一種考慮山區(qū)路段牽引網(wǎng)電壓波動(dòng)及諧波治理的車(chē)載儲(chǔ)能型解決方案

陳劍簫，王英,2，陳小強(qiáng),2，賀彥強(qiáng)，李琪瑤

(1.蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州730070；2.蘭州交通大學(xué) 光電技術(shù)與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州730070)

近年來(lái)，我國(guó)電氣化鐵路向著高速化、重載化方向發(fā)展，牽引負(fù)荷大功率、高密度的運(yùn)行特性不斷影響牽引網(wǎng)電壓。且隨著高速鐵路運(yùn)行范圍不斷擴(kuò)大，多條鐵路線路開(kāi)設(shè)在山區(qū)路段，保證該特殊路段牽引網(wǎng)電壓穩(wěn)定是高速列車(chē)行車(chē)安全可靠的必要條件[1]。然而，因山區(qū)路段外部電源供電線路較長(zhǎng)、線路空載電壓高等原因，其牽引供電系統(tǒng)保持牽引網(wǎng)電壓穩(wěn)定的供電能力較為薄弱[2]，我國(guó)大量山區(qū)線路存在坡度超過(guò)6‰，長(zhǎng)度超過(guò)8 km；坡度超過(guò)12‰，長(zhǎng)度5 km以上或坡度超過(guò)20‰，長(zhǎng)度2 km的長(zhǎng)大坡道路段。部分復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路線路坡度已超過(guò)20‰，如川藏鐵路為克服巨大高程障礙，設(shè)計(jì)坡度已達(dá)到30‰[3]。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞電氣化鐵路牽引網(wǎng)電壓穩(wěn)定展開(kāi)了廣泛研究。當(dāng)列車(chē)運(yùn)行于山區(qū)路段，可能產(chǎn)生因列車(chē)運(yùn)行工況帶來(lái)的牽引網(wǎng)電壓抬升與降落[3]及諧波電流注入導(dǎo)致的牽引網(wǎng)諧振過(guò)電壓[4]。針對(duì)列車(chē)處于該特殊路段因列車(chē)運(yùn)行工況帶來(lái)的牽引網(wǎng)電壓波動(dòng)，王爭(zhēng)鳴[5]提出可采用提高牽引變電所端電壓或通過(guò)調(diào)度進(jìn)行區(qū)段內(nèi)限車(chē)等措施來(lái)解決上坡段列車(chē)需求功率大及列車(chē)過(guò)分相后全功率加速帶來(lái)的牽引網(wǎng)壓降低問(wèn)題。對(duì)于下坡段列車(chē)產(chǎn)生大量再生制動(dòng)能量致使?fàn)恳W(wǎng)壓升高的問(wèn)題，目前行車(chē)產(chǎn)生的再生制動(dòng)能量多回饋至公用電網(wǎng)或被同一供電臂處于非再生制動(dòng)工況的列車(chē)消耗[6?7]，但該方案不能使得再生制動(dòng)能量得到有效利用。針對(duì)列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中因諧波電流注入引起牽引網(wǎng)諧振過(guò)電壓，HU等[8]通過(guò)在牽引網(wǎng)側(cè)加裝LC濾波器及高通濾波器來(lái)濾除特定次諧波；王躍等[9]通過(guò)牽引變電所降壓變壓器加裝有源濾波裝置來(lái)治理諧波電流注入引起的牽引網(wǎng)諧振過(guò)電壓。伴隨近些年電氣化鐵路節(jié)能增效的發(fā)展趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在儲(chǔ)能系統(tǒng)接入電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)用以列車(chē)運(yùn)行中的再生制動(dòng)能量回收及電能質(zhì)量改善的方面展開(kāi)廣泛研究[10?13]。目前接入牽引供電系統(tǒng)的儲(chǔ)能方式主要分為牽引網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能型及車(chē)載儲(chǔ)能型。將儲(chǔ)能設(shè)備置于牽引變電所并與鐵路功率調(diào)節(jié)器結(jié)合[14]，回收再生制動(dòng)能量、補(bǔ)償負(fù)序電流[15?16]以改善牽引網(wǎng)電能質(zhì)量的牽引網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能型研究較多。目前，針對(duì)車(chē)載儲(chǔ)能型應(yīng)用于高速鐵路的研究重點(diǎn)主要在牽引供電系統(tǒng)無(wú)電區(qū)域的安全行駛和列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中“牽引網(wǎng)?蓄電池”系統(tǒng)的能量管理策略研究[17?19]?？紤]山區(qū)路段牽引網(wǎng)電壓穩(wěn)定，計(jì)及牽引網(wǎng)側(cè)諧波治理的車(chē)載儲(chǔ)能型解決方案研究較少?；诖耍疚奶岢鲆环N改善山區(qū)路段牽引網(wǎng)電壓波動(dòng)并考慮牽引網(wǎng)諧波電流抑制的車(chē)載儲(chǔ)能接入牽引供電系統(tǒng)的解決方案。首先，提出了考慮山區(qū)路段牽引網(wǎng)電壓波動(dòng)的車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)?，并?duì)車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)工作狀態(tài)展開(kāi)分析。闡釋該區(qū)段電壓波動(dòng)的機(jī)理，并對(duì)基于車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)的補(bǔ)償原理進(jìn)行研究；其次，研究基于多重化準(zhǔn)比例諧振控制的牽引網(wǎng)諧波電流抑制方法；并根據(jù)控制目標(biāo)對(duì)車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)中變流器的控制策略展開(kāi)研究；最后，根據(jù)仿真測(cè)試分析，驗(yàn)證本文所給出解決方案的有效性。

