城市轨道交通负荷牵引电缆谐波放大的治理方法与流程

本发明涉及城市轨道交通牵引供电系统谐波治理技术领域，特别涉及一种城市轨道交通负荷牵引电缆谐波放大的治理方法。

背景技术：

随着我国城市化的加速，城市交通问题日益突出，而城市轨道交通具有运能大、速度快、成本低、节约能源以及能缓解地面交通拥挤和有利于环境保护等优点，正在使其成为社会发展的热点领域。目前各大中心城市相继建设或正在规划建设城市轨道交通系统。

然而，随着高压直流输电、电气化铁路和钢铁企业越来越多的接入110kv及以上的电力系统，其产生的谐波注入系统成为城市轨道交通负荷的背景谐波源。城市轨道交通自身普遍采用直流供电方式，牵引供电系统采用12脉波或者24脉波的整流机组将交流电转换成列车所需的直流电。这些整流机组在运行的过程中都会产生大量的谐波注入系统，成了系统中谐波的主要来源。

由于城市轨道交通牵引供电系统供电电缆长度长、电缆等效充电电容大，常在牵引供电系统负荷较小时出现无功倒送现象。同时城市轨道交通受到背景谐波和自身产生的谐波影响，可能在某次谐波频率时电缆充电电容容抗和系统阻抗、变压器阻抗、负荷阻抗之间发生串并联谐振，造成谐波放大现象，进而影响城市轨道交通牵引供电系统的安全稳定运行。业界工程技术人员认为采取无功补偿的方式，将牵引电缆的充电功率补偿完就可以解决谐波放大的问题，这种观点是错误的。此方法并没有破坏牵引电缆谐振条件，牵引电缆的充电电容依然会引起串并联谐振。若在系统中并联一个谐振频率次电抗等于牵引电缆谐振频率次容抗的电感进行无功补偿。虽然可以改变谐振条件使得系统不发生串并联谐振，但是此时的电抗器的容量为几百兆乏与现实条件不符。有源电力滤波器由于其电压等级的限制，不能滤除高压系统的谐波。对于城市轨道交通负荷牵引电缆引起谐波放大的问题该如何解决，现有的技术中还没有相关的解决方案。

技术实现要素：

本发明提供一种城市轨道交通负荷牵引电缆谐波放大的治理方法，用以解决现有城市轨道交通负荷牵引电缆引起谐波放大的问题没有很好的解决方案的问题。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案实现：

一种城市轨道交通负荷牵引电缆谐波放大的治理方法，包括以下步骤：

s1、获取牵引系统参数，包括：牵引系统母线电压v、牵引系统母线最小短路容量sd、主变压器容量st、阻抗电压百分比uk％、电缆的充电功率qc；

s2、计算系统阻抗xs、变压器阻抗xt和电缆的容抗xc：

s3、建立阻抗模型：阻抗模型包括来自上级电网的背景谐波电压us,h，牵引整流机组产生的谐波电流ih，折算到所述牵引系统母线电压v的系统谐波阻抗xs,h，折算到所述牵引系统母线电压v的主变压器谐波阻抗xt,h，电缆等效谐波阻抗xc,h，以及轨道交通牵引负荷的等效谐波模型xl,h和rl,h，其中h为谐波次数；所述背景谐波电压us,h一端与进行母线连接另一端与系统谐波阻抗xs,h一端连接，系统谐波阻抗xs,h另一端与所述主变压器谐波阻抗xt,h一端连接，xt,h另一端与电缆等效谐波阻抗xc,h连接，xc,h另一端接地，xl,h和rl,h并联后再与xc,h并联，ih与xc,h并联。

s4、将步骤s2计算获得的系统阻抗xs、变压器阻抗xt和电缆的容抗xc参数代入步骤s3所建立的阻抗模型进行仿真找出可能产生谐波放大的谐波次数；

s5、根据步骤s4获得的能产生谐波放大的谐波次数设计配电网阻抗补偿装置；

s6、将步骤s5设计的配电网阻抗补偿装置代入到步骤s3所述的阻抗模型，并仿真、分析及安全校核；

s7、判断分析步骤s6配置配电网阻抗补偿装置后的阻抗模型，若通过安全校核，则进入下一步骤，若否则返回步骤s5重新设计配电网阻抗补偿装置。

s8、完成城市轨道交通负荷牵引电缆谐波放大的配电网阻抗补偿装置选型。

本发明通过获取城市轨道交通负荷牵引系统参数并建立阻抗模型然后通过利用配电网阻抗重构技术，一方面保证了城市轨道交通系统的安全稳定运行，另一方面可以避免对城市轨道交通供配电系统进行重构来治理牵引电缆引起的谐波放大问题所带来的巨大成本，具有一定的经济性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的城市轨道交通牵引供电系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的城市轨道交通牵引供电系统等效谐波阻抗模型示意图；

