新型貫通同相供電系統(tǒng)建模與運行特性分析

楊顥，陳民武，盛望群，劉巍，解紹鋒

新型貫通同相供電系統(tǒng)建模與運行特性分析

楊顥1，陳民武1，盛望群2，劉巍2，解紹鋒1

(1. 西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031；2. 中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司 電氣化處，陜西 西安 710043)

針對既有牽引供電系統(tǒng)所存在的以負(fù)序為主的電能質(zhì)量問題以及不利于高速、重載鐵路發(fā)展的電分相問題和系統(tǒng)效率利用問題，研究依托大功率電力電子器件的新型貫通同相牽引供電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以牽引供電系統(tǒng)、同相補償裝置以及牽引負(fù)荷為研究對象，構(gòu)建新型貫通同相牽引供電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，計算系統(tǒng)潮流分布，優(yōu)化同相補償裝置容量配置。實例分析表明，上述模型能夠正確反映新型貫通同相供電系統(tǒng)的運行特性，為新型貫通同相供電系統(tǒng)的工程應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支撐。

同相供電；電能質(zhì)量；建模/仿真；效率

我國電氣化鐵路采用單相工頻交流制供電方式，牽引供電系統(tǒng)從三相電網(wǎng)取電經(jīng)牽引變壓器實現(xiàn)三相?兩相變換為牽引變電所兩供電臂提供電能。這種三相?兩相變換在一定時期符合我國鐵路發(fā)展的基本國情，具備一定優(yōu)勢：三相?兩相牽引變壓器結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、價格低廉，并且沿線各牽引變電所可以通過換相連接接入三相電力系統(tǒng)，以降低牽引負(fù)荷在電力系統(tǒng)中所引起的負(fù)序[1]。隨著我國鐵路的快速發(fā)展，既有牽引供電系統(tǒng)逐漸暴露出一系列問題[2]，主要包括：1) 過分相問題。各牽引變電所采取相位輪換措施使相鄰供電臂之間存在電壓相位差，各供電臂末端設(shè)置有電分相以保證不同供電臂之間的電氣隔離。為了確保列車能夠順利通過電分相區(qū)段，列車在進(jìn)入電分相處的無電區(qū)前需要降弓、斷電、降速滑行，若該無電區(qū)設(shè)置于線路上坡路段容易造成列車“停坡”事故；此外，列車過分相時司機操作難度加大、接觸網(wǎng)可靠性降低[3]，都將對列車的正常安全運行造成不良影響。2) 電能質(zhì)量問題。隨著電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，傳統(tǒng)交直型電力機車正逐步被新型交直交型電力機車所取代，與交直型電力機車相比，交直交型電力機車的牽引功率更大，功率因數(shù)更高(接近于1)，諧波含量更低，諧波和無功問題已不再是人們關(guān)注的主要問題，而負(fù)序問題首當(dāng)其沖[4]。由于牽引負(fù)荷本身的不對稱性，牽引供電系統(tǒng)將向三相電力系統(tǒng)注入負(fù)序電流，當(dāng)該負(fù)序電流較大時，會造成電網(wǎng)內(nèi)電動機電磁轉(zhuǎn)矩降低，發(fā)電機過熱運行，同時還會對以負(fù)序分量為啟動量的繼電保護裝置產(chǎn)生影響，造成繼電保護裝置誤動[5]。3) 系統(tǒng)效率問題。牽引負(fù)荷為大容量波動性負(fù)荷，列車啟動時會產(chǎn)生幅值較大的沖擊電流，為了確保列車能夠正常、安全運行，牽引變壓器的能量供給需要滿足列車的最大能量需求，造成牽引變壓器容量選擇偏大，導(dǎo)致容量浪費[6]。此外，根據(jù)“兩部制電價”收費方式，大容量的牽引變壓器需要向電力部門繳納高額的固定容量電費，加重鐵路部門經(jīng)濟負(fù)擔(dān)；高速列車制動時多采用再生制動方式，列車將多余的動能轉(zhuǎn)化為電能，可通過牽引網(wǎng)直接供其它處于牽引工況的列車使用，但既有供電方式將牽引網(wǎng)分割成若干供電區(qū)段，同一供電區(qū)段內(nèi)列車再生制動產(chǎn)生的能量難以被更多的列車?yán)?，造成了再生制動能量不能被高效利用，降低了系統(tǒng)運行效率。既有牽引供電系統(tǒng)所存在的電分相問題、電能質(zhì)量問題和系統(tǒng)效率問題均不利于高速鐵路的快速發(fā)展，為了加快我國高速鐵路發(fā)展步伐，促進(jìn)電氣化鐵路進(jìn)一步向“高速重載、高效可靠”方向發(fā)展，有必要對既有牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，尋求針對電氣化鐵路電分相、電能質(zhì)量及能量高效利用等問題的全面解決方案。