1 考慮牽引網(wǎng)電壓波動(dòng)的車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)?/h2>

1.1 車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如圖1所示，傳統(tǒng)的牽引供電系統(tǒng)主要由牽引變電所、牽引接觸網(wǎng)、受電弓、動(dòng)車(chē)組等構(gòu)成。牽引變電所接入220 kV公共電網(wǎng)，引出27.5 kV/50 Hz單相電為牽引接觸網(wǎng)供電，高速列車(chē)通過(guò)車(chē)頂受電弓從接觸網(wǎng)滑動(dòng)取流來(lái)獲得行車(chē)動(dòng)力。

圖1 考慮牽引網(wǎng)電壓波動(dòng)的車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)銯ig.1 Topology of onboard energy storage system considering voltage fluctuation of traction network

對(duì)于傳統(tǒng)的牽引供電系統(tǒng)，牽引網(wǎng)輸出有功電流供列車(chē)取流，同時(shí)列車(chē)牽引變流器會(huì)向牽引網(wǎng)注入諧波電流。列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，牽引網(wǎng)電壓是否穩(wěn)定受多種因素影響，本文主要考慮以下問(wèn)題：因列車(chē)運(yùn)行工況帶來(lái)的牽引網(wǎng)電壓抬升與降落，以及由特定次諧波電流注入牽引網(wǎng)引起的諧振過(guò)電壓。

基于此提出的車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示。圖1中，儲(chǔ)能系統(tǒng)具體方案為將儲(chǔ)能介質(zhì)經(jīng)變流器、DC/DC變換器接入車(chē)載牽引變壓器二次側(cè)，主要考慮將列車(chē)制動(dòng)產(chǎn)生的再生制動(dòng)能量直接存儲(chǔ)在車(chē)內(nèi)，并在下一次上坡、加速等工況下釋放；同時(shí)利用儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出諧波補(bǔ)償電流以消除牽引網(wǎng)側(cè)諧波電流。考慮到車(chē)載儲(chǔ)能介質(zhì)的使用壽命、安全性能、低溫性能、能量密度等指標(biāo)，選擇鋰電池作為系統(tǒng)的儲(chǔ)能介質(zhì)。目前鋰電池能量密度可達(dá)300 Wh/kg[22]，能夠滿足山區(qū)路段的儲(chǔ)能需求，且鋰電池技術(shù)發(fā)展迅速，其能量密度勢(shì)必得到提升，裝車(chē)質(zhì)量也會(huì)隨之降低。由于本文重點(diǎn)在于儲(chǔ)能系統(tǒng)接入后對(duì)其改善電壓波動(dòng)的策略方面的研究，因此該部分內(nèi)容不再詳細(xì)展開(kāi)。

