一種計算電氣化鐵路的諧波和負序電流的方法
2023-05-31 10:44:41
專利名稱：一種計算電氣化鐵路的諧波和負序電流的方法
技術領域：
本發明涉及電力系統中關於諧波潮流和負序電流的計算，特別是適用於電氣化鐵路產生的諧波潮流和負序電流的計算。
背景技術：
電力系統諧波分析是根據給定的電網結構，參數以及負荷，諧波源濾波器等元件的運行條件，通過諧波潮流計算確定系統中諧波電流的分布以及各部分的電壓和電流波形的畸變程度，或通過計算網絡的頻率響應判斷系統是否臨近諧波諧振狀態以及怎樣減小系統諧振發生的可能性的計算。電氣化鐵路供電系統通常都是兩相系統，與常規的三相電力系統在拓撲有著很大的不同，因此在進行電氣化鐵路產生的諧波和負序電流分析計算，以確定其諧波電流和負序電流在常規三相電力系統的分布以及各部分的電壓和電流波形的畸變程度時，需要首先進行系統變換，使兩相的牽引供電系統與三相電力系統在拓撲結構上統一起來，才能進行諧波分析和負序電流的計算。頻率掃描是計算電網對不同頻率的單位電流源的響應的一種計算方法。頻率掃描通過選擇任意頻率段、頻率間隔進行全網的頻率掃描計算，得到所選母線的輸入端阻抗的頻率掃描或兩條母線的轉移阻抗的頻率掃描。根據頻率掃描可進一步確定系統的並聯諧振頻率和串聯諧振頻率。電力系統諧波潮流計算的模型主要有以下三種1、單相模型在假設整個電力系統對稱的前提下，對系統中的元件採用其單相模型，用一相代表三相來進行計算；2、三相模型考慮到電力系統本身的不對稱性，對系統中的元件採用其三相模型進行計算，得到各相諧波潮流的分布情況；3、序模型考慮到電力系統本身的不對稱性，通過對稱分量法得到電力系統中元件的三序模型，把整個電力系統分成三個序系統進行計算到到各序潮流的分布情況。這三種模型中，單相模型比較粗糙，但節點導納矩陣的維數小，計算簡便，適合於粗略估算；後兩種模型計算其實是可以通過對稱分量法相互轉化的。三相模型潮流計算可以直接得到系統中各節點的三相電壓的幅值和相角，進而得到各支路的三相幅值和相角； 序模型需要先求出個節點電壓的三序分量，然後通過對稱分量法間接求得節點的電壓，，進而求出之路的電流，但是三序分量法可以把3nX3n的導納矩陣轉化為3個nXn的導納矩陣，大大減少了計算量。電力系統中的許多元件，或多或少都有些三相不對稱。在基波潮流計算中，其不對稱性並不明顯，但是在諧波計算中，不對稱性變得很突出，此外有些諧波源，如電力機車，本身就是不對稱的，需要進行三相諧波潮流計算。電力系統中存在發電機、電力變壓器、輸電線、負荷等多種元件。這些元件的諧波模型各不相同，同一元件不同頻率下的阻抗也各不相同。在進行諧波計算前，首先要確定這些電力元件的諧波模型及其諧波阻抗，形成不同頻率的諧波網絡，才能進行相應的諧波計
笪弁。電氣化鐵路在我國飛速發展，根據國務院批准的《中長期鐵路網規劃》，到2020 年，我國電氣化鐵路總裡程將達到5萬公裡，主要幹線鐵路將實現電氣化，鐵路電氣化率約為50%，承擔80%以上的運量。隨著電氣化鐵路建設的飛速發展，為電氣化鐵路供電的牽引供電系統也將快速擴大，電氣化鐵路對電網的影響日益突出。我國電氣化鐵路牽引負荷是採用單相工頻交流電供電，破壞了電力系統的對稱運行條件。當三相電力系統向它供電時，系統中將出現大量的負序分量；同時，由於在機車上採用了整流設備，使系統中產生了高次諧波分量。電氣化鐵路牽引變電站接入電網後，將向系統注入大量的諧波和負序電流， 處理不善，將嚴重危害公共電網運行的安全性和可靠性。因此，如何確定電氣化鐵路諧波和負序電流對周圍電網的危害是十分重要的。
發明內容
為了進行諧波潮流計算，本發明在電力系統分析綜合程序(PSASP)平臺上，建立了電網中一般元件的諧波模型。每種元件都有多種諧波模型可以選擇，提高了本方法的適用範圍。本發明還提供了一種牽引供電系統等效方法，將牽引供電系統中的牽引變壓器、並聯補償和牽引負荷的兩相參數轉換到與三相電力系統拓撲結構相對應的三相參數，從而使本方法能夠進行電氣化鐵路產生的諧波和負序電流計算，極大的提高了本計算方法的適用範圍。本發明提供了頻率掃描、單相諧波計算、三相對稱計算、三相不對稱計算和負序計算五種計算方法來定量計算電網中的諧波潮流和負序電流。本發明對應的諧波潮流和負序電流計算方法是以電力系統分析綜合程序(PSASP) 的電力系統常規潮流計算為基礎，確定電網運行方式和各元件的諧波模型後，進行相應的計算。尤其是在計算電氣化鐵路產生的諧波潮流和負序電流時具有顯著的優勢。該方法的主要特點有(1)提供電網中各元件的多種諧波模型，並可以考慮交流線、變壓器和負荷的集膚效應；( 提供多種無緣濾波器模型，方便選擇；C3)在電力系統分析綜合程序(PSASP)中建立牽引供電系統的模型，使得在計算電氣化鐵路的諧波和負序電流時具有顯著的優勢；(4)針對不同用戶的需求，提供多種諧波潮流計算算法，用戶可以自主進行選擇；( 可計算電壓畸變率、電流畸變率等多種諧波計算指標(6)本方法中引入相關的國家標準，可以直接查看計算指標結果是否符合超出國標限制；(7)計算結果的多種輸出方式，可以輸出到Execl和文件中，方便用戶查看。
