电气化铁路对风电场的影响有哪些「风电场对生态环境的影响」

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电气化铁路牵引负荷是单相冲击性负荷，对供电电网和邻近的电气设备会产生很大影响。风电机组由于广泛采用电力电子设备，抗扰动能力较弱，因此容易受到电气化铁路牵引负荷的影响。本文通过对实际测试数据的分析，从机理上阐述了电气化铁路影响风电场和风电机组运行的原因，并提出解决措施。

“十一五”期间我国铁路将建设新线1.7万公里，2010年全国铁路营业里程将达到9万公里以上，其中电气化率达到45%以上。根据《中长期铁路网规划》，到2020年中国铁路营业里程将达到12万公里，电气化铁路总里程将达到一半。随着电气化铁路建设规模的不断扩大，运输效率极大的提高，具有随机波动性和单相不对称性的电气化牵引负荷对供电电力系统电能质量影响很大。

风电作为一种清洁的可再生能源，近年来我国并网风电的发展速度很快，风电场的建设和运行要充分考虑风电场接入电网的实际情况，也就是说需要对大型风电电源、电网，以及负荷进行总体的考虑，满足电力系统中的基本平衡关系，实现电网和风电场稳定运行。

风电场并网点电网情况对风电场的运行非常重要，电气化铁路对电网电能质量的恶化引起风电场不能正常运行的事例在国内已有发生。随着电气化铁路和风力发电两者的快速发展，电气化铁路负荷必将越来越多的影响到风电场的运行，两者之间的矛盾还将更加突出。

本文介绍了电气化铁路负荷的特点，并结合现场测试数据分析了电气化铁路对风电场的影响。文章最后就如何消除和减小电气化铁路负荷对风电场的影响给出了建议。

1 电气化铁路的供电特点

电气化铁路牵引供电系统由电网电源、牵引变电站、牵引网三大部分组成[1]。牵引供电系统根据其输出电流的种类可分为直流制和交流制，由于交流制牵引供电系统具有恒功率范围宽、效率和功率因数高、可用于大功率机车、有利于促进高速重载运输发展等优点和特点，所以交流制是牵引供电系统发展的方向。

牵引变电站的功能是将三相110KV(或220KV)高压交流电变换为适合电力机车使用的单相(或两个单相)27.5KV的交流电，然后向铁路上、下行两个方向的接触网(额定电压为25KV)供电；牵引网部分包括馈电线、接触网、轨道、大地及回流线，其主要功能是将牵引变电站的电能送到电力机车，并且把轨道、大地中的牵引回流电流导入牵引变电站，电气化铁路牵引供电系统如图1所示。

图1 电气化铁路牵引供电系统示意图

尽管工频单相交流牵引供电系统以其利用率高、接线简洁等因素成为目前优先考虑的接线方式，但由于其结构和电气化铁路负荷的特殊性使得谐波电流、负序电流以及冲击功率等诸多问题比较突出，主要体现在以下方面。

①无功功率和谐波电流

我国绝大部分电力机车采用交-直电力机车，此类电力机车的供电是通过变压器降压、整流供给直流牵引电机。机车直流牵引电机各由一套整流装置供电，整流装置大多采用单相晶闸管相控整流制式。由于电机为感性负荷，采用移相触发控制牵引绕组侧交流电流会发生相移，为了解决相移问题，整流电压串联后经平波电抗器后供给直流牵引电机。

机车牵引采用脉冲直流电机和平波电抗器抑制电流脉动，这样变流器所输出的交流电流为方波，导致牵引供电网功率因数降低、谐波含量高，尤其以奇次谐波更为严重。目前国产运行的电力机车很少装有滤波设备，随着电力机车负荷的增加，谐波电流注入电网的情况越来越严重，电气化铁路牵引站所需补偿的动态无功功率容量也越来越大。

②负序电流

我国电气化铁路机车牵引站的牵引变压器通常选用单相联接、单相V形联接、Yn/d11联接等形式的变压器进行电压等级的变换。纯单相联接时，虽然变压器利用率高，运营维修方便，造价低廉，但是电力系统的电流不对称系数为1，三相不对称现象严重；V型联接和Yn/d11联接的牵引变压器电流不对称系数与两供电臂的负载电流幅值以及功率因数角的差值等有关。