1.2 車(chē)載儲(chǔ)能接入牽引供電系統(tǒng)的工作狀態(tài)分析

針對(duì)圖1提出的拓?fù)?，首先?duì)車(chē)載儲(chǔ)能接入牽引供電系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行分析。

設(shè)PM為列車(chē)電機(jī)側(cè)牽引功率，P0為列車(chē)惰性運(yùn)行時(shí)牽引功率。根據(jù)PM對(duì)列車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行如下規(guī)定。

1)PM>P0：列車(chē)處于牽引工況；2)0

圖1 中，當(dāng)加入車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)后，為防止儲(chǔ)能介質(zhì)過(guò)充或過(guò)放，規(guī)定儲(chǔ)能介質(zhì)荷電狀態(tài)SOC(State of Charge)上下限閾值分別為SOCup和SOClo。

根據(jù)列車(chē)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)及儲(chǔ)能介質(zhì)SOC對(duì)車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行劃分，如圖2所示，主要有以下5種典型工作狀態(tài)，其中待機(jī)狀態(tài)車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)不工作。

圖2 車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)工作狀態(tài)Fig.2 Working state of on-board energy storage system

1)制動(dòng)能量回收狀態(tài)

制動(dòng)工況下PM<0，若儲(chǔ)能介質(zhì)SOC

2)牽引功率補(bǔ)償狀態(tài)

此時(shí)牽引功率PM>P0，列車(chē)處于爬坡工況或加速工況，若儲(chǔ)能介質(zhì)SOC>SOClo，儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行放電，為列車(chē)運(yùn)行提供部分牽引功率，減少牽引網(wǎng)出力。

3)有源濾波狀態(tài)

此時(shí)牽引功率PM<0且SOC≥SOCup，列車(chē)處于制動(dòng)工況，但由于儲(chǔ)能介質(zhì)SOC已達(dá)到閾值，不再進(jìn)行制動(dòng)能量回收，該工況下列車(chē)向牽引網(wǎng)反送的電流中含有大量諧波電流，易造成牽引網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量惡化，故此時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)工作在有源濾波狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)諧波抑制。

4)諧波吸收狀態(tài)

當(dāng)PM>P0且SOC≤SOClo，儲(chǔ)能介質(zhì)SOC達(dá)到下限值，不再輸出有功功率進(jìn)行網(wǎng)側(cè)功率補(bǔ)償，儲(chǔ)能系統(tǒng)工作在網(wǎng)側(cè)諧波吸收狀態(tài)，降低牽引網(wǎng)諧波含量。

2 考慮牽引網(wǎng)壓波動(dòng)的車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)補(bǔ)償原理

2.1 山區(qū)路段列車(chē)運(yùn)行特性引起牽引網(wǎng)電壓波動(dòng)

列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)列車(chē)牽引變流器的瞬態(tài)電流控制策略[20]，牽引網(wǎng)側(cè)目標(biāo)電流為：

此外，列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中列車(chē)牽引異步電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩表示[20]為：

式中：W0為列車(chē)運(yùn)行過(guò)程所受基本阻力；Wp為坡道附加阻力；d表示動(dòng)車(chē)組車(chē)輪直徑；N表示牽引電機(jī)數(shù)量；α為牽引電機(jī)傳動(dòng)比；ηGear為牽引電機(jī)傳動(dòng)效率。

