Исследование о влиянии тяговой нагрузки от высокоскоростной железной дороги на качество электроэнергии
Тяговая нагрузка от высокоскоростных электрифицированных железных дорог отрицательно сказывается на качестве электроэнергии. Тяговая нагрузка требует питания от энергосистемы с большой мощностью короткого замыкания. При этом она влияет на работу энергосистемы, и с этим влиянием необходимо считаться. На высокоскоростной железнодорожной линии Ухань-Гуанчжоу (Китай) используется однофазная тяговая система электроснабжения с напряжением 220 кВ. На основе анализа текущего состояния этой системы было проведено исследование влияния тяговой нагрузки на небаланс потребляемого тока и на стабильность энергосистемы в целом.
Для получения объективной информации о процессах в сети на тяговой подстанции была установлена система мониторинга качества электроэнергии. Были проанализированы данные о токах и напряжениях, и оценено влияние тяговой нагрузки на показатели качества электроэнергии. Исследования показали, что наихудшее влияние на качество электроэнергии оказывает асимметрия токов в трехфазной системе. Поскольку региональные сети обычно имеют секционированные системы шин, включение однофазных трансформаторов во все фазы для балансировки нагрузки в трехфазной системе не всегда приводит к желаемому результату. В работе предложен алгоритм управления системой тягового электроснабжения, который позволяет повысить надежность работы электросети и качество электроэнергии в ней. Полученные результаты позволяют говорить о целесообразности применения предложенного подхода на практике.
Высокоскоростные электропоезда отличаются большой пропускной способностью и энергоэффективностью, что позволяет считать их экологически чистым видом транспорта. В соответствии с планом долгосрочного развития транспортной инфраструктуры, принятым Национальным комитетом по развитию и реформам, в КНР предполагается строительство высокоскоростных электрифицированных железных дорог для повышения пропускной способности основных железнодорожных магистралей.
По сравнению с традиционными электрифици-рованными железными дорогами высокоскоростные железные дороги работают с существенно большей загрузкой, что требует более надежных и мощных систем тягового электроснабжения, которые должны быть устойчивы к большим пиковым нагрузкам. Государственная электросетевая компания Китая в 2009 г. провела исследование, касающееся систем тягового электроснабжения, в котором особое внимание уделялось проблемам высших гармоник и небаланса. В результате было обнаружено, что тяговые нагрузки приводили к ухудшению качества электроэнергии в электросетях общего назначения.
Высокоскоростная железная дорога Ухань-Гуанчжоу была введена в эксплуатацию в конце 2009 г.
Поезда могут развивать скорость до 350 км/ч, причем дорога работает в очень плотном графике – порядка 150 поездов в день. Планируется, что поезда от Гуанчжоу в Ухань будет следовать в среднем каждые 15 минут, а самый короткий интервал между поездами от Гуанчжоу до Чангши составит 5 минут. В таких условиях влияние тяговой нагрузки на качество электроэнергии уже нельзя игнорировать. При этом характер влияния на энергосистему новых нагрузок отличается от влияния традиционных тяговых подстанций, в частности уровень высших гармоник стал ниже, в то время как токи обратной последовательности, напротив, возросли. Таким образом, для решения проблем с качеством электроэнергии и дальнейшего развития высокоскоростных железных дорог необходимы дальнейшие исследования.
Характеристики тяговых нагрузок
Общие сведения о тяговых системах электроснабжения
Для нормального функционирования высокоскоростных железных дорог требуется система электроснабжения с большой мощностью короткого замыкания. При этом тяговая электросеть может соединяться с общей энергосистемой через однофазные трансформаторы, трехфазные трансформаторы, соединенные в разомкнутый треугольник или уравнительные трансформаторы. В Китае в основном применяются однофазные трансформаторы по причине их низкой цены.
Однофазная система электроснабжения (220 кВ) высокоскоростной железной дороги Ухань-Гуанчжоу показана на рис.1. Основным источником питания являются ЛЭП А и В (220 кВ), питаемые от узловых подстанций 500 кВ, и электростанция 220 кВ. Для питания тяговой сети используются два однофазных трансформатора, первичные обмотки которых подключены к фазам А и В линий А и В. В нормальном режиме работы один из рансформаторов питает контактную сеть, а второй находится в резерве. Один из выводов 27,5 кВ трансформатора заземлен, а второй разведен по линиям T и F. Обычно для питания используется линия T, а линия F находится в резерве.
