网计算电网三相电气支路电压降；
电网三相电气支路电压降计算，将三相电流按零序正序和负序分解，如式(3)所示：
Figure GDA0003926050850000041
对于上式，由于
Figure GDA0003926050850000042
三相对称，因此，第一项仅存在正序，等于
Figure GDA0003926050850000043
第二项存在正序和负序，分别等于
Figure GDA0003926050850000044
因此，电网电气支路中正序电流等于
Figure GDA0003926050850000045
负序电流等于
Figure GDA0003926050850000046
零序电流
Figure GDA0003926050850000047
等于0；
按照序网计算各相电压降，如式(4)所示：
Figure GDA0003926050850000048
式中，
Figure GDA0003926050850000049
分别为三相电压降，ZX0、ZX1、ZX2分别为三相电气支路零序、正序和负序阻抗，
Figure GDA00039260508500000410
分别为三相电流的零序、正序和负序分量；
则电网三相电气支路AB相电压降如式(5)所示：
Figure GDA00039260508500000411
S03、牵引供电系统侧电压降计算，根据第一牵引变电所第一牵引变压器的电压和第二牵引变电所第二牵引变压器的电压，计算牵引供电系统侧电压降；
S04、第一输电线路电压降计算，根据输电线路中的三相电流，结合序网，计算第一输电线路电压降；
S05、第二输电线路电压降计算，根据输电线路中的三相电流，结合序网，计算第二输电线路电压降；
S06、牵引电气支路电压降计算，根据牵引供电系统侧产生的电压降、第一电源系统至第一牵引变电所间第一输电线路上的电压降、第二电源系统至第二牵引变电所间第二输电线路上的电压降计算牵引电气支路电压降；
S07、环流计算，根据电网三相电气支路电压降和牵引电气支路电压降，计算系统环流。
本发明的有益效果是，基于混合电源系统双边供电方式电气化铁路的系统结构，精确推导了系统环流计算方法，在此基础上，可以进一步研究环流影响及抑制措施，为我国双边供电系统结构形式和主要系统工程方案确定奠定坚实基础。
附图说明
本说明书包括如下两幅附图：
图1是混合电源系统双边供电方式系统结构图；
图2是实施例某电气化铁路系统结构及基础参数。
图中标记及含义：第一节点1、第二节点2、第一牵引变电所10、第一牵引变压器11、第一输电线路12、第一电源系统13、第二牵引变电所20、第二牵引变压器21、第二输电线路22、第二电源系统23、电网传输系统30。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明的一种混合电源系统双边供电方式电气化铁路环流计算方法包括步骤如下：
步骤S01、电流分析与计算，根据电气化铁路混合电源系统双边供电方式供电网络图，计算并分析系统附加电流；参照图1，第一电源系统13和第二电源系统23采用AB相分别为第一牵引变电所10和第二牵引变电所20供电，同时该两电源系统间通过三相电网传输系统30连接，第一电源系统13和第二电源系统23间分别通过单相牵引电气支路和三相电网电气支路两种性质的潮流传输支路进行连接，两支路形成并联关系，第一节点1和第二节点2电流方程分别如式(1)和式(2)所示：
Figure GDA0003926050850000061
Figure GDA0003926050850000062
可知：
Figure GDA0003926050850000071
式中，k1，k2分别为第一牵引变电所10和第二牵引变电所20牵引变压器变比。
通常k1＝k2＝k，则
Figure GDA0003926050850000072
因此，技术上所关注的在系统中产生的附加电流
Figure GDA0003926050850000073
为在第一电源系统13和第二电源系统23间由单相牵引电气支路与三相电网电气支路并联构成的环路内部流动的系统环流，并不影响两个系统间潮流传输值。更进一步，如k1≠k2，则会在系统间产生附加正序和负序潮流。
步骤S02、电网三相电气支路电压降计算。根据步骤S01可知，在电网三相电气支路中各电流不等，因此，将三相电流按零序正序和负序分解，如式(3)所示：
Figure GDA0003926050850000074
对于上式，由于
Figure GDA0003926050850000075
三相对称，因此，第一项仅存在正序，等于
Figure GDA0003926050850000076
第二项存在正序和负序，分别等于
Figure GDA0003926050850000077
因此，电网电气支路中正序电流等于
Figure GDA0003926050850000078
负序电流等于
Figure GDA0003926050850000079
零序电流
