牵引供电系统末端网压稳定技术研究

发表时间:2020/12/23   来源:《基层建设》2020年第24期   作者:吕磊
[导读] 摘要:随着经济和科技水平的快速发展,铁路牵引供电系统将公共电网的110kV或220kV三相电源转换为27.5kV单相电源供给电力机车。
        中国铁路哈尔滨局集团有限公司调度所  150001
        摘要:随着经济和科技水平的快速发展,铁路牵引供电系统将公共电网的110kV或220kV三相电源转换为27.5kV单相电源供给电力机车。通常情况下,交流电气化铁路每隔30-60km即设置1处牵引变电所,提供馈线电源;2个变电所之间设置1个分区所,牵引变电所的上行和下行馈线电源末端于分区所内并联,以降低接触网等效阻抗,并稳定末端网压。牵引供电系统网压稳定性是保障牵引供电系统供电能力和线路运输能力的重要因素。根据GB/T1402-2010《轨道交通牵引供电系统电压》的规定,牵引供电系统的标称电压为25kV,变电所空载条件下的母线电压应小于或等于27.5kV;正常情况下,最低持续电压为19kV,最高持续电压为27.5kV,最高非持续电压为29kV;非正常情况下,最低非持续电压为17.5kV;设备可承受的最高非持续电压为30.5kV。网压过高或过低都将严重影响电气化铁路供电设备和电力机车的可靠运行:当牵引网电压过高时,将导致机车过压保护动作,机车输出功率封锁,且加速电气设备绝缘老化,降低使用寿命;当牵引网电压过低时,机车牵引力严重下降,将造成列车失速或停驶。
        关键词:牵引供电系统;分区所;末端网压;稳压方案
        引言
        近年来国内相继出现多起电气化铁路低频振荡现象,振荡严重时甚至导致机车牵引封锁无法正常运行。为解决此问题,主要从系统稳定性角度深入分析电气化铁路低频网压振荡现象。建低频振荡车网互联模型。基于改进型阻抗判据,以徐州北铁路枢纽牵引供电系统为例,进行车网级联系统的稳定性保守分析,机车变流器主要影响参数和牵引供电网主要影响参数进行稳定性取值分析。通过仿真测试对比,验证了本文针对牵引供电系统中低频网压稳定性研究结论的有效性。
        1末端网压稳定方案设计
        当牵引网末端电压过高时,通常可采用调低牵引主变低压侧出口电压的方案处理,但当线路重载时,末端电压将大幅下降,又需动态调高主变低压侧出口电压,主变档位调节频繁;当牵引网末端电压过低时,可采用扩大变压器的容量、加大接触网线路的线径、改变牵引网供电方式、缩短供电臂长度、增加串联补偿等方法,通过减小变压器及线路的等效阻抗来减少接触网线路的电压损失,提高供电能力。上述方案改造投资大、工期长、施工难度高,因此,亟待设计新型稳压方案,研制新型稳压装置。当选择在牵引变电所出口位置,即①处安装网压补偿装置时,可消除公共电网电压波动的影响,保证牵引变电所一次侧功率因数较高,提高了牵引主变的利用率,但是由于电流仍在补偿装置和分区所之间的接触网上流动,因此并不能有效地稳定末端网压。当选择在分区所馈线末端位置,即②处安装网压补偿装置时,能够消除公共电网电压波动的影响,可以对大功率机车负荷产生的感性无功电流进行就地补偿,当机车通过供电臂末端时,仅剩有功电流流过接触网,而且可以对负荷有功分量的压降进行补偿,有效地提高接触网电压,提高主变一次侧的功率因数,增强线路的有功输送能力,同时也能抑制空载线路的末端电压过高,保障设备安全。因此,为有效稳定牵引供电系统末端电压,需在分区所增设网压补偿装置。
        2以恒定斜率降低电制动力
        车载牵引系统在网压大于最高持续电压后,以恒定斜率降低电制动力,并在此过程中补充机械制动。因为牵引系统电制动功率为电制动力与列车运行速度的乘积,所以当列车在施加制动时,随着列车速度和电制动力的减小,电制动功率也将随之减小,降低了再生制动能量,从而有效抑制了网压的进一步增加。当电制动力为0时,电制动功率为0。当牵引系统检测到输入直流电压大于最高持续电压时,系统将以一个恒定的斜率来减小电制动力,该斜率的设置通常和牵引系统的过压保护激活条件关联。牵引系统过压保护封锁的条件是电压大于等于940V且超过200ms。

