电气化铁道牵引供电系统电压损失补偿方法研究_王浩宇.pdf

收稿日期:2022-08-01基金项目:(区间信号)省级示范性课程作者简介:王浩宇(1984-),男,重庆人,本科,讲师,主要研究方向为轨道交通。电气化铁道牵引供电系统电压损失补偿方法研究王浩宇(西南交通大学希望学院,成都 610400)摘 要:为解决现有电压损失补偿方法存在的补偿效果、效率不佳的问题,提出电气化铁道牵引供电系统电压损失补偿优化方法。根据牵引供电系统的供电方式和硬件设备的空间关系,构建电气化铁道牵引供电系统数学模型。在该模型下,模拟供电系统负荷过程。通过计算供电系统电压损失量,确定电压的待补偿值,利用安装的静态无功补偿器,实现供电系统的电压损失补偿。经过补偿效果测试实验得出结论:在三种不同的牵引工况下,应用设计的损失补偿方法能够将供电系统输出电压的畸变率控制在 1%以下,且补偿时间开销低于 30 s,即设计电压损失补偿方法在效果和效率两个方面均具有明显优势。关键词:电气化铁道;牵引供电系统;电压损失;电压补偿 中图分类号:TP202;TM922 文献标识码:A DOI 编码:10.14016/ki.1001-9227.2023.01.257Research on voltage loss compensation method for traction power supply system of electrified railwayWANG haoyu(Southwest Jiaotong University Hope Collage,Chengdu,610400,China)Abstract:In order to solve the problems of poor compensation effect and efficiency of the existing voltage loss compensa-tion methods,an optimization method for voltage loss compensation of traction power supply system of electrified railway is proposed.According to the spatial relationship between the power supply mode of traction power supply system and hardware equipment,the mathematical model of traction power supply system of electrified railway is constructed.In this model,the load process of power supply system is simulated.By calculating the voltage loss of the power supply system,the value of volt-age to be compensated is determined,and the installed static var compensator is used to realize the voltage loss compensation of the power supply system.Through the compensation effect test experiment,it is concluded that under three different trac-tion conditions,the designed loss compensation method can control the distortion rate of the output voltage of the power supply system below 1%,and the compensation time overhead is less than 30s,that is,the designed voltage loss compensation meth-od has obvious advantages in effect and efficiency.Key words:electrified railway;traction power supply system;voltage loss;voltage compensation0 引言电气化铁路是自动化时代环境下的产物,是采用电力牵引的铁路1。电气化铁路作为电力系统的重要负荷,为铁路列车的正常运行提供支持,并要求系统供电具有较高的可靠性。在电气化铁路上,运行由电力机车牵引的列车,为保证铁路上的列车具备充足的动力在铁路沿线上设立了多个供电系统,由此组成了电力牵引供电系统2-4。目前普速类电气化铁路主要使用的牵引供电方式为带回流线的直接供电方式。由于电气化铁道在牵引的同时也带来了无功、谐波电压波动等电能质量问题。其中电能波动的明显影响行为就是电压骤降,不仅可能威胁到牵引以及供电系统的安全和经济运行,还可能由于动力不足,导致电气化铁道上的列车出现运行故障。为了最大程度地降低电气化铁路的运行风险,需要针对不同的运行工况对牵引供电系统电压进行损失补偿处理。从当前的研究情况来看,现有的电压损失补偿方法普遍存在补偿效果不佳的问题,具体体现在电压补偿过大、过小以及不稳定补偿,电压损失补偿过大会损害到供电系统甚至电气化铁路的硬件设备,而电压补偿过小则无法达到补偿目标。若电气补偿出现不稳定地情况,则会直接导致供电系统电压输出不稳定,进而影响实际的电气化铁路牵引供电效果。为了解决上述现有补偿方法存在的问题,在现有方法的基础上对其进行优化设计,以期能够提高供电系统的电压损失补偿效果,进而保证电气化铁路的牵引效率。