Тяговая подстанция может рассматриваться как источник токов обратной последовательности и токов гармоник, распространение которых показано на эквивалентной схеме на рис.2. Для оценки влияния тяговой нагрузки на качество электроэнергии на подстанции А (220 кВ) установлена соответствующая система контроля. Эта система контролирует напряжение на шине 220 кВ подстанции А, а также ток и мощность нагрузки на линии А.
График тяговой нагрузки
Основная доля нагрузки тяговой подстанции приходится на собственно электрическую тягу, т.е. на мощность, потребляемую поездами на данном участке железной дороги. Как правило, поезд находится в одном из трех режимов: ускорение, движение с постоянной скоростью и торможение до полной остановки.
График нагрузки, показанный на рис. 3, построен для линии А. Активная мощность изменяется в зависимости от дорожной ситуации. При ускорении поезда потребляется наибольшая активная мощность, а при торможении она даже становится отрицательной, т.е. отдается в сеть. Источником реактивной мощности преимущественно является распределенная емкость распределительного кабеля, которая не зависит от режима работы железной дороги.
Поскольку активная нагрузка тяговой подстанции зависит от интенсивности движения по железной дороги, она будет испытывать непрерывные флуктуации, как показано на рис. 4.
Ток, потребляемый тяговой нагрузкой
В нормальном режиме работы железной дороги питание нагрузки осуществляется линией А. Учитывая, что распределенная емкость магистрального кабеля 220 кВ на землю весьма велика, и то, что распределенной емкостью тяговой сети 27.5 кВ также нельзя пренебречь, система тягового электроснабжения может быть представлена упрощенной схемой замещения, показанной на рис.5.
На рис. 6 показан ток нагрузки, идущий по линии А во время подъезда поезда к питающей секции, торможения и повторного разгона. При этом ситуация полностью соответствует схеме замещения, показанной на рис. 5. Емкостная составляющая тока фазы С составляет порядка 80 А, а тяговый ток в фазе В или С составляет 150-200 А. Как следствие будет наблюдаться значительная асимметрия нагрузки по току.
Способность энергосистемы выдерживать небаланс, обусловленный тяговой нагрузкой
Поскольку напряжение на шинах подстанции А близко к напряжению тяговой подстанции, можно считать, что распределенное емкостное сопротивление Xc кабельной ЛЭП относительно земли подключено непосредственно к шине 220 кВ подстанции А. Соответственно, относительно шины 220 кВ подстанции А эквивалентное напряжение в системе составит 
, эквивалентный импеданс системы – 
, а мощность короткого замыкания – 
. Учитывая, что тяговая нагрузка PLD = UavI, и 
, получим выражение для коэффициента небаланса на шине 220 кВ:
Из формулы (1) можно видеть, что способность системы выдерживать тяговую нагрузку определяется ее мощностью короткого замыкания. В соответствии с требованием, приведенным в GB/T15543-1995, коэффициент небаланса по напряжению не должен превышать 2%. Чтобы выполнить это требование, при тяговой нагрузке 100 МВА мощность короткого замыкания должна составлять не менее 2886.84 МВА, что труднореализуемо для сети 110 кВ. Таким образом, тяговая подстанция должна интегрироваться в сеть 220 кВ. На рис.7 показана зависимость небаланса по напряжению от величины тяговой нагрузки.
Аналогично, способность системы выдерживать импульсные (кратковременные) нагрузки также определяется мощностью короткого замыкания. Чем больше мощность короткого замыкания, тем слабее влияет на сеть тяговая нагрузка.
Влияние на качество электроэнергии
Влияние скачков небаланса при тяговой нагрузке
На тяговой подстанции ток обратной последовательности I2 нагрузки равен току прямой последовательности I1, и коэффициент небаланса по току Ki= I2/I1=100%. Из-за симметрирующего влияния емкостного тока в кабельной линии, степень небаланса по току и напряжению на подстанции А 220 кВ будет ниже. Графики коэффициентов небаланса по току в линии А и по напряжению на шине 220 кВ показан на рис.8. Коэффициенты рассчитаны на основе реальных данных, полученных от системы мониторинга качества электроэнергии, установленной на подстанции А.