图3为本发明实施例提供的城市轨道交通谐波阻抗模型仿真得到的谐波电压系数和谐波电流系数图；

图4为本发明实施例提供的城市轨道交通负荷牵引电缆谐波放大的治理方法与装置图；

图5为本发明实施例提供的城市轨道交通加配电网阻抗补偿装置谐波阻抗模型仿真得到的谐波电压系数和谐波电流系数图；

图6为本发明实施例提供的城市轨道交通负荷牵引电缆谐波放大改进后的治理方法与装置图；

图7为本发明实施例提供的城市轨道交通加改进后的配电网阻抗补偿装置谐波阻抗模型仿真得到的谐波电压系数和谐波电流系数图；

图8为本发明实施例提供的城市轨道交通负荷牵引电缆谐波放大治理方法与装置的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的图1-8，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种城市轨道交通负荷牵引电缆谐波放大的治理方法，具体采用以下步骤：

(1)城市轨道交通牵引系统的谐波主要来源为上级背景谐波电压和牵引变整流机组不同运行方式产生的谐波电流。为轨道交通供电的公用电网在轨道交通未接入时110kvpcc点的背景谐波电压，数据可来自电力公司常年对该pcc点的电能质量监测与统计数据。假设电力公司提供的公用电网pcc点的背景谐波电压为uh,background，h＝h1,h2…hn，h为谐波次数。目前，国内关于城市轨道交通牵引系统采用24脉波整流机组的主流设计，24脉波整流机组左右单元可能不对称运行，极端情况下会出现单12脉波整流机组故障运行。24脉波整流机组在不同运行方式下可能产生5次、7次、12k±1(k＝1,2,3...)次和24k±1(k＝1,2,3...)次谐波电流。

(2)如图1所示，城市轨道交通牵引供电系统结构示意图。城市轨道交通作为城市电网的一个用户，城市电网通过主变电站对其进行供电。主变电站的主变压器将110kv高压电变换成35kv中压电，35kv供电网络将电能分配到每一个车站和车辆段内的牵引变电所和降压变电所。为了后面对牵引供电系统的分析，必须要了解系统、主变压器、牵引变压器和电缆的参数。设110kv母线的短路容量为sd，主变压器的容量为st，阻抗电压百分比为uk％，电缆的充电功率为qc。由此可以得到，系统阻抗、变压器阻抗和电缆的容抗，在35kv电压等级下分别为：

(3)如图2所示，城市轨道交通牵引供电系统等效谐波阻抗模型示意图。us,h为来自上级电网的背景谐波电压，ih为牵引整流机组产生的谐波电流，xs,h为折算到35kv电压等级的系统谐波阻抗，xt,h为折算到35kv电压等级的主变压器谐波阻抗，xc,h为电缆等效谐波阻抗。xl,h和rl,h为轨道交通牵引负荷的等效谐波模型。

(4)图2中的谐波电流源单独作用时，定义谐波电流系数为

若说明注入主变电所35kv出线的谐波电流被放大，牵引供配电系统中发生了并联谐振；说明无并联谐振产生。

图2中的谐波电压源单独作用时，定义谐波电压系数为

若说明来自110kv及以上系统的背景谐波电压在35kv系统被放大；说明无串联谐振产生。

(5)对上述图2的谐波阻抗模型进行仿真得到其谐波电压系数和谐波电流系数如图3所示。将谐波电压系数和谐波电流系数峰值对应的谐波次数h与牵引供配电系统谐波频谱分布比较。若发生串并联谐振的次数h附近存在牵引供配电系统的谐波分布，则需要利用配电网阻抗重构技术治理城市轨道交通牵引电缆引起的谐波放大问题。图3中谐波电压系数和谐波电流系数图所示，轨道交通不同运行方式下可能产生的谐波正好在谐振放大区域中。因此，需要利用配电网阻抗重构技术对牵引电缆引起的谐波放大进行治理，其治理装置设计的约束条件为使得所有的可能产生的谐波在牵引系统中均不存在放大的现象，即和

