高铁牵引负荷对电力系统暂态能量分布的影响

1　高铁牵引负荷的具体特征

在高速铁路运行过程中，工作电流非常大。而牵引变电所则需要为上性和下行4个供电臂提供电能，如果将各个供电臂按照3～4个列车组进行计算，那么将牵引变电所冲击电流折算至220kV，此时电流会达到104A左右；如果同时将邻近的牵引变电所连入到相同的220kV母线节点上，冲击电流会极大地增加，并且当接触网产生故障后，高铁的里程比较长会产生停电，并阻塞高铁正常通行。在进行供电抢修恢复时，按照220kV进行折算，产生的瞬时冲击电流值为104～105A左右。由于高铁负荷属于移动负荷，当动车组分别穿越两个供电臂时，可看作使冲击负荷从母线A处跳转至母线B处。因此，可短时间使途径电流线路的节点电压值和传输功率发生变化。

2　牵引负荷对暂态能量的影响

2.1　产生干扰后系统相角差、电压分布变化

等值两机的和系统的三种运行形态如图1所示。

图1　等值两机系统及三种运行状态

向量1-两端开拉角度值较低时的运行情况；向量2-小圆Q和圆点O相切后的运行情况；向量3-开拉角度过大时的运行情况；P-振挡中心电压的变化轨迹；Q-节点N电压的变化轨迹

随着扰动进一步变大，当等值两机之间的功角逐步＞180°时，支路的N-B相角差值会逐步下降到0°，然后变成负值，并且这一变化规律会不断地重复。但对于处在振荡中心位置的支路M-N，变化过程会持续保持变大，据此可得出不同位置支路的相角差分布规律。

电力系统受到的干扰不断增加会使等值两机系统之间的功率逐渐变大，当电力系统失去稳定性后，处于振挡中心位置的支路相角差会＞180°，并且该值会进一步增加。而对于没有处在振挡中心的支路，相角差会逐步从小变大，在其值达到最大后悔逐步降低，并且最大值会＜90°。

2.3　电力系统暂态势能分布受高铁的影响

一般来说，电网系统中在电抗过大或电压过低的位置容易积聚暂态势能，且电网的传输功率和暂态势能的积聚程度有联系密切。当电网中某个位置受到了较大的暂态能量冲击，电力系统的稳定性会越差，电力系统也会越脆弱。虽然高铁产生的牵引负荷不会直接影响电力系统的稳定性，但由于高铁负荷属于功率非常大的负荷，会使电力网络中经过的潮流分布情况出现短时间的变化，并对电压的稳定性造成影响，从而对电力系统的整体稳定性造成间接的影响。

3　案例介绍

某高铁动车组功率为18400kW，功率因素＞0.9。因为牵引变电所需下行或上行2个供电臂来进行供电，在此高铁动车组中，一般情况下较繁忙的干线的动车组会有3个左右。如果在计算时按照3个动车组计算，2个供电臂计算后得到的总功率为。为了进一步分析电力系统脆弱环节受牵引负荷的影响，选用WEPRI-36系统为例进行分析。BUS33和BUS29接牵引负荷和未接牵引负荷割集支路33-34、19-30这3种情况下的初始电压和初始功率见表1和表2。

表1　未接牵引负荷和支路19-30，33-34接入牵引负荷的初始分布

表2　未接牵引负荷和接与复合两种情况下初始电压值

根据表1可发现，未接牵引负荷时BUS33接迁移负荷时支路33-34、19-30初始功率比较低，BUS29接牵引负荷过大时，BUS29接牵引负荷支路33-34、19-30初始功率比未接牵引负荷时要更大，没有接牵引负荷时BUS33、BUS29初始电压值比较高。当牵引负荷在BUS29位置接入时，会在14-19交流线首部位置不能有三相瞬时故障出现，当故障在0.43s的位置切除时，系统会出现（7、8）群和（1，2，3，4，5，6）群失稳的情况。

BUS33受牵引负荷的影响，系统会在0.85s出现失稳的情况。并且，在BUS33和UBUS29都没有接入牵引负荷时，在0.62s时故障的切除时间才会出现失稳的情况。

当故障切除时间和牵引负荷时间依然处于0.43s时，可得到割集支路33-34、19-30势能的实际分布图如图2所示。

图2　BUS33接牵引负荷

结合图2可知，在相同扰动故障的情况下，如果在BUS29有牵引负荷接入，那么隔集支路33-34、19-30势能会接近于无界。而当有牵引负荷接入奥在BUS33时，有界范围内割集支路33-34、19-30的势能会产生非常小的变化。这一情况的出现主要是因为当高铁牵引负荷移动到BUS29时，从割集支路﹛33-34，19-30﹜的电压会随之降低，潮流会随之增加，导致原来已积聚很多的暂态能量依然积聚，从而使脆弱环节的系统丧失稳定性。并且，BUS33处有牵引负荷移动过来时，从割集支路﹛19-30，33-34﹜处经过的潮流会降低，会在一定程度上降低聚积的暂态能量，系统有着良好的稳定性。

分析BUS29、BUS33未接牵引负荷和接牵引负荷的三种情况，可知BUS29接牵引负荷会进一步破坏电力系统的稳定性，而BUS33接牵引负荷会在一定程度上缓解系统稳定性。由于牵引负荷属于双向移动负荷，当牵引负荷移动到暂态能量时会聚积很多能量，这些能量会进一步加剧暂态能量的聚积，进而对电力系统的稳定性造成影响。

4　结语

综上所述，本文以实际工程为例进行研究发现，如果接入牵引负荷加大了割集支路的输送功率，会进一步加剧隔集支路能量的聚积情况，并对电力系统的稳定性造成影响。当牵引负荷处在电力系统比较脆弱的环节时，一旦扰动电力系统，会使暂态能量大量地积聚，从而降低电力系统的稳定性，这种方法为识别电力系统脆弱环节以及控制电力系统提供了参考。

参考文献

[1]王晖，吴命利．牵引网低频振荡及其抑制方法的仿真分析[J]．电网技术，2015，（4）.

[2]施大发，吴传平．基于两相三线制变流器的高速铁路负序和谐波综合补偿新方法[J]．电工技术学报，2012，27（7）.

收稿日期：2017-12-04

作者简介：蒋辉（1984-），男，湖北武汉人，中铁十一局集团电务工程有限公司工程师，研究方向：电力施工。