由式(1)及式(2)可知，當(dāng)列車(chē)運(yùn)行于上坡或加速工況，負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大，直流側(cè)輸出功率Pd增大；下坡區(qū)段牽引電機(jī)反轉(zhuǎn)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為負(fù)值，Pd<0。根據(jù)式(2)可知，若牽引變流器直流側(cè)電壓ud保持恒定，隨直流側(cè)功率增大，I*netp隨之增大，牽引網(wǎng)電壓下降；下坡時(shí)Pd<0，列車(chē)向牽引網(wǎng)返送電能，牽引網(wǎng)電壓抬升。

如加入車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)，可設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)放電時(shí)Pbattery為正值，充電時(shí)為負(fù)值。若忽略各變流器間的傳輸損耗，則儲(chǔ)能系統(tǒng)接入后I*netp可近似表示為：

因此儲(chǔ)能系統(tǒng)接入后，可通過(guò)補(bǔ)償有功功率，改善因列車(chē)工況導(dǎo)致的牽引網(wǎng)電壓抬升與降落。

2.2 特定次諧波注入引起牽引網(wǎng)諧振過(guò)電壓

當(dāng)列車(chē)注入牽引網(wǎng)的某頻率的諧波電流與牽引網(wǎng)諧振頻率匹配，易造成車(chē)網(wǎng)諧振，引發(fā)牽引網(wǎng)諧振過(guò)電壓。圖3為牽引網(wǎng)T型等效電路[21]，將列車(chē)視為電流源IT，ZS為變電所等效阻抗，ZN1，ZN2為牽引網(wǎng)電氣參數(shù)。

圖3 牽引網(wǎng)T型等效電路Fig.3 Traction network type T equivalent circuit

式中：Z0，Y0分別為牽引網(wǎng)單位長(zhǎng)度阻抗及導(dǎo)納參數(shù)；D1，D2分別為動(dòng)車(chē)組距離牽引變電所S和分區(qū)所P的距離；D為牽引網(wǎng)總長(zhǎng)度。

由式(4)可知，當(dāng)Zq=∞時(shí)牽引網(wǎng)發(fā)生諧振，故諧振條件為[21]：

此時(shí)牽引網(wǎng)諧振頻率為：

式中：LS為牽引變電所等值電感；C0為接觸網(wǎng)等值電容。

圖3 中，若列車(chē)所等效電流源向牽引網(wǎng)注入與該諧振頻率一致的諧波電流，此時(shí)構(gòu)成諧振電路，易造成列車(chē)所在位置牽引網(wǎng)電壓抬升。如能實(shí)現(xiàn)特定次諧波電流消除，即可減少諧振事故發(fā)生。圖1中，本文擬通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出補(bǔ)償電流ish，實(shí)現(xiàn)消除牽引網(wǎng)諧波電流，從而抑制諧振過(guò)電壓發(fā)生。

3 基于車(chē)載儲(chǔ)能的牽引網(wǎng)諧波抑制

提出的基于車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行牽引網(wǎng)特定次諧波電流消除原理具體如圖4所示，由前分析可知，列車(chē)行駛過(guò)程中，牽引變流器產(chǎn)生某頻率諧波inh注入牽引網(wǎng)，則牽引網(wǎng)側(cè)諧波電流為ineth。考慮通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出補(bǔ)償電流ish實(shí)現(xiàn)牽引變流器交流側(cè)諧波電流inh補(bǔ)償，若使ish+inh=0可使?fàn)恳兞髌鞑辉傧驙恳W(wǎng)注入諧波電流。圖4中，為實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)抑制牽引網(wǎng)側(cè)諧波的目的，重點(diǎn)在于對(duì)諧波電流的提取，并通過(guò)變流器控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)指令電流的無(wú)差跟蹤。

圖4 牽引網(wǎng)特定次諧波電流消除原理Fig.4 Principle of eliminating harmonic current of specific order in traction network

3.1 諧波電流檢測(cè)

