地铁供电系统对电网电能质量影响的仿真

地铁供电系统对电网电能质量影响的仿真

丁建祎侯健

沈阳地铁集团有限公司运营分公司辽宁省沈阳市110000

摘要：城市轨道交通供电系统负荷不连续，变化较大，会引起电压和频率问题，整流机组含有大量的非线性器件，使得电网中产生大量的谐波，可能威胁到电网的安全稳定运行。基于PSCAD/EMTDC搭建了牵引站仿真模型，同时依据武汉轨道交通机场线的实际数据，建立了整个机场线仿真模型，并分析了公共连接点处谐波、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡度、频率偏差等电能质量数据。仿真结果与理论分析墓本一致，验证了所搭建模型的正确性和合理性。最后，对轨道交通机场线供电系统电能质量问题提出了相应的建议和措施。

关键词:地铁；供电系统；电网电能；质量；仿真研究

引言

随着我国经济的快速发展，城市基础设施建设越来越发达。轨道交通作为一种能解决大中型城市交通拥挤问题的综合大型公共交通工具，因其方便快捷、安全可靠受到了社会各界的紧密关注。供电系统在城市轨道交通中起着心脏的动力作用，主要由中压环网系统、牵引供电系统和动力照明等低压配电系统组成，供系统必须要安全可靠运行，否则整个轨道交通都将瘫痪。但是在牵引供电系统中，牵引负荷具有非线性、非正弦性、非对称性、非连续性的“四非”特性，同时，牵引供电系统中的整流装置采用多脉波整流技术，其中含有大量非线性整流元件，再加上动力照明供电系统中的非线性负荷、大量的荧光灯、变频器及部分软启动装置等，会使整个轨道交通产生一定的谐波，造成电网侧电压电流波形畸变。由于机车的频繁启动和制动，机车不连续地从电网取用功率，并且机车属于冲击性负荷，所以会有电压偏差、电压波动和闪变以及频率偏差等问题。

1轨道交通供电系统发展及现状

电力牵引用于轨道交通已有100多年的历史，随着经济和科学技术的不断发展，用于轨道交通的电力牵引方式有许多不同的制式出现。这里所说的制式是指供电系统向电动车辆或电力机车供电所采用的电流和电压制式，目前均采用直流供电方式，电压等级有600V,750V,1200V,1500V等多种，用于不同国家及不同需求的轨道交通线路。我国自1969年建成北京第一条地下铁道之后，至今多个城市己经开通运营地铁，供电系统在外部电源供电方案上主要有两种:1OkV分散供电和35kV(33kV)集中供电，目前以集中供电方式为主;牵引供电制式主要有DC750V接触轨、DC750V接触轨、DC1500V接触轨、DC1500V接触轨等多种[!81:目前发展趋势是选用更高电压等级的供电方案。

2轨道交通供电系统原理

2.1轨道交通供电系统

供电系统是整个轨道交通运营的动力源泉，负责电能的供应运输，为电动列车牵引供电和提供车站、区间、车辆段、控制中心等其他建筑物所需要的动力照明供电。供电系统应具有安全性和可靠性，以保证供电。总的来说，供电系统主要由电源、牵引变电所为主组成的牵引供电系统和降压变电所为主组成的动力照明供电系统组成。具体到线路网络就是:地区变电站与轨道交通变电站之间的输电线路、轨道交通内部牵引降压输配电网络以及直流牵引供电网和低压配电网。典型供电系统的原理如图l所示。电源一般引自城市电网中来自不同供电上级的2处电源;牵引供电系统主要由牵引变电所、架空馈电线、牵引机车、轨道、回流线等组成;动力照明系统负责地铁的照明、电梯、通风、空调、UPS电源、计算机、变频器等设备的供电。目前，供电系统多采用两级电压制的集中供电方式，DC1500/750V的架空接触网输电，动力照明供电系统电压为交流AC220/380V。