Figure GDA00039260508500000710
等于0；
按照序网计算各相电压降，如式(4)所示：
Figure GDA0003926050850000081
式中，
Figure GDA0003926050850000082
分别为三相电压降，ZX0、ZX1、ZX2分别为三相电气支路零序、正序和负序阻抗，
Figure GDA0003926050850000083
分别为三相电流的零序、正序和负序分量；
则电网三相电气支路AB相电压降如式(5)所示：
Figure GDA0003926050850000084
步骤S03、牵引供电系统侧电压降为第一牵引变电所10第一牵引变压器11和第二牵引变电所20第二牵引变压器21间电压差，如式(6)所示：
Figure GDA0003926050850000085
式中，Zb1和Zb2分别为第一牵引变压器11、第二牵引变压器21的阻抗，Zq为第一牵引变电所10、第二牵引变电所20两所间牵引网阻抗。
步骤S04、第一输电线路12电压降按照序网开展计算，将三相电流按零序正序和负序分解，如式(7)所示：
Figure GDA0003926050850000086
按照序网计算各相电压降如式(8)所示：
Figure GDA0003926050850000091
式中，
Figure GDA0003926050850000092
分别为三相电压降，ZX10、ZX11、ZX12分别为第一输电线路12零序、正序和负序阻抗，
Figure GDA0003926050850000093
Figure GDA0003926050850000094
分别为三相电流的零序、正序和负序分量；
则第一输电线路12上AB相电压降如式(9)所示：
Figure GDA0003926050850000095
步骤S05、第二输电线路22上AB相电压降如式10所示：
Figure GDA0003926050850000096
步骤S06、牵引电气支路电压降为牵引供电系统侧产生的电压降、第一电源系统13至第一牵引变电所10间第一输电线路12上产生电压降、第二电源系统23至第二牵引变电所20间第二输电线路22上产生电压降之和，如式(11)所示：
Figure GDA0003926050850000101
步骤S07环流计算，牵引单相电气支路电压降与电网三相电气支路电压降相等，即
Figure GDA0003926050850000102
如式(12)所示：
Figure GDA0003926050850000103
则环流与两系统间传输电流比值如式(13)所示：
Figure GDA0003926050850000104
实施例：
某电气化铁路供电系统结构如图2所示，
外电源第一牵引变电所10、第二牵引变电所20分别为两个220kV变电站，第一牵引变电所10、第二牵引变电所20之间的电网传输系统30长度为114km，单位长度阻抗为0.31Ω/km；第一牵引变电所10距离第一牵引变压器11的线路长度为72km，单位长度阻抗为0.4Ω/km；第二牵引变电所20距离第二牵引变压器21的线路长度为43km，单位长度阻抗为0.4Ω/km；第一牵引变压器11、第二牵引变压器21的安装容量均为16MVA，阻抗电压10.5％，变比8；第一牵引变压器11、第二牵引变压器21之间的牵引网长度为42km，单位长度阻抗为0.376Ω/km。根据本发明的方法，计算结果如下求所示。
Z<sub>X1</sub>(Ω) Z<sub>X11</sub>(Ω) Z<sub>X21</sub>(Ω) Z<sub>b1</sub>(Ω) Z<sub>b2</sub>(Ω) Z<sub>q</sub>(Ω) 环流(％)
35.34 28.8 17.2 4.96 4.96 15.792 3.38
以上内容是结合实例对本发明的进一步描述，以便于本领域技术人员理解本发明。另外，技术人员可以在不脱离本发明精神和范围的条件下，结合实际工况做进一步修改。

Claims (6)

1.一种混合电源系统双边供电方式电气化铁路环流计算方法，包括如下步骤：
S01、电流分析与计算，根据电气化铁路混合电源系统双边供电方式供电网络图，计算并分析系统附加电流；
第一电源系统(13)和第二电源系统(23)采用AB相分别为第一牵引变电所(10)和第二牵引变电所(20)供电，同时该两电源系统间通过三相电网传输系统(30)连接，第一电源系统(13)和第二电源系统(23)间分别通过单相牵引电气支路和三相电网电气支路两种性质的潮流传输支路进行连接，两支路形成并联关系，第一节点(1)和第二节点(2)电流方程分别如式(1)和式(2)所示：
Figure FDA0003938472180000011
Figure FDA0003938472180000012
可知：
Figure FDA0003938472180000013
式中，k1，k2分别为第一牵引变电所(10)和第二牵引变电所(20)牵引变压器变比；
