本發(fā)明涉及城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)諧波治理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種城市軌道交通負(fù)荷牽引電纜諧波放大的治理方法。

背景技術(shù)：

隨著我國城市化的加速，城市交通問題日益突出，而城市軌道交通具有運(yùn)能大、速度快、成本低、節(jié)約能源以及能緩解地面交通擁擠和有利于環(huán)境保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，正在使其成為社會(huì)發(fā)展的熱點(diǎn)領(lǐng)域。目前各大中心城市相繼建設(shè)或正在規(guī)劃建設(shè)城市軌道交通系統(tǒng)。

然而，隨著高壓直流輸電、電氣化鐵路和鋼鐵企業(yè)越來越多的接入110kv及以上的電力系統(tǒng)，其產(chǎn)生的諧波注入系統(tǒng)成為城市軌道交通負(fù)荷的背景諧波源。城市軌道交通自身普遍采用直流供電方式，牽引供電系統(tǒng)采用12脈波或者24脈波的整流機(jī)組將交流電轉(zhuǎn)換成列車所需的直流電。這些整流機(jī)組在運(yùn)行的過程中都會(huì)產(chǎn)生大量的諧波注入系統(tǒng)，成了系統(tǒng)中諧波的主要來源。

由于城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)供電電纜長度長、電纜等效充電電容大，常在牽引供電系統(tǒng)負(fù)荷較小時(shí)出現(xiàn)無功倒送現(xiàn)象。同時(shí)城市軌道交通受到背景諧波和自身產(chǎn)生的諧波影響，可能在某次諧波頻率時(shí)電纜充電電容容抗和系統(tǒng)阻抗、變壓器阻抗、負(fù)荷阻抗之間發(fā)生串并聯(lián)諧振，造成諧波放大現(xiàn)象，進(jìn)而影響城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。業(yè)界工程技術(shù)人員認(rèn)為采取無功補(bǔ)償?shù)姆绞?，將牽引電纜的充電功率補(bǔ)償完就可以解決諧波放大的問題，這種觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。此方法并沒有破壞牽引電纜諧振條件，牽引電纜的充電電容依然會(huì)引起串并聯(lián)諧振。若在系統(tǒng)中并聯(lián)一個(gè)諧振頻率次電抗等于牽引電纜諧振頻率次容抗的電感進(jìn)行無功補(bǔ)償。雖然可以改變諧振條件使得系統(tǒng)不發(fā)生串并聯(lián)諧振，但是此時(shí)的電抗器的容量為幾百兆乏與現(xiàn)實(shí)條件不符。有源電力濾波器由于其電壓等級(jí)的限制，不能濾除高壓系統(tǒng)的諧波。對(duì)于城市軌道交通負(fù)荷牽引電纜引起諧波放大的問題該如何解決，現(xiàn)有的技術(shù)中還沒有相關(guān)的解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種城市軌道交通負(fù)荷牽引電纜諧波放大的治理方法，用以解決現(xiàn)有城市軌道交通負(fù)荷牽引電纜引起諧波放大的問題沒有很好的解決方案的問題。

為解決上述問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種城市軌道交通負(fù)荷牽引電纜諧波放大的治理方法，包括以下步驟：

s1、獲取牽引系統(tǒng)參數(shù)，包括：牽引系統(tǒng)母線電壓v、牽引系統(tǒng)母線最小短路容量sd、主變壓器容量st、阻抗電壓百分比uk％、電纜的充電功率qc；

s2、計(jì)算系統(tǒng)阻抗xs、變壓器阻抗xt和電纜的容抗xc：

s3、建立阻抗模型：阻抗模型包括來自上級(jí)電網(wǎng)的背景諧波電壓us,h，牽引整流機(jī)組產(chǎn)生的諧波電流ih，折算到所述牽引系統(tǒng)母線電壓v的系統(tǒng)諧波阻抗xs,h，折算到所述牽引系統(tǒng)母線電壓v的主變壓器諧波阻抗xt,h，電纜等效諧波阻抗xc,h，以及軌道交通牽引負(fù)荷的等效諧波模型xl,h和rl,h，其中h為諧波次數(shù)；所述背景諧波電壓us,h一端與進(jìn)行母線連接另一端與系統(tǒng)諧波阻抗xs,h一端連接，系統(tǒng)諧波阻抗xs,h另一端與所述主變壓器諧波阻抗xt,h一端連接，xt,h另一端與電纜等效諧波阻抗xc,h連接，xc,h另一端接地，xl,h和rl,h并聯(lián)后再與xc,h并聯(lián)，ih與xc,h并聯(lián)。