1 新型貫通同相牽引供電系統(tǒng)

既有牽引供電系統(tǒng)所存在的一系列問題與系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)有關(guān)，為了解決系統(tǒng)所暴露出的問題，急需構(gòu)建一種新的牽引供電系統(tǒng)。柔性交流輸電系統(tǒng)(Flexible AC Transmission System，縮寫為FACTS)技術(shù)以大功率電力電子技術(shù)為核心，具備控制手段響應(yīng)速度快，動作頻繁等優(yōu)勢，能夠?qū)ο到y(tǒng)潮流進(jìn)行靈活控制，提高電網(wǎng)傳輸能力[7]。將FACTS技術(shù)應(yīng)用到牽引供電系統(tǒng)，建立柔性牽引供電系統(tǒng)對系統(tǒng)潮流進(jìn)行適當(dāng)控制能夠解決既有牽引供電系統(tǒng)所存在的以負(fù)序為主的電能質(zhì)量問題，提高牽引供電系統(tǒng)的運行效率和可靠性，為未來牽引供電系統(tǒng)的發(fā)展提供新的方向。文獻(xiàn)[8]基于牽引變壓器和同相補償裝置的組合式結(jié)構(gòu)提出一種新型貫通同相牽引供電系統(tǒng)，這種新型貫通同相牽引供電系統(tǒng)是一種典型的基于電力電子控制技術(shù)的柔性牽引供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用同相補償裝置和牽引變壓器相互配合使各牽引變電所出口電壓幅值與相位保持一致，從而取消牽引網(wǎng)全線電分相，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)無分相供電，從根本上解決牽引供電系統(tǒng)電分相問題[9?10]。由兩牽引變電所構(gòu)成的新型貫通同相牽引供電系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

新型貫通同相牽引供電系統(tǒng)牽引變電所主要由單相牽引變壓器(TT)、同相補償裝置(CPD)和電抗器(LT)共同構(gòu)成。同相補償裝置主要由高壓匹配變壓器(HMT)、交流電抗器(L)、同相補償變流器(ADA)和牽引匹配變壓器(TMT)組成。高壓匹配變壓器HMT為三相降壓變壓器，其與單相牽引變壓器構(gòu)成平衡接線。同相補償變流器ADA是由IGBT構(gòu)成的可四象限運行的交直交變流器，其中一側(cè)通過控制可保持各模塊的中間直流電壓穩(wěn)定，另一側(cè)可對一定大小的功率進(jìn)行傳輸，能完成有功功率的雙向流動和單側(cè)諧波與無功的補償功能。交流電抗器L配合同相補償變流器ADA一起工作，在變流的過程中起平滑電流的作用。牽引匹配變壓器TMT為單相多繞組升壓變壓器，將電壓升壓成與牽引母線電壓相匹配的等級與單相牽引變壓器共同為牽引負(fù)荷提供電能。電抗器LT可以降低系統(tǒng)的均衡電流，使流經(jīng)系統(tǒng)的均衡電流滿足相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[8]。

圖1 新型貫通同相牽引供電方案示意圖

通過利用牽引變壓器與同相補償裝置共同承擔(dān)變電所牽引負(fù)荷，并根據(jù)牽引變電所外部電源容量與負(fù)序電能質(zhì)量補償目標(biāo)將牽引負(fù)荷在牽引變壓器和同相補償裝置中進(jìn)行實時分配，以實現(xiàn)對負(fù)序電能質(zhì)量問題進(jìn)行不同程度的有效補償。不同負(fù)序補償方式牽引變電所構(gòu)成的新型貫通同相牽引供電系統(tǒng)示意圖如圖2所示[11]。