S02、电网三相电气支路电压降计算，结合电流计算结果和序网计算电网三相电气支路电压降；
电网三相电气支路电压降计算，将三相电流按零序正序和负序分解，如式(3)所示：
Figure FDA0003938472180000021
对于上式，由于
Figure FDA0003938472180000022
三相对称，因此，第一项仅存在正序，等于
Figure FDA0003938472180000023
第二项存在正序和负序，分别等于
Figure FDA0003938472180000024
因此，电网电气支路中正序电流等于
Figure FDA0003938472180000025
负序电流等于
Figure FDA0003938472180000026
零序电流
Figure FDA0003938472180000027
等于0；
按照序网计算各相电压降，如式(4)所示：
Figure FDA0003938472180000028
式中，
Figure FDA0003938472180000029
分别为三相电压降，ZX0、ZX1、ZX2分别为三相电气支路零序、正序和负序阻抗，
Figure FDA00039384721800000210
分别为三相电流的零序、正序和负序分量；
则电网三相电气支路AB相电压降如式(5)所示：
Figure FDA0003938472180000031
S03、牵引供电系统侧电压降计算，根据第一牵引变电所(10)第一牵引变压器(11)的电压和第二牵引变电所(20)第二牵引变压器(21)的电压，计算牵引供电系统侧电压降；
S04、第一输电线路(12)电压降计算，根据输电线路中的三相电流，结合序网，计算第一输电线路(12)电压降；
S05、第二输电线路(22)电压降计算，根据输电线路中的三相电流，结合序网，计算第二输电线路(22)电压降；
S06、牵引电气支路电压降计算，根据牵引供电系统侧产生的电压降、第一电源系统(13)至第一牵引变电所(10)间第一输电线路(12)上的电压降、第二电源系统(23)至第二牵引变电所(20)间第二输电线路(22)上的电压降计算牵引电气支路电压降；
S07、环流计算，根据电网三相电气支路电压降和牵引电气支路电压降，计算系统环流。
2.如权利要求1所述的一种混合电源系统双边供电方式电气化铁路环流计算方法，其特征是所述步骤S03牵引供电系统侧电压降为第一牵引变电所(10)第一牵引变压器(11)和第二牵引变电所(20)第二牵引变压器(21)间电压差，如式(6)所示：
Figure FDA0003938472180000032
式中，Zb1和Zb2分别为第一牵引变压器(11)、第二牵引变压器(21)的阻抗，Zq为第一牵引变电所(10)、第二牵引变电所(20)两所间牵引网阻抗。
3.如权利要求1所述的一种混合电源系统双边供电方式电气化铁路环流计算方法，其特征是所述步骤S04第一输电线路(12)电压降按照序网开展计算，将三相电流按零序正序和负序分解，如式(7)所示：
Figure FDA0003938472180000041
按照序网计算各相电压降如式(8)所示：
Figure FDA0003938472180000042
式中，
Figure FDA0003938472180000043
分别为三相电压降，ZX10、ZX11、ZX12分别为第一输电线路(12)零序、正序和负序阻抗，
Figure FDA0003938472180000044
Figure FDA0003938472180000045
分别为三相电流的零序、正序和负序分量；
则第一输电线路(12)上AB相电压降如式(9)所示：
Figure FDA0003938472180000046
4.如权利要求1所述的一种混合电源系统双边供电方式电气化铁路环流计算方法，其特征是所述步骤S05第二输电线路(22)上AB相电压降如式(10)所示：
Figure FDA0003938472180000051
5.如权利要求1所述的一种混合电源系统双边供电方式电气化铁路环流计算方法，其特征是所述步骤S06牵引电气支路电压降为牵引供电系统侧产生的电压降、第一电源系统(13)至第一牵引变电所(10)间第一输电线路(12)上产生电压降、第二电源系统(23)至第二牵引变电所(20)间第二输电线路(22)上产生电压降之和，如式(11)所示：
Figure FDA0003938472180000052
6.如权利要求1所述的一种混合电源系统双边供电方式电气化铁路环流计算方法，其特征是所述步骤S07环流计算，牵引单相电气支路电压降与电网三相电气支路电压降相等，即
Figure FDA0003938472180000053
如式(12)所示：
Figure FDA0003938472180000054
则环流与两系统间传输电流比值如式(13)所示：
Figure FDA0003938472180000061
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