s4、將步驟s2計(jì)算獲得的系統(tǒng)阻抗xs、變壓器阻抗xt和電纜的容抗xc參數(shù)代入步驟s3所建立的阻抗模型進(jìn)行仿真找出可能產(chǎn)生諧波放大的諧波次數(shù)；

s5、根據(jù)步驟s4獲得的能產(chǎn)生諧波放大的諧波次數(shù)設(shè)計(jì)配電網(wǎng)阻抗補(bǔ)償裝置；

s6、將步驟s5設(shè)計(jì)的配電網(wǎng)阻抗補(bǔ)償裝置代入到步驟s3所述的阻抗模型，并仿真、分析及安全校核；

s7、判斷分析步驟s6配置配電網(wǎng)阻抗補(bǔ)償裝置后的阻抗模型，若通過安全校核，則進(jìn)入下一步驟，若否則返回步驟s5重新設(shè)計(jì)配電網(wǎng)阻抗補(bǔ)償裝置。

s8、完成城市軌道交通負(fù)荷牽引電纜諧波放大的配電網(wǎng)阻抗補(bǔ)償裝置選型。

本發(fā)明通過獲取城市軌道交通負(fù)荷牽引系統(tǒng)參數(shù)并建立阻抗模型然后通過利用配電網(wǎng)阻抗重構(gòu)技術(shù)，一方面保證了城市軌道交通系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，另一方面可以避免對(duì)城市軌道交通供配電系統(tǒng)進(jìn)行重構(gòu)來治理牽引電纜引起的諧波放大問題所帶來的巨大成本，具有一定的經(jīng)濟(jì)性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)等效諧波阻抗模型示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的城市軌道交通諧波阻抗模型仿真得到的諧波電壓系數(shù)和諧波電流系數(shù)圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的城市軌道交通負(fù)荷牽引電纜諧波放大的治理方法與裝置圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的城市軌道交通加配電網(wǎng)阻抗補(bǔ)償裝置諧波阻抗模型仿真得到的諧波電壓系數(shù)和諧波電流系數(shù)圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的城市軌道交通負(fù)荷牽引電纜諧波放大改進(jìn)后的治理方法與裝置圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的城市軌道交通加改進(jìn)后的配電網(wǎng)阻抗補(bǔ)償裝置諧波阻抗模型仿真得到的諧波電壓系數(shù)和諧波電流系數(shù)圖；

圖8為本發(fā)明實(shí)施例提供的城市軌道交通負(fù)荷牽引電纜諧波放大治理方法與裝置的流程圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的圖1-8，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發(fā)明的實(shí)施例的詳細(xì)描述并非旨在限制要求保護(hù)的本發(fā)明的范圍，而是僅僅表示本發(fā)明的選定實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

一種城市軌道交通負(fù)荷牽引電纜諧波放大的治理方法，具體采用以下步驟：

(1)城市軌道交通牽引系統(tǒng)的諧波主要來源為上級(jí)背景諧波電壓和牽引變整流機(jī)組不同運(yùn)行方式產(chǎn)生的諧波電流。為軌道交通供電的公用電網(wǎng)在軌道交通未接入時(shí)110kvpcc點(diǎn)的背景諧波電壓，數(shù)據(jù)可來自電力公司常年對(duì)該pcc點(diǎn)的電能質(zhì)量監(jiān)測與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。假設(shè)電力公司提供的公用電網(wǎng)pcc點(diǎn)的背景諧波電壓為uh,background，h＝h1,h2…h(huán)n，h為諧波次數(shù)。目前，國內(nèi)關(guān)于城市軌道交通牽引系統(tǒng)采用24脈波整流機(jī)組的主流設(shè)計(jì)，24脈波整流機(jī)組左右單元可能不對(duì)稱運(yùn)行，極端情況下會(huì)出現(xiàn)單12脈波整流機(jī)組故障運(yùn)行。24脈波整流機(jī)組在不同運(yùn)行方式下可能產(chǎn)生5次、7次、12k±1(k＝1,2,3...)次和24k±1(k＝1,2,3...)次諧波電流。