圖2 牽引變電所不同補償方式的新型貫通同相牽引供電系統(tǒng)示意圖

2 新型貫通同相牽引供電系統(tǒng)仿真模型

2.1 車?網(wǎng)耦合潮流計算方法

新型貫通同相牽引供電系統(tǒng)的車?網(wǎng)耦合潮流計算需要考慮運行列車的時空分布情況和供電系統(tǒng)的電氣結(jié)構(gòu)特性。

研究運行列車的時空分布情況需要綜合考慮列車參數(shù)(牽引特性、制動特性、列車長度等)、線路參數(shù)(線路坡道、彎道、隧道等)、信號系統(tǒng)、運行組織等多種因素對列車運行過程中的力學(xué)影 響[12]，結(jié)合列車運行運動學(xué)方程可以計算出列車運行加速度、速度和牽引功率，從而可以獲取列車功率時空分布情況。

基于多導(dǎo)體傳輸線理論構(gòu)建適用于新型貫通同相牽引供電方式的牽引網(wǎng)分布參數(shù)等效模 型[13?14]，將在線列車、牽引變電所、AT所等與牽引網(wǎng)橫向連接的電氣設(shè)備等效為分割切面模型，利用牽引變電所電氣量通用變換關(guān)系，構(gòu)建牽引變電所數(shù)學(xué)模型。結(jié)合車?網(wǎng)耦合系統(tǒng)供電臂鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)模型[15?17]，可以得到統(tǒng)一的新型貫通同相牽引供電系統(tǒng)節(jié)點導(dǎo)納矩陣。結(jié)合牽引變電所、牽引網(wǎng)和牽引負(fù)荷等效數(shù)學(xué)模型，可以建立新型貫通同相牽引供電系統(tǒng)鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和統(tǒng)一節(jié)點導(dǎo)納矩陣仿真模型，通過對不同時刻與位置下的牽引負(fù)荷進(jìn)行潮流迭代，得到牽引網(wǎng)潮流分布。

圖3 新型貫通同相牽引供電系統(tǒng)潮流計算示意圖

假設(shè)第列列車的有功功率為P，無功功率Q，則機車電流I為

通過比較相鄰2次迭代電壓的差值是否達(dá)到預(yù)設(shè)迭代精度，判斷迭代是否終止。若迭代終止，則保留各節(jié)點電壓與電流，通過進(jìn)一步計算可得到牽引網(wǎng)負(fù)荷潮流分布；否則，更新列車電壓繼續(xù)迭代。牽引供電系統(tǒng)潮流迭代計算流程圖如圖4所示。

新型貫通同相供電系統(tǒng)潮流計算仿真為系統(tǒng)牽引變電所容量配置提供了必要的數(shù)據(jù)支撐。

圖4 潮流迭代計算流程圖

2.2 牽引變電所容量配置策略

式中：為牽引負(fù)荷實時功率；T為牽引變壓器實時功率；C為同相補償裝置實時功率。

由式(3)可求解任意補償度N下補償裝置的補償容量。同相補償裝置補償效果與補償裝置容量密切相關(guān)，當(dāng)補償度N=1時，即對負(fù)序?qū)崿F(xiàn)完全補償，原邊三相電壓完全對稱，牽引負(fù)荷不會向電力系統(tǒng)注入負(fù)序電流，根據(jù)式(3)可計算同相補償裝置的補償容量，完全補償時變壓器和補償裝置各承擔(dān)一半的牽引負(fù)荷，由于同相補償裝置無過負(fù)荷能力，最終補償容量取決于其所承擔(dān)的最大牽引負(fù)荷。當(dāng)補償度N=0時，即無需進(jìn)行負(fù)序補償，牽引負(fù)荷完全由牽引變壓器獨自承擔(dān)。

實際工程運用中應(yīng)在滿足不平衡度國標(biāo)限值要求下盡可能地降低補償裝置容量、節(jié)省同相補償裝置購置成本，因此實施優(yōu)化補償是行之有效的負(fù)序治理手段。在優(yōu)化補償中CPD容量配置關(guān)鍵在于確定補償度N的取值。