铁路机车牵引负荷是功率大（单台机车可达9MW）、空间和时间分布随机性强的单相负荷，导致供电电网电流不对称现象普遍存在，负序电流的产生对电力系统和用户产生很大影响。

2 电气化铁路对风电场的影响

电气化铁路对其供电电网电能质量产生影响，进而影响风电场的运行。风电场受影响的严重程度与电网电能质量、风电场以及风电场内风电机组的抗扰动能力等因素有关。

2.1 电气化铁路对风电场电能质量的影响

电气化铁路牵引负荷对其供电电网电能质量影响很大，尤其是电压三相不平衡度，如果此区域电网有风电场接入，风电场就会受到铁路牵引负荷的影响，这一情况在对大唐三门峡风电场并网点电能质量测试时得到验证。

大唐三门峡风电场及其周边电网接线示意图如下图2所示，该风电场通过110kV线路将风电场的电能送到220kV虢都变电站的110kV母线。电气化铁路牵引站(三门峡牵引站)由110kV会兴变电站供电，110kV会兴变电站正常运行时由220kV虢都变电站供电，110kV会兴变电站的备用供电变电站为220kV甘棠变电站，220kV甘棠变电站与三门峡风电场电气距离较远，220kV虢都变电站与三门峡风电场电气距离很近。

分别测试110kV会兴变电站由220kV甘棠变电站供电和220kV虢都变电站供电的情况下，风电场并网点电压偏差情况、三相电压不平衡度情况、谐波电压情况。

测试结果如表1所示，电铁牵引站负荷由220kV甘棠变电站供电时，测得风电场并网点电压偏差、三相电压不平衡度、谐波电压等特征量值明显小于电铁牵引站负荷由220kV虢都变电站供电时测得值，说明电气化铁路牵引负荷通过影响与风电场电气距离近的220kV虢都变电站，进而影响风电场正常运行。

图2 三门峡风电场及周边电网接线示意图

表1 三门峡风电场并网点电能质量测试结果

目前，风电机组所接入电网如发生较大扰动，包括系统电压变动、谐波、三相电压不平衡、系统频率变化等，风电场各台风电机组几乎都不主动参与扰动削弱或消除行为，当扰动使得风电机组某些特征量超过风电机组设定保护定值，风电机组自动跳开其出口处的并网开关和电网解列。

风电机组的保护定值由各风电机组厂家设定，不同厂家的设定值有差异，保护定值设定原则是保护风电机组受电网扰动冲击程度降到最小，表2为某型号风电机组保护整定值。

表2 风电机组保护整定值

风电机组在受到电网扰动的自我保护措施(和电网解列)虽然对风电机组和整个风电场进行了有效的保护，但这种解列会对电网产生影响，甚至有可能导致电网崩溃，尤其是当风电场装机容量在局部地区占有一定比重，风电场全部风电机组短时间全部停机，导致地区电网有功功率缺额，可能引起大面积停电。风电场全部风电机组由于电网扰动短时间全部停机事件在国内已有发生。

案例：大唐三门峡风力发电有限公司所属的三门峡风电场一期装机容量为25.5MW，2008年风电场投产后所有风电机组经常因“电流不对称”故障而停机，导致整个风电场投产后不能正常运行。

经过测试分析得出：该风电场接入的电网受电气化铁路负荷影响较大，电气化铁路的单相负荷导致风电场并网点三相电压不平衡度增大，以致该风电场各台风电机组输出三相电流不对称，三相电流幅值相差超过相应保护定值，保护动作而停机。

2.2 电气化铁路对风电机组的影响机理及应对策略

电气化铁路负荷造成区域电网三相电压不平衡会严重影响风电机组的正常运行。风电机组变流器控制系统中如果没有针对电网电压不平衡的控制策略，当电网电压不平衡度很小时，风力发电机定子侧就会产生很大的不平衡定子电流。

根据对称分量理论，不平衡的电网电压可以分解出负序分量，该负序分量产生一个负向旋转的磁场，负向旋转磁场与转子产生的磁场方向相反，可见，负序坐标系具有很大的滑差，有大量的负序电流流过，造成定子电流不平衡，甚至还会引起定子过电流，不平衡电流对风电机组有如下影响：