(2)如圖1所示，城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。城市軌道交通作為城市電網(wǎng)的一個(gè)用戶，城市電網(wǎng)通過主變電站對(duì)其進(jìn)行供電。主變電站的主變壓器將110kv高壓電變換成35kv中壓電，35kv供電網(wǎng)絡(luò)將電能分配到每一個(gè)車站和車輛段內(nèi)的牽引變電所和降壓變電所。為了后面對(duì)牽引供電系統(tǒng)的分析，必須要了解系統(tǒng)、主變壓器、牽引變壓器和電纜的參數(shù)。設(shè)110kv母線的短路容量為sd，主變壓器的容量為st，阻抗電壓百分比為uk％，電纜的充電功率為qc。由此可以得到，系統(tǒng)阻抗、變壓器阻抗和電纜的容抗，在35kv電壓等級(jí)下分別為：

(3)如圖2所示，城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)等效諧波阻抗模型示意圖。us,h為來自上級(jí)電網(wǎng)的背景諧波電壓，ih為牽引整流機(jī)組產(chǎn)生的諧波電流，xs,h為折算到35kv電壓等級(jí)的系統(tǒng)諧波阻抗，xt,h為折算到35kv電壓等級(jí)的主變壓器諧波阻抗，xc,h為電纜等效諧波阻抗。xl,h和rl,h為軌道交通牽引負(fù)荷的等效諧波模型。

(4)圖2中的諧波電流源單獨(dú)作用時(shí)，定義諧波電流系數(shù)為

若說明注入主變電所35kv出線的諧波電流被放大，牽引供配電系統(tǒng)中發(fā)生了并聯(lián)諧振；說明無并聯(lián)諧振產(chǎn)生。

圖2中的諧波電壓源單獨(dú)作用時(shí)，定義諧波電壓系數(shù)為

若說明來自110kv及以上系統(tǒng)的背景諧波電壓在35kv系統(tǒng)被放大；說明無串聯(lián)諧振產(chǎn)生。

(5)對(duì)上述圖2的諧波阻抗模型進(jìn)行仿真得到其諧波電壓系數(shù)和諧波電流系數(shù)如圖3所示。將諧波電壓系數(shù)和諧波電流系數(shù)峰值對(duì)應(yīng)的諧波次數(shù)h與牽引供配電系統(tǒng)諧波頻譜分布比較。若發(fā)生串并聯(lián)諧振的次數(shù)h附近存在牽引供配電系統(tǒng)的諧波分布，則需要利用配電網(wǎng)阻抗重構(gòu)技術(shù)治理城市軌道交通牽引電纜引起的諧波放大問題。圖3中諧波電壓系數(shù)和諧波電流系數(shù)圖所示，軌道交通不同運(yùn)行方式下可能產(chǎn)生的諧波正好在諧振放大區(qū)域中。因此，需要利用配電網(wǎng)阻抗重構(gòu)技術(shù)對(duì)牽引電纜引起的諧波放大進(jìn)行治理，其治理裝置設(shè)計(jì)的約束條件為使得所有的可能產(chǎn)生的諧波在牽引系統(tǒng)中均不存在放大的現(xiàn)象，即和

(6)配電網(wǎng)阻抗重構(gòu)技術(shù)，如圖4所示。在牽引供電系統(tǒng)35kv母線下并聯(lián)一套配電網(wǎng)阻抗補(bǔ)償裝置。設(shè)該配電網(wǎng)阻抗補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償容量為qc1，配電網(wǎng)阻抗補(bǔ)償裝置的調(diào)諧次數(shù)為h0，電容器的基波容抗為xc1，電抗器的基波感抗為xl1，因此

由補(bǔ)償容量和諧振次數(shù)的關(guān)系可得：

利用配電網(wǎng)阻抗補(bǔ)償裝置對(duì)配電網(wǎng)的阻抗特性進(jìn)行重構(gòu)，使得系統(tǒng)的串并聯(lián)諧振點(diǎn)避開所有牽引系統(tǒng)可能產(chǎn)生的諧波次數(shù)。

(7)在牽引供電系統(tǒng)35kv母線下連接配電網(wǎng)阻抗補(bǔ)償裝置后，根據(jù)步驟(4)對(duì)諧波電壓系數(shù)和諧波電流系數(shù)的定義可以得到，此時(shí)諧波電壓系數(shù)和諧波電流系數(shù)的表達(dá)式為：