(6)配电网阻抗重构技术，如图4所示。在牵引供电系统35kv母线下并联一套配电网阻抗补偿装置。设该配电网阻抗补偿装置的补偿容量为qc1，配电网阻抗补偿装置的调谐次数为h0，电容器的基波容抗为xc1，电抗器的基波感抗为xl1，因此

由补偿容量和谐振次数的关系可得：

利用配电网阻抗补偿装置对配电网的阻抗特性进行重构，使得系统的串并联谐振点避开所有牵引系统可能产生的谐波次数。

(7)在牵引供电系统35kv母线下连接配电网阻抗补偿装置后，根据步骤(4)对谐波电压系数和谐波电流系数的定义可以得到，此时谐波电压系数和谐波电流系数的表达式为：

(8)对上述图4增加配电网阻抗补偿装置的牵引系统谐波阻抗模型进行仿真得到其谐波电压系数和谐波电流系数如图5所示。由图5可以看出，谐波电压系数和谐波电流系数在配电网阻抗补偿装置调谐点处的谐波系数较小，但是在其他点处，并没有大的改变，增加配电网阻抗补偿装置对配电网阻抗重构的效果不理想。牵引系统仍存在对系统可能产生的谐波的谐振放大现象，不满足治理装置设计的约束条件，因此需要对配电网阻抗补偿装置进行改进。

(9)为了使治理装置的治理效果达到设计要求，在配电网阻抗补偿装置的电抗器旁并联一个电阻rl1，以降低系统阻抗特性的品质因数。选取的电阻rl1＝5xl1左右，此时系统的谐波电压系数和谐波电流系数的表达式为：

(10)对上述图6增加重构后配电网阻抗补偿装置的牵引系统谐波阻抗模型进行仿真得到其谐波电压系数和谐波电流系数如图7所示。由图7可以看出，谐波电压系数和谐波电流系数在系统可能产生的谐波处均小于1，系统对背景谐波电压和谐波电流均不放大，满足治理装置的设计要求。

(11)对配电网阻抗补偿装置进行过电压，过交流和过容量校核，使其满足工程需要，其中过电压、过电流和过容量校核分别如下所示：

u＝uc1+∑ucn≤1.1ucn

q＝q1+∑qn≤1.35qn

式中：uc1为加在电容器两端的基波电压，ucn为加在电容器两端的n次谐波电压，ucn为电容器的额定电压。

i1为流过电容器(电抗器)两端的基波电流，in为流过电容器(电抗器)的n次谐波电流，in为电容器(电抗器)的额定电流。

q1为加在电容器上的基波容量，qn为加在电容器上的n次谐波容量，qn为电容器的额定容量。

若未通过安全校核，则重新对配电网阻抗补偿装置进行选型。

为了便于理解，下面结合一具体的示例进行说明；需要说明的是，下述示例中所采用的数值仅为举例，用户可根据实际的需求做相应的更改。

本示例中，牵引系统母线为35kv，母线的最小短路容量sd为1729mva，主变压器的容量st为63mva，阻抗电压百分比uk％为10.61％，电缆的充电功率qc为2.906mva。由此可以得到，系统阻抗、变压器阻抗和电缆的容抗，在35kv电压等级下分别为：

将上述得到的参数代入图2所示的阻抗模型中，仿真得到谐波电压系数和谐波电流系数如图3所示。该牵引系统对可能产生的11次和13次谐波均产生放大的现象，因此需要设计一个配电网阻抗补偿装置对配电网的阻抗特性进行重构。

设配电网阻抗补偿装置的补偿容量为1mvar，调谐次数为21。因此电抗器的电抗值和电容器的电抗值分别为：

为了使治理装置的治理效果达到设计要求，在配电网阻抗补偿装置的电抗器旁并联一个电阻rl1，以降低系统阻抗特性的品质因数。选取的电阻为

rl1＝5xl1＝5×2.784＝13.92ω

将上述配电网阻抗补偿装置连接在35kv母线下对配电网阻抗进行重构得到谐波电压系数和谐波电流系数如图7所示。由图7可以看出，谐波电压系数和谐波电流系数在系统可能产生的谐波处均小于1，系统对背景谐波电压和谐波电流均不放大，满足治理装置的设计要求。