設(shè)牽引變壓器二次側(cè)電壓為un(t)=Unsin(ωt)，牽引變壓器二次側(cè)電流in可寫(xiě)為：

式中：ip為基波電流有功分量；iq為基波電流無(wú)功分量。進(jìn)行傅里葉展開(kāi)可得：

式中：Ip和Iq分別為基波電流有功分量和無(wú)功分量的幅值。具體諧波電流檢測(cè)原理如圖5所示。

圖5 單相諧波電流檢測(cè)原理Fig.5 Principle single-phase harmonic current detection

3.2 諧波電流跟蹤控制

準(zhǔn)比例諧振控制(Proportional Resonant Con‐trol,PR)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)某頻率諧波電流的無(wú)靜差跟蹤。因此，考慮將多個(gè)準(zhǔn)PR控制器并聯(lián)，構(gòu)成多重化準(zhǔn)比例諧振控制器(Multiple Proportional Reso‐nance,M-PR)，即可在不同頻率處對(duì)指令電流進(jìn)行無(wú)差跟蹤。

M-PR控制器的傳遞函數(shù)為：

式中：Kpm為比例系數(shù)；Krh為諧振系數(shù)；h為諧波 次數(shù)；ωc為諧振角頻率hω0處的截止頻率。

4 車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)變流器控制策略研究

針對(duì)圖1所提出的車(chē)載儲(chǔ)能拓?fù)?，為分別實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)有功補(bǔ)償和諧波補(bǔ)償?shù)?個(gè)控制目標(biāo)，進(jìn)一步對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)中雙向DC/DC和四象限變流器控制策略進(jìn)行研究。系統(tǒng)拓?fù)渖嫌捎跔恳?fù)荷所具有的大功率等特點(diǎn)四象限變流器采用全橋電路拓?fù)?，并選擇交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC/DC電路以減小開(kāi)關(guān)管器件的電流應(yīng)力。作為儲(chǔ)能介質(zhì)的鋰電池經(jīng)雙向DC/DC與DC/AC連接，通過(guò)控制雙向DC/DC的工作模式來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能的充電和放電?？傮w電路拓?fù)淙鐖D6所示，圖中，L1和L2為直流側(cè)電感，LS為交流側(cè)電感，C1為中間支撐電容，uS為車(chē)載牽引變壓器二次側(cè)電壓，is為儲(chǔ)能系統(tǒng)交流側(cè)電流，Udc為支撐電容電壓，Ubattery和Ibattery分別為儲(chǔ)能介質(zhì)的電壓和電流，IL1和IL2為2電感電流。

設(shè)下坡工況列車(chē)制動(dòng)功率為PMzd，爬坡、加速工況下列車(chē)牽引功率為PMqy，交直交牽引傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)效率為ηm，則有功傳輸狀態(tài)下儲(chǔ)能系統(tǒng)目標(biāo)有功功率為：

諧波補(bǔ)償模式下由于儲(chǔ)能系統(tǒng)僅輸出諧波補(bǔ)償電流，不進(jìn)行有功補(bǔ)償，則

圖6 中采用電壓電流雙閉環(huán)控制策略對(duì)雙向DC/DC進(jìn)行控制。儲(chǔ)能介質(zhì)輸出有功電流指令為：

四象限變流器控制采用瞬態(tài)直接電流控制，則圖6中儲(chǔ)能系統(tǒng)有功電流指令為：

圖6 儲(chǔ)能系統(tǒng)變流器控制策略Fig.6 Control strategy of converter unit in energy storage system

式中：λ為諧波補(bǔ)償系數(shù)。得到四象限變流器交流側(cè)參考電流為：

根據(jù)上文分析，采用M-PR控制器進(jìn)行內(nèi)環(huán)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)電流的無(wú)靜差跟蹤，調(diào)制信號(hào)uab由式(15)計(jì)算得到：