(8)對(duì)上述圖4增加配電網(wǎng)阻抗補(bǔ)償裝置的牽引系統(tǒng)諧波阻抗模型進(jìn)行仿真得到其諧波電壓系數(shù)和諧波電流系數(shù)如圖5所示。由圖5可以看出，諧波電壓系數(shù)和諧波電流系數(shù)在配電網(wǎng)阻抗補(bǔ)償裝置調(diào)諧點(diǎn)處的諧波系數(shù)較小，但是在其他點(diǎn)處，并沒有大的改變，增加配電網(wǎng)阻抗補(bǔ)償裝置對(duì)配電網(wǎng)阻抗重構(gòu)的效果不理想。牽引系統(tǒng)仍存在對(duì)系統(tǒng)可能產(chǎn)生的諧波的諧振放大現(xiàn)象，不滿足治理裝置設(shè)計(jì)的約束條件，因此需要對(duì)配電網(wǎng)阻抗補(bǔ)償裝置進(jìn)行改進(jìn)。

(9)為了使治理裝置的治理效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在配電網(wǎng)阻抗補(bǔ)償裝置的電抗器旁并聯(lián)一個(gè)電阻rl1，以降低系統(tǒng)阻抗特性的品質(zhì)因數(shù)。選取的電阻rl1＝5xl1左右，此時(shí)系統(tǒng)的諧波電壓系數(shù)和諧波電流系數(shù)的表達(dá)式為：

(10)對(duì)上述圖6增加重構(gòu)后配電網(wǎng)阻抗補(bǔ)償裝置的牽引系統(tǒng)諧波阻抗模型進(jìn)行仿真得到其諧波電壓系數(shù)和諧波電流系數(shù)如圖7所示。由圖7可以看出，諧波電壓系數(shù)和諧波電流系數(shù)在系統(tǒng)可能產(chǎn)生的諧波處均小于1，系統(tǒng)對(duì)背景諧波電壓和諧波電流均不放大，滿足治理裝置的設(shè)計(jì)要求。

(11)對(duì)配電網(wǎng)阻抗補(bǔ)償裝置進(jìn)行過電壓，過交流和過容量校核，使其滿足工程需要，其中過電壓、過電流和過容量校核分別如下所示：

u＝uc1+∑ucn≤1.1ucn

q＝q1+∑qn≤1.35qn

式中：uc1為加在電容器兩端的基波電壓，ucn為加在電容器兩端的n次諧波電壓，ucn為電容器的額定電壓。

i1為流過電容器(電抗器)兩端的基波電流，in為流過電容器(電抗器)的n次諧波電流，in為電容器(電抗器)的額定電流。

q1為加在電容器上的基波容量，qn為加在電容器上的n次諧波容量，qn為電容器的額定容量。

若未通過安全校核，則重新對(duì)配電網(wǎng)阻抗補(bǔ)償裝置進(jìn)行選型。

為了便于理解，下面結(jié)合一具體的示例進(jìn)行說明；需要說明的是，下述示例中所采用的數(shù)值僅為舉例，用戶可根據(jù)實(shí)際的需求做相應(yīng)的更改。

本示例中，牽引系統(tǒng)母線為35kv，母線的最小短路容量sd為1729mva，主變壓器的容量st為63mva，阻抗電壓百分比uk％為10.61％，電纜的充電功率qc為2.906mva。由此可以得到，系統(tǒng)阻抗、變壓器阻抗和電纜的容抗，在35kv電壓等級(jí)下分別為：

將上述得到的參數(shù)代入圖2所示的阻抗模型中，仿真得到諧波電壓系數(shù)和諧波電流系數(shù)如圖3所示。該牽引系統(tǒng)對(duì)可能產(chǎn)生的11次和13次諧波均產(chǎn)生放大的現(xiàn)象，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)配電網(wǎng)阻抗補(bǔ)償裝置對(duì)配電網(wǎng)的阻抗特性進(jìn)行重構(gòu)。

設(shè)配電網(wǎng)阻抗補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償容量為1mvar，調(diào)諧次數(shù)為21。因此電抗器的電抗值和電容器的電抗值分別為：

為了使治理裝置的治理效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在配電網(wǎng)阻抗補(bǔ)償裝置的電抗器旁并聯(lián)一個(gè)電阻rl1，以降低系統(tǒng)阻抗特性的品質(zhì)因數(shù)。選取的電阻為

rl1＝5xl1＝5×2.784＝13.92ω

將上述配電網(wǎng)阻抗補(bǔ)償裝置連接在35kv母線下對(duì)配電網(wǎng)阻抗進(jìn)行重構(gòu)得到諧波電壓系數(shù)和諧波電流系數(shù)如圖7所示。由圖7可以看出，諧波電壓系數(shù)和諧波電流系數(shù)在系統(tǒng)可能產(chǎn)生的諧波處均小于1，系統(tǒng)對(duì)背景諧波電壓和諧波電流均不放大，滿足治理裝置的設(shè)計(jì)要求。