圖1為諧波計算流程圖。圖2為IEEE交流線模型。圖3為CIGRE變壓器模型。圖4為濾波器通用模型。圖5為牽引變壓器次邊埠等效模型。圖6為牽引供電系統三相等效模型
具體實施例方式本發明為進行電網諧波潮流計算的具體實施方案流程，如圖1所示，一個簡單的計算流程可描述為a.作業定義，在電力系統分析綜合程序(PSASP)中確定電網的運行方式；b.在確定電網中各元件的諧波模型，包括諧波分析指標等；c.若電網中有牽引變壓器，則建立牽引變壓器的模型，在電力系統分析綜合程序 (PSASP)中直接輸入牽引變壓器基本參數及其低壓側電氣化鐵路產生的諧波數值和負序電流數值，本方法將牽引供電系統的兩相參數轉換為三相參數；若沒有牽引變壓器，則跳過此步，直接進入步驟d;d.選擇計算內容；e.進行諧波或負序電流計算；f.結果輸出。具體到方法的各個實現環節有(1)作業定義。在電力系統分析綜合程序(PSASP)中由工作人員選擇電網的運行方式，即諧波潮流計算開始前電網的運行狀態，電網中各節點的電壓幅值及其相角，電網的潮流分布等。(2)指定電網中各元件的諧波模型電力系統中有多種元件，實際情況中每種元件也有多種不同的諧波模型。計算中採用元件不同的諧波模型，對計算結果有著很大的影響。諧波計算中所涉及到元件有交流線、負荷、電力變壓器等，為了使計算結果更加精確，本發明提供了這些元件的多種諧波模型，工作人員可以根據實際情況，選擇合適的元件模型進行計算。①同步發電機的諧波模型合格的發電機，其電勢可以認為是純正弦的，即不含有諧波，因而發電機電勢只存在基波網絡。可以用一個連接在發電機端點的並聯阻抗來進行模擬。它是一個線性阻抗， 可以從次瞬變電幹或負序電感推導出。
權利要求
1.一種計算電氣化鐵路的諧波和負序電流的方法，其特徵在於包括以下主要步驟a.作業定義，在電力系統分析綜合程序(PSASP)中確定電網的運行方式；b.確定電網中各元件的諧波模型；c.若電網中有牽引變壓器，則在電力系統分析綜合程序(PSASP)中建立牽引變壓器的模型，直接輸入牽引變壓器基本參數及其低壓側電氣化鐵路產生的諧波數值和負序電流數值，本方法將牽引供電系統的兩相參數轉換為三相參數；若沒有牽引變壓器，則跳過此步， 直接進入步驟d;d.選擇計算內容；e.進行諧波或負序電流計算；f.結果輸出。
2.根據權利要求1所述的計算電氣化鐵路的諧波和負序電流的方法，其特徵在於在電力系統分析綜合程序(PSASP)中建立了電網中常用元件的多種諧波模型，根據電網實際情況選擇不同的模型進行計算。
3.根據權利要求1所述的計算電氣化鐵路的諧波和負序電流的方法，其特徵在於本方法利用牽引變壓器的電流、電壓轉換矩陣及其相應的逆陣，將牽引變壓器的漏抗、牽引負荷與並聯補償的兩相參數轉換為三相參數，使得兩相牽引供電系統與三相電力系統在拓撲結構上統一起來，直接使用三相系統的諧波和負序電流計算方法來計算牽引變壓器的產生的諧波和負序電力對電力系統的影響。
4.根據權利要求1所述的計算電氣化鐵路的諧波和負序電流的方法，其特徵在於選擇多種不同的濾波器進行諧波計算，仿真濾波器的諧波抑制效果，幫助工作人員選擇最合適的濾波器治理電網諧波。
全文摘要
電力系統諧波分析是根據給定的電網結構，參數以及電網運行方式，通過計算確定系統中諧波電壓和諧波電流，或通過計算網絡的頻率響應判斷系統是否臨近諧波諧振狀態以及怎樣減小系統諧振發生的可能性的計算。一種計算電氣化鐵路的諧波和負序電流的方法根據電網的實際情況，建立了電網中一般元件的諧波模型。本發明還提供了一種新的牽引供電系統等效方法，將牽引供電系統中的牽引變壓器、並聯補償和牽引負荷的兩相參數轉換到與三相電力系統拓撲結構相對應的三相參數。一種計算電氣化鐵路的諧波和負序電流的方法，根據電網運行方式確定各元件的諧波模型，進行相應的計算。尤其是在計算電氣化鐵路產生的諧波潮流和負序電流時具有顯著的優勢。
文檔編號H02J3/01GK102570460SQ201010586908
公開日2012年7月11日 申請日期2010年12月14日 優先權日2010年12月14日
發明者孫建波, 安寧, 李大虎, 李小平, 李文臣, 李淼, 陳興雷 申請人:中國電力科學研究院, 湖北省電力公司