補償前后不平衡度與補償度之間的關(guān)系為：

3 算例分析

以國內(nèi)某高速鐵路為例進(jìn)行新型貫通同相供電方案仿真。該高速鐵路全長699.81 km，目前采用AT牽引供電方案，全線牽引變電所和分區(qū)所處均設(shè)置電分相，全線設(shè)13座牽引變電所，線路平面最小曲線半徑為705 m，縱向坡道有22.2‰長大下坡和20‰上坡。仿真采用CRH3型高速列車，取消全線電分相實現(xiàn)牽引網(wǎng)電氣連接，列車運行組織采用5 min平行發(fā)車方式，仿真時間30 min，各牽引變電所采用圖1所示供電方案。則既有AT牽引供電方案和新型貫通同相供電方案下各牽引變電所負(fù)荷容量均方根值如圖5所示。

圖5 各牽引變電所負(fù)荷容量均方根值

由圖5可知，在相同供電參數(shù)下，相對于既有AT供電方案而言，新型貫通同相牽引供電方案將全線電分相取消，實現(xiàn)全線牽引網(wǎng)貫通同相供電，牽引負(fù)荷可同時由多個牽引變電所提供能量，降低了牽引負(fù)荷對單個牽引變電所的沖擊，使各牽引變電所的負(fù)荷容量分布更加均勻。采用新型貫通同相供電方案后，全線牽引變電所容量方均根值下降達(dá)116.60 MVA。以第7個牽引變電所(TS7)為例，在既有AT供電方案和新型貫通同相供電方案下，牽引變電所TS7的實時負(fù)荷曲線如圖6所示。

圖6 變電所TS7實時負(fù)荷曲線

相對于既有AT供電方案而言，采用新型貫通同相供電方案后，牽引變電所TS7牽引負(fù)荷的波動性得到降低，變電所牽引負(fù)荷峰谷差從既有AT供電方案的129.59 MW下降到57.38 MW，降幅達(dá)55.72%，負(fù)荷波動性得到顯著改善，降低了牽引負(fù)荷對變電所的沖擊性，提高了系統(tǒng)的容量利用率。

在牽引供電系統(tǒng)仿真過程中，全線牽引網(wǎng)電壓由于仿真時刻的不同和列車位置的不同而存在差異。在新型貫通同相供電方案下，整個仿真過程中全線牽引網(wǎng)最小電壓為24.82 kV，最大電壓為27.03 kV，滿足TB 10009—2016《鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》中對牽引網(wǎng)電壓的要求。以某仿真時刻全線列車受電電壓為例，新型貫通同相供電方案牽引網(wǎng)電壓波動如圖7所示。

圖7 某仿真時刻下全線牽引網(wǎng)電壓分布

采用新型貫通同相供電方案后，由于全線貫通，牽引變電所供電距離得以延長，全線處于再生制動工況下的列車產(chǎn)生的再生制動能量可以被線路上處于牽引工況的列車使用的概率大大提高，減少了列車向電網(wǎng)索取的能量，符合國家“節(jié)能減排”政策，提高了系統(tǒng)能量利用效率。本算例中，對新型貫通同相牽引供電方案下牽引網(wǎng)再生制動所產(chǎn)生的能量進(jìn)行統(tǒng)計，如表1所示。

表1 牽引網(wǎng)再生制動能量統(tǒng)計

其中，G是電網(wǎng)實際供給能量(電網(wǎng)流入牽引供電系統(tǒng)能量與再生制動返回電網(wǎng)能量差值)，T是全線列車總能耗(列車總牽引能耗與總再生制動能耗的差值)，R是全線列車總再生制動能量。

由表1知，列車總能耗占到電網(wǎng)實際供給能量的95.76%，進(jìn)而可以得到損耗占4.24%；列車再生制動所產(chǎn)生的總能量占電網(wǎng)實際供給能量的25.91%，這部分電能若被合理利用將為鐵路部門節(jié)省大筆電費支出。