1电气化铁道牵引供电系统电压损失补偿方法设计1.1 构建电气化铁道牵引供电系统数学模型752自动化与仪器仪表2023 年第 1 期(总第 279 期)以带回流线为直接供电方式的系统运行原理如图 1所示。图 1 带回流线直接供电方式示意图图 1 中 R 为钢轨,C 为接触线,F 和 R 分别为供电电缆。在此基础上结合供电系统的硬件设备分布情况,构建相应的数学模型,如图 2 所示。图 2 电气化铁道牵引供电系统结构图图 2 中 MSS 为主牵引变电所,内部包括牵引主变压器 MTT 和负序补偿装置 NCD5。其中牵引主变压器MTT 的运行满足如下关系:?IA?IB?IC=13KT-13-1320?IL?IR(1)其中,?IA、?IB、?IC、?IL和?IR分别表示的是系统 A、B、C 流入高压侧绕组电流和左右接触网上的电流,而参数 KT表示的是高压侧匝数的变比。TT 为单相牵引变压器,每隔一段距离其原边绕组与供电电缆及回流电缆并接,同时次边绕组与接触网和钢轨并接6。供配电与钢轨共同构成电压转换、向列车供电的牵引网络。在供电系统运行过程中,系统内部导体分别产生自阻抗和互阻抗,阻抗参数表达式如下:Zii=ri+0.049+j0.144 6lnDgRiZij=0.05+j0.144 6lnDgdij (2)公式(2)的计算结果 Zii和 Zij分别为导体 i 自身产生的阻抗以及导体 i 和 j 之间产生的阻抗。变量 ri和 Ri为导线的有效电阻值和等值半径,dij和 Dg对应的是两个导线之间的距离和地等值回路7。通过供电系统中三相电力系统、牵引变电所、牵引网以及电力机车四个模块的协同作用,实现供电系统的电气化铁路牵引供电功能。1.2 模拟电气化铁道牵引供电系统负荷过程图 3 为电气化铁道牵引供电系统的负荷模拟过程。图 3 电气化铁道牵引供电系统负荷模拟流程图电气化铁道牵引供电系统负荷过程的模拟是以时间为驱动的,从初始时刻 t0开始,每 t 时间步长,对一次列车在线路上供电设施的各项参数在构建的供电系统数学模型下进行潮流计算,并将输出的潮流计算结果存储到结果数据库中8。供电系统的潮流计算,将整条线路以变电所为单位划分,对于第 k 个变电所,其左供电臂所包含的列车数为 TrL,右供电臂所包含的列车数为 TrR 个。设置收敛精度为 e,设定 k 的初始值为 1。计算第 k 个变电所的次边端口初始电流,将其标记为?I。假设此时每列列车初始电压与其各自初始馈线端口电压相等,更新列车电流,由此形成第 k 个变电所的电流矩阵和电压矩阵。对第 k 个变电所的潮流计算进行收敛判断,若满足收敛调整则直接输出潮流计算结果,否则需要重复上述流程继续迭代,直到满足收敛条件为止。最终将供电系统各支路电流和各节点电压输出,完成供电系统负荷模拟过程中的潮流计算处理9。按照上述流程增加一个步长,继续模拟,直到结束为止,直到运行时刻 t 到达终点 T,完成电气化铁道牵引供电系统的负荷模拟。在供电负荷模拟过程中需要考虑谐振的变化与影响,一般供电系统会产生并联和串联两种形式的谐振,其谐振频率可以表示为:fpar=fSQfser=fXcLC(3)式中,S 和 Q 分别为系统短路和电容器的容量,Xc和 LC分别为系统感抗和容抗值,f 为基波频率。当并联谐振发生时,电容与电感并联对外电路相等于电压源,引起电压放大,而串联谐振的谐振源则是电力机车,与牵引852电气化铁道牵引供电系统电压损失补偿方法研究 王浩宇网、牵引变电所共同构成串联回路10。在并联谐振和串联谐振的共同作用下,导致电气化铁道牵引供电系统出现电压损失。1.3 安装供电系统电压损失补偿设备选用静态无功补偿器作为电气化铁道牵引供电系统电压损失补偿装置。静态无功补偿器是由并联电抗器或电容与可调/可控电抗器组合而成。图 4 表示的是电压损失补偿装置的安装电路。图 4 电压损失补偿装置连接电路图TCR 支路是由两根反向并联晶闸管与固定电感串联构成,在电压波形从电压峰值至电压过零段期间,晶闸管处于正电压状态,从而实现电感接入11。当两个晶闸管同时关闭时,在流过感应器中没有电流通过时,要使感应器线圈流过电流,则两个晶闸管中必有一个导通。该补偿过程中,TCR 的容量是连续动态可调的,通过改变 TCR 中晶闸管的通量来调整容量大小。安装电压损失补偿设备允许的最大补偿容量可以表示为:QSVC=Pmaxtan1-tan2()(4)式中,1和 2分别为补偿前后供电系统的功率因数角,Pmax表示的是牵引供电系统负荷的最大有功功率12。在实际的电压损失补偿过程中,首先将计算得出的待补偿值输入到安装的补偿装置中,判断待补偿量与公式(4)计算出的最大补偿量之间的关系,若待补偿量大于QSVC则需要执行两次以上的补偿操作,否则可以驱动补偿装置,即可完成电压损失补偿。1.4 计算供电系统电压损失量电气化铁道牵引供电系统中的变电所至机车处的电压降方程可以表示为:Zii-Zij()l1?Iii=Zii-Zij()2l-l1()?Iij?I1=?Iii+?Iij(5)式中,Zii和 Zij分别表示的是自阻抗和互阻抗,可以通过公式(2)直接计算得出。?Iii和?Iij为流经内部导体的自电流和交互电流,另外?I1为电流总值,而 l1和 l 分别为机车长度和变电所移动至机车的距离13。牵引供电系统中的变压器电压损失可以表示为:UT=0.368XTI1max+I2av()(6)式中,变量 XT为电抗值,I1max和 I2av分别为重、轻负荷供电臂的最大电流和平均电流。同理可以得出电力系统的电压损失计算结果为:US=0.415XSI1max+I2av()(7)其中,变量 XS为系统的短路阻抗14。若供电系统的理论运行电压为 U0,则待电压损失补偿量可以表示为:Q=U0-US+UT()(8)按照公式(8)的计算原理可以计算出供电系统中三相电压的补偿量,最终将计算结果作为初始数据代入到安装的供电系统电压损失补偿设备中,为补偿设备的运行提供补偿信号。1.5 实现电气化铁道牵引供电系统电压损失补偿采