5 測(cè)試驗(yàn)證與分析

根據(jù)圖1所提出的系統(tǒng)拓?fù)鋱D，搭建Matlab/Simulink仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證分析。具體仿真中對(duì)象為CRH2型高速列車(chē)，因本文僅討論利用車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)改善牽引網(wǎng)電壓波動(dòng)的有效性，因此取其中一個(gè)基本動(dòng)力單元作為研究對(duì)象進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證與分析。

5.1 測(cè)試條件

仿真測(cè)試模型參數(shù)如表1所示。

表1 模型參數(shù)Table 1 Model parameters

5.2 模型驗(yàn)證

圖7 所示分別為CRH2列車(chē)在爬坡及下坡工況下的單個(gè)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩、負(fù)載轉(zhuǎn)矩以及牽引網(wǎng)側(cè)電壓曲線?？梢钥闯?，爬坡時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大，列車(chē)牽引功率增大，牽引網(wǎng)電壓出現(xiàn)了一定的降落；下坡工況下?tīng)恳姍C(jī)反轉(zhuǎn)向網(wǎng)側(cè)輸入功率，此時(shí)牽引網(wǎng)側(cè)輸出功率為負(fù)值，牽引網(wǎng)電壓出現(xiàn)一定程度的抬升，模型仿真結(jié)果與文獻(xiàn)[20]所述一致，所搭建模型滿足實(shí)際運(yùn)行情況。

5.3 測(cè)試分析

根據(jù)前文所述，儲(chǔ)能系統(tǒng)主要通過(guò)有功補(bǔ)償改善列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中因工況引起的牽引網(wǎng)電壓波動(dòng)，當(dāng)系統(tǒng)SOC超過(guò)充放電閾值，進(jìn)行牽引網(wǎng)側(cè)諧波電流補(bǔ)償，從而抑制牽引網(wǎng)諧振過(guò)電壓的發(fā)生。具體的有功補(bǔ)償及諧波補(bǔ)償測(cè)試與分析結(jié)果如下。

5.3.1 有功補(bǔ)償

1)牽引功率補(bǔ)償

圖8 爬坡工況仿真結(jié)果Fig.8 Traction network power under uphill conditions

可以看出接入車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)后，儲(chǔ)能系統(tǒng)承擔(dān)了部分峰值功率，牽引網(wǎng)出力減小，同時(shí)牽引網(wǎng)側(cè)電壓降落有所改善。

2)制動(dòng)能量回收

當(dāng)PM<0，儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)列車(chē)制動(dòng)工況產(chǎn)生的制動(dòng)能量進(jìn)行回收。圖9為儲(chǔ)能系統(tǒng)接入前后牽引網(wǎng)輸出功率及牽引網(wǎng)電壓有效值曲線，儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收全部制動(dòng)功率，同時(shí)看出牽引網(wǎng)電壓抬升情況有所改善，達(dá)到了列車(chē)在下坡工況再生制動(dòng)能量回收和牽引網(wǎng)側(cè)電壓穩(wěn)定的目的。

圖9 下坡工況仿真結(jié)果Fig.9 Traction network power under downhill condition

5.3.2 諧波補(bǔ)償

1)有源濾波

圖10 (a)，10(b)所示為制動(dòng)工況下網(wǎng)側(cè)電流波形及頻譜分析，可看出此時(shí)網(wǎng)側(cè)電流發(fā)生了畸變，波形THD達(dá)到20.56%，在其諧波含量中，低次諧波集中在3，5，7，9和11次等，高次諧波主要分布在45，47，49，51，53和55次，測(cè)試結(jié)果與文獻(xiàn)[3]中一致。對(duì)牽引變壓器二次側(cè)進(jìn)行諧波電流檢測(cè)后，提取出的制動(dòng)工況下基波電流inp1頻譜及諧波電流inh1頻譜分別如圖10(c)和10(d)所示。諧波電流的頻譜分布與圖10(b)基本吻合，實(shí)現(xiàn)了諧波電流與基波電流提取。