① 不平衡电流导致定子绕组发热，从而降低了电子绕组的绝缘度。

② 不平衡电流会造成两倍基波频率的周期性转矩脉动，从而会导致在转子轴、齿轮箱和叶片上产生噪声和附加机械应力，加剧了齿轮箱和机械传输轴的疲劳损耗。

③ 不平衡电流还会造成发电机无功功率的二次脉动。

因此，电网电压不平衡度超过一定范围，如不采取相应的控制措施，风电机组就要切出电网与电网解列，这会更进一步加剧电网电压恶化。为了提高风电机组对于电压不平衡度耐受度，并且最大限度的降低由于电网电压不平衡对风电机组的影响，需要改进风电机组变流器的控制策略。风电机组变流器的不平衡控制包括转子侧变流器的控制和网侧变流器的控制。

转子侧变流器的控制目标是当电网正常状态时调节转子的转速和定子电压，当电网不平衡时还要控制由不平衡电网电压造成的转矩脉动；网侧变流器的控制在电网正常状态时要保持直流侧电压恒定，电网电压不平衡时还要调节使得风电机组输出的电流平衡。

风电机组针对电网电压不平衡的控制策略为单同步旋转坐标系控制和双同步旋转坐标系控制，这两种控制策略的使用使得风电机组的电压不平衡耐受度大大提高，并减轻电网电压不平衡对风电机组的影响，使得风电机组能够稳定运行，具体为：

① 单同步旋转坐标系控制方案是在同步旋转坐标系中，计算在电网电压不平衡时为实现输出电流平衡所需补偿的电流，通过补偿控制实现所设定的控制目标。该方案的主要缺点在于：由于采用同步旋转坐标系使得电流矢量中出现频率为电网频率两倍的交流成份，不利于控制系统的设计，但该控制方案仅需在原有控制系统上增加一个补偿信号，使得控制系统相对较为简单。

② 双同步旋转坐标系控制方案是在正序同步旋转坐标系和负序同步旋转坐标系中分别对正序分量和负序分量进行控制，即双电流控制。这样，在不考虑零序分量的情况下在每个旋转坐标系中的控制均为直流量的控制，控制系统设计相对较为容易，但该控制方案需要分别进行正、负序同步旋转坐标系定向，并且需要设计适当的滤波器，以获取相应的正序分量和负序分量，使得系统较为复杂。

3 解决措施

① 电气化铁路牵引变压器无论哪种接线，对于供电电网来说都是非对称负荷。为了减小不平衡负荷和谐波对电网的影响，电网的电铁供电线路都要沿铁路牵引站采取有规则的相别轮换，一般50公里左右换相一次。通过相别轮换，电网从更大范围来看由负荷引起的不平衡度会大大减小。

② 近年来SCOTT变压器被用在电气化铁路负荷不平衡地区，SCOTT变压器高压侧由电网三相供电，经过SCOTT变压器的特殊接线方式，低压侧转变为两相制，两相制的电压相差为90°，SCOTT变压器接线和电压向量图如下图3所示。当其两臂的负荷相等时，其高压侧三相电流平衡，如果供电系统的相别轮换与牵引站安排合理，会进一步减小负序电流和谐波对电网的影响。

图3 SCOTT变压器接线和电压向量图

③ 一般要求电气化铁路牵引变电站一次侧平均功率因数不应低于0.9。当已经投运的牵引站由于牵引负荷影响到附近风电场运行时，可以在牵引站加装高压静止无功补偿装置(SVC)，不仅可以有效的降低电气化铁路非线性和冲击负荷引起的电压波动、负序和谐波的干扰，而且能提高供电功率因数，减少无功电流，降低网损。

④ 规划中的风电场，前期要充分调研当地是否有电铁负荷的影响，必要时进行前期相关测试和风电场接入电网专题分析，以使得建成后的风电场和电网能协调安全稳定运行，在有条件时选择电网电能质量好的点作为风电场并网点。如果风电场并网点可能受到电气化铁路负荷的影响，在风电机组选型时要考虑选择抗扰动能力强的风电机组。

4 结束语

随着风力发电的快速发展，风电场规模越来越大，风电场的安全稳定运行已经关系到区域电网的安全稳定。由于电气化铁路机车负荷导致周边风电场不能正常运行的事例在国内已有发生，因此研究电气化铁路负荷对风电场的影响并探讨消除和减小这种影响的措施具有重要的现实意义。

（摘编自《电气技术》，原文标题为“电气化铁路对风电场的影响”，作者为王瑞明、邵文昌等。）