2.2轨道交通牵引变电所整流机组

现代电力系统中非线性元件的大量使用以及电力电子装置的大规模应用，使得电力系统中产生大量的谐波。轨道交通供电系统中的谐波主要由牵引整流机组和动力照明系统2部分产生。这些谐波会对城区电网、照明等低压配电系统以及35kV中压环网产生影响。例如:消耗供电系统的无功储备、产生额外的线路损耗、影响保护装置的可靠运行、使牵引电机产生额外的热损耗以及对通信设备产生电磁干扰等。所以为了减少谐波对电力系统的危害，保护电网的安全运行以及其他供电设备的安全。在这里整流机组采用产生谐波较少的24脉波整流技术。

3地铁系统供电仿真研究

3.1软件介绍

地铁供电系统仿真软件，是由德国轨道交通研究所开发的、用以支持网络化轨道交通电气化仿真的软件系统。该软件的最大特点是能够对网络化轨道上运行的列车群的情况下开展全网络电气化动态仿真，能够支持网络化轨道交通的电气化建模.与求解，能够获得列车供电和电流曲线、列车受电力电压、电气设备的供电和电流特性、接触线电压特性、短路电流等级、接触电压评估的轨对地电位、接触网系统的电流分配、沿线电磁磁场以及列车和馈电段的电力和能耗。特别的，该软件支持开展不同车辆运营密度一与牵引供电设备的相互约束与影响。

3.2牵引负荷的特点

3.2.1规律性

一是列车运行有规律，严格按照事先规定好的列车运行图运行。如列车高峰小时车流密度为吵对龟列车发车间隔吵凡全线的列车将按照此运行计划控制列车运行。二是列车取流有规律，列车在线路运行时，有1种运行方式，即起动、惰行、制动、停车。这1种运行方式在运行中很有规律地重复，即列车离站时起动加速几秒带电运行，从牵引网取大电流，达到预定速度后电流开始下降，车速越高，电流越小，运行取流几十秒后列车断电，开始靠惯性惰行，进站前列车再生制动，向电网反送电，到站停车几秒后又起动，如此周而复始。

3.2.2流动性

流动性反应在两点，一是列车是移动的物体，列车运行中在线路的位置随时在移动;二是列车在移动的过程中由十牵引工况变化从牵引网取得的电流随时在变化，因此也引起了电网网压的变化，具有流动性的特点。

3.3牵引供电计算方法

牵引供电计算通过数学分析，从等效、发热、能量守恒的观点出发，找出计算方法。根据牵引负荷的特点，目前有两种计算方法:平均运量法和运行图法。这两种计算方法都是建立在牵引计算结果的基础上，都是从电流的等效、发热的观点出发进行计算的。这两种计算方法，对于地铁牵引供电设计均可采用。只是后者对计算瞬时值比较直观，前者对计算有效值比较直接。第一，平均运量法。这一方法是建立在概率论的基础h，即列车在线路上是均匀分布的，因列车运行的规律性，从列车平均电流、有效电流，计算馈线平均电流、有效电流，利用方差定律计算牵引变电所的有效电流。第二，神运行图法。这一方法是建立在列车运行图基础上的，严格按照列车运行图和列车所在位置的电流值，计算出馈线在不同时间的电流值，丽出馈线电流曲线，并计算出馈线有效电流和变电所有效电流;具有较高的计算精度和实际参考意义。牵引供电计算在地铁供电方案的构成中占有很重要的地位，因为它关系到供电系统及牵引供电方式的构成，牵引变电所的分布、数量及容量的选择。目前随着计算机技术的飞速发展，可以通过计算机实现地铁供电系统的运行图法模拟仿真，提高计算的精度，更好的指导工程设计。

结束语

通过理论分析介绍了轨道交通供电系统的各电能质量问题，然后基于PSCAD/EMTDC对机场线可能引起的电能质量问题进行分析，得到了供电系统引起的谐波、电压、频率等问题的具体影响程度。通过仿真数据与理论分析的比较证明了模型的正确性和本文提出的电能质量分析方法的有效性。

参考文献：

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