Из полученных данных можно видеть, что максимальный коэффициент небаланса по току при большой тяговой нагрузке может быть свыше 90%, вследствие чего коэффициент небаланса по напряжению может достигать 0.25%. На практике коэффициент небаланса по напряжению может успешно соответствовать требованиям, установленным в документе GB/T 15543-1995, согласно которому небаланс по напряжению не должен превышать 2%.
В то же время нельзя забывать и о влиянии скачков тяговой нагрузки на стабильность величины напряжения. На рис. 9 показана реальная ситуация с фликером. Дозы фликера, измеренные для интервалов в 10 минут и 2 часов, не достигают пределов, установленных в GB/T 12326-2000, где сказано, что доза фликера за 10 минут не должна превышать 0.8%, а за 2 ч – 0.6%. В соответствии с вышеприведенным анализом, если одиночная тяговая подстанция питается от мощной энергосистемы, возникающие из-за тяговой нагрузки небаланс и просадки могут мало влиять на качество электроэнергии. Соответственно показатели качества электроэнергии могут укладываться в рамки требований стандартов.
Влияние токов гармоник
Поезд потребляет постоянный ток, поэтому для его питания от сети переменного тока требуются выпрямители. Теоретический анализ показывает, что выпрямители с числом фаз k генерируют токи гармоник с частотой 2k±1, и для двухфазного выпрямителя наибольший уровень будет иметь третья гармоника.
Гармоники напряжения и тока, показанные на рис.10, преимущественно обусловлены влиянием тяговой нагрузки. В период с 06:00 по 24:00, когда железная дорога наиболее загружена, уровень 3-й гармоники существенно выше, чем в остальное время. В то же время, ток гармоник вызывает появление гармоник напряжения на шине 220 кВ подстанции А, при этом уровень 3-й гармоники также выше, чем у остальных гармоник.
Напряжение 3-й гармоники колеблется в пределах 500…800В, что соответствует относительному уровню менее 0.35%. При этом коэффициент искажения синусоидальности напряжения составляет около 0,7%. Это означает, что как уровень гармоник, так и коэффициент искажений укладываются в требования GB/T 14549-1993. Исходя из вышеприведенного анализа, можно утверждать, что если тяговая подстанция питается от достаточно мощной энергосистемы, влияние тяговой нагрузки на качество электроэнергии несущественно.
Выводы на основе проведенного анализа
На основании анализа, основанного на данных, полученных на однофазной системе тягового электроснабжения 220 кВ высокоскоростной железной дороги Ухань-Гуанчжоу (участок Гуанчжоу), можно сделать следующие выводы:
- тяговая нагрузка, связанная с работой высокоскоростной железной дороги, носит колебательный характер и является источником высших гармоник и токов обратной последовательности, что оказывает негативное влияние на энергосистему в целом;
- система тягового электроснабжения, предложенная в данной работе, интегрируется в энергосистему с большой мощностью короткого замыкания, что позволяет нивелировать влияние тяговой нагрузки на качество электроэнергии;
- наиболее существенным фактором, влияющим на качество электроэнергии, является небаланс трехфазного тока, обусловленный тяговой нагрузкой.
Коэффициент небаланса по току при наличии большой тяговой нагрузки может достигать 90%. Поэтому должен производиться мониторинг этого показателя. Кроме того, следует принимать во внимание возможное влияние этого небаланса на средства релейной защиты. Динамичное развитие высокоскоростных железных дорог может привести к значительному повышению доли тяговых нагрузок. При этом возникает необходимость создания более надежных систем электроснабжения, что требует тесного взаимодействия между сетевыми операторами и железнодорожными компаниями для решения проблем, связанных со строительством и эксплуатацией высокоскоростных линий.
Мы рассмотрели алгоритм управления системой тягового электроснабжения, который позволяет повысить надежность работы электросети и качество электроэнергии в ней. Полученные результаты позволяют говорить о целесообразности применения предложенного подхода на практике.