新型貫通同相供電系統(tǒng)牽引變電所由單相牽引變壓器和同相補償裝置共同承擔(dān)牽引負(fù)荷，牽引變壓器和同相補償裝置實現(xiàn)三相-單相平衡變換，以實現(xiàn)對負(fù)序電能質(zhì)量的治理[20]。以第5個牽引變電所(TS5)為例，該牽引變電所外部電源短路容量為 2 000 MVA，既有AT供電方案下，牽引負(fù)荷所引起的三相電壓不平衡度高達(dá)3.14%，超過國標(biāo)限值。采用新型貫通同相供電方案并對三相電壓不平衡度進(jìn)行不同程度的治理，當(dāng)三相電壓不平衡度達(dá)到國標(biāo)2%限值時，允許部分負(fù)序分量注入電力系統(tǒng)，此時為對負(fù)序進(jìn)行優(yōu)化補償；當(dāng)三相電壓不平衡度為0%時，無負(fù)序分量注入電力系統(tǒng)，此時為對負(fù)序進(jìn)行完全補償。

由圖8可知，當(dāng)對牽引變電所TS5的三相電壓不平衡度進(jìn)行優(yōu)化補償時，同相補償裝置容量為11.35 MVA，此時，三相電壓不平衡度為2%；當(dāng)進(jìn)行完全補償時，同相補償裝置容量為31.35 MVA，此時，三相電壓不平衡度為0%?？梢姡?fù)序補償程度越高，同相補償裝置的容量越大，其經(jīng)濟成本越高，在實際工程應(yīng)用中，可根據(jù)實際牽引負(fù)荷和外部電源短路容量以及經(jīng)濟成本綜合考慮負(fù)序補償目標(biāo)，對負(fù)序電能質(zhì)量進(jìn)行合理治理。對于山區(qū)高原等外部電源相對薄弱地區(qū)，亦可通過提高同相補償裝置容量來降低對外部電源短路容量的需求，從而使三相電壓不平衡度滿足設(shè)計要求。

圖8 TS5同相補償裝置實時容量

4 結(jié)論

1) 新型貫通同相供電系統(tǒng)能夠取消牽引網(wǎng)電分相，實現(xiàn)全線牽引網(wǎng)電氣連接；在綜合考慮變電所負(fù)荷容量和外部電源容量的基礎(chǔ)上可以對負(fù)序電能質(zhì)量問題進(jìn)行治理；此外，該系統(tǒng)還可以改善變電所牽引負(fù)荷波動性和間歇性，降低變電所負(fù)荷容量，提高再生制動能量利用概率和系統(tǒng)運行 效率。

2) 基于多導(dǎo)體傳輸理論和變電所容量配置策略對新型貫通同相牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真。仿真結(jié)果表明所建模型能夠正確反映新型貫通同相供電系統(tǒng)的運行特性，為新型貫通同相供電系統(tǒng)的工程應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支撐。

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(編輯 蔣學(xué)東)

Modelling and operation characteristics analysis of a new continuous co-phase traction power supply system

YANG Hao1, CHEN Minwu1, SHENG Wangqun2, LIU Wei2, XIE Shaofeng1

(1.School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. Electrification Department, China Railway First Survey & Design Institute Group Ltd, Xi’an 710043, China)

This paper aimed at problems of phase separation and negative sequence current, which have a bad influence on the development of high-speed and heavy-loading track and system efficiency of the existing traction power supply system. The topology of a new continuous co-phase traction power supply system was studied based on high-power electronic devices. Taking the new co-phase traction power supply system, compensation device and traction load as research objects, the mathematic model of the new system was built. The power flow distribution was calculated and the capacity of compensation devices was optimized. The analysis of example shows that the model could not only correctly reflect the operation characteristics of the new continuous co-phase traction power supply system but also provide data supporting for its engineering application.

co-phase supply; power quality; modelling/simulation; efficiency

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2018.08.029

U223.6

A

1672 ? 7029(2018)08 ? 2131 ? 09

2017?06?07

中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司科研資助項目(16-45-02)

陳民武(1983?)，男，安徽宿州人，副教授，博士，從事牽引供電理論與新技術(shù)、系統(tǒng)可靠性分析、電能質(zhì)量評估與控制等方面的研究；E?mail：chenminwu@home.swjtu.edu.cn