圖10 補(bǔ)償前制動(dòng)工況網(wǎng)側(cè)電流波形及頻譜Fig.10 Traction current waveform and frequency spectrum of the braking condition without compensation

補(bǔ)償后牽引網(wǎng)側(cè)電流及頻譜如圖11所示，圖中儲(chǔ)能系統(tǒng)有源濾波功能啟動(dòng)后，網(wǎng)側(cè)電流畸變得到較大程度改善，電流THD由20.56%降至7.34%，列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的特定次諧波電流得到消除。

圖11 補(bǔ)償后制動(dòng)工況網(wǎng)側(cè)電流波形及頻譜Fig.11 Traction current waveform and frequency spectrum of the braking condition after compensation

2)諧波吸收

補(bǔ)償前牽引網(wǎng)側(cè)電流波形及頻譜如圖12(a)和12(b)所示，牽引工況網(wǎng)側(cè)電流諧波分布與制動(dòng)工況類(lèi)似，但含量均有下降。對(duì)牽引變壓器二次側(cè)進(jìn)行諧波電流檢測(cè)，提取出的牽引工況下諧波電流inh2頻譜及基波電流inp2頻譜如圖12(c)和12(d)所示。

圖12 補(bǔ)償前牽引工況網(wǎng)側(cè)電流波形及頻譜Fig.12 Traction current waveform and frequency spectrum of the traction condition without compensation

利用儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)牽引變壓器二次側(cè)諧波進(jìn)行吸收后，網(wǎng)側(cè)電流波形及頻譜如圖13所示，可看出網(wǎng)側(cè)電流畸變有明顯改善，網(wǎng)側(cè)電流THD由15.72%降至1.79%，可見(jiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)接入后實(shí)現(xiàn)了對(duì)牽引網(wǎng)側(cè)特定次諧波的消除。

圖13 補(bǔ)償后牽引工況網(wǎng)側(cè)電流波形及頻譜Fig.13 Traction current waveform and frequency spectrum of the traction condition after compensation

3)諧振過(guò)電壓抑制

當(dāng)列車(chē)向牽引網(wǎng)注入的某頻率諧波電流與牽引網(wǎng)諧振頻率一致，列車(chē)會(huì)與牽引網(wǎng)發(fā)生耦合諧振，此時(shí)牽引網(wǎng)電壓如圖14所示，網(wǎng)側(cè)電壓發(fā)生畸變并出現(xiàn)一定程度的抬升，峰值達(dá)到43.4 kV。1.65 s處進(jìn)行諧波補(bǔ)償，列車(chē)端電壓下降至正常值。

圖14 牽引網(wǎng)電壓變化波形Fig.14 Variation of traction network voltage waveform

綜上，本文所提出的方案及控制策略可有效降低因工況導(dǎo)致的牽引網(wǎng)電壓波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)能量回收，并針對(duì)高速列車(chē)牽引網(wǎng)特定次諧波電流進(jìn)行抑制，有效抑制車(chē)網(wǎng)諧振過(guò)電壓的發(fā)生。

6 結(jié)論

1)本文所建立的車(chē)側(cè)接入儲(chǔ)能方案能夠達(dá)到再生制動(dòng)能量回收再利用的目的，實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效。

2)所提出的方案能夠有效改善山區(qū)路段因列車(chē)工況引起的牽引網(wǎng)電壓波動(dòng)，保障行車(chē)安全。

3)研究的牽引網(wǎng)諧波電流抑制方法，可利用儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出補(bǔ)償電流對(duì)牽引變流器產(chǎn)生的諧波進(jìn)行消除，降低網(wǎng)側(cè)電流諧波含量，減少諧振過(guò)電壓的發(fā)生。

需要指出的是，對(duì)于儲(chǔ)能介質(zhì)容量的配置，與實(shí)際線路結(jié)合的充放電閾值的最優(yōu)化和儲(chǔ)能設(shè)備自身重量對(duì)列車(chē)可能產(chǎn)生的影響等問(wèn)題是下一步的研究方向。