当牵引系统以82.585kN/s的斜率降低电制动力时,可以保证在200ms的时间内使电制动力下降至0,不会触发过压保护。同样,应用此过压控制方式的牵引系统也具有过压斩波功能。对于配备制动电阻的车辆,受电弓或集电靴的电压维持在最高持续电压水平。对于配备轨旁能量吸收装置的线路,首先将通过轨旁能量吸收装置来对线路进行稳压,当轨旁能量吸收装置不可再吸收列车的多余电能时,应采用此过压控制方式来抑制电压的进一步上升。配备轨旁能量吸收装置的线路,其车辆牵引系统过压斩波功能的阈值通常设置在最高持续电压和最高非持续电压之间。
        3矢量控制
        通过采用高性能微处理器进行矢量控制,实现1)并网运行控制方式。矢量控制,通过把SIV的三相交流输出电压分离到d轴与q轴进行独立控制,实现了高应答高精度的电压控制,从而相对负载变动,接触网电压变动,能够提供稳定的输出。2)矢量电压控制。把SIV输出电压瞬时值通过dq坐标分离为有效成分(d轴)与无效成分(q轴),以直流量的形式检测出,通过PI(比例积分)控制进行与指令值一致的定电压控制,理论上能够实现瞬时的电压检测。辅机,以主机的输出电流d轴q轴为指令值,通过PI控制,进行电流控制使辅机的输出电流与指令值一致。3)AC滤波衰减控制。相当于以往控制的输出电流控制的控制系,补偿伴随逆变器输出电流的变动而发生的输出电压变动。4)DC滤波衰减控制。控制输出电压抑制负载突然变化以及接触网电压突然变化等干扰时发生的过度的滤波电容器电压的振动现象。
        4稳压装置运行策略
        根据GB/T1402-2010《轨道交通牵引供电系统电压》的规定,结合各类机车网压-功率发挥曲线,综合考虑有功电流和无功电流对供电臂末端电压的影响,定义U1为1#馈线电源末端电压,U2为2#馈线电源末端电压,设定铁路功率调节器装置(RPC)运行策略如下:(1)当U1>27.5kV或U2>27.5kV时,变流器发出滞后感性无功,装置等效为并联在供电臂末端的电抗器,感性无功流过线路阻抗致使电压下降,从而降低供电臂末端电压;(2)当U1<22.5kV或U2<22.5kV时,变流器发出超前容性无功,装置等效为并联在供电臂末端的电容器,容性无功流过线路阻抗致使电压上升,从而提高供电臂末端电压;(3)同时,当|U1−U2|>1kV时,装置输出增加有功功率融通功能,由高电压侧向低电压侧传输额定有功功率PRPC,即高电压侧变流器输入有功功率,装置等效为电阻负载,而低电压侧变流器输出有功功率,装置等效为电压源,通过有功功率传输降低两侧末端压差;(4)其他情况下变流器运行在空载状态。
        结语
        系统低频网压振荡稳定性分析的牵引网参数和整流器控制参数的调整与确定,在本质上都是为了实现两个子系统之间阻抗的相互匹配,进而可以实现车网级联系统的稳定性。能够稳定直流网压、提高供电质量、降低越区供电、减少线路损耗、降低轨电位等优点,因此具有非常广阔的推广应用价值。基于无功输出以及有功融通双重措施,铁路功率调节器能够有效稳定网压,通过在分区所安装该设备,可以同时控制双边变电所馈线末端电压,具有其他方案不可比拟的优越性,值得推广应用。
        参考文献:
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        [2]陆然.城市轨道交通变电站中的无功补偿分析[J].天津电力技术,2011.
        [3]李春清,王志刚,范中,等.大秦线延庆—下庄供电臂电压偏低的解决方案[J].电气化铁道,2004(5):14-17.
        [4]任磊.静止无功发生器的研究[D].西安:西安科技大学,2018.
 
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