余 綱，黃文勛

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043）

0 引言

目前我國電氣化鐵路動(dòng)車組多采用交-直-交方式牽引模式。實(shí)際運(yùn)行中動(dòng)車組頻繁啟動(dòng)、加速、惰行和制動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生較大的再生制動(dòng)能量。當(dāng)交直交機(jī)車采用再生制動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的電量將通過受電弓返送至接觸網(wǎng)，引起牽引網(wǎng)及接觸網(wǎng)系統(tǒng)電壓變化，特別是在長大坡道區(qū)段，機(jī)車剎車及減速，產(chǎn)生制動(dòng)能量較大，易出現(xiàn)列車制動(dòng)能力下降、機(jī)車斷路器斷開、接觸網(wǎng)電壓升高、變電所跳閘等現(xiàn)象，影響牽引供電系統(tǒng)和機(jī)車的安全和運(yùn)行［1-4］。

為了解決牽引網(wǎng)電壓抬升問題，本文從國內(nèi)某典型牽引變電負(fù)荷數(shù)據(jù)為例，定量評(píng)估了長大坡區(qū)段的日再生制動(dòng)能量特性，并分析了日再生制動(dòng)功率最大時(shí)刻的牽引網(wǎng)電壓抬升情況；然后基于WEBANET仿真軟件，模擬分析動(dòng)車組及交直交機(jī)車在極端工況下再生制動(dòng)時(shí)對(duì)電氣參數(shù)的影響；最后提出了解決車網(wǎng)耦合電氣特性的工程措施。

1 大功率列車再生制定對(duì)牽引網(wǎng)電氣參數(shù)影響分析

為了深入掌握高速鐵路長大坡道區(qū)段再生制動(dòng)能量特性，分析再生制動(dòng)能量對(duì)牽引網(wǎng)電氣參數(shù)影響，以實(shí)測數(shù)據(jù)入手，分析大功率列車再生制動(dòng)運(yùn)行情況下牽引變電所的日負(fù)荷有功功率變化曲線如圖1所示。

圖1 日負(fù)荷有功功率變化曲線

由圖1可知，實(shí)測的各項(xiàng)電氣參數(shù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 該供電臂電能情況

根據(jù)測試數(shù)據(jù)可見，該供電臂位于長大坡道區(qū)段，且線路上運(yùn)行的全部是大功率的交直交型列車，其產(chǎn)生的再生制動(dòng)能量，即使有一部分被同一供電臂上的其他機(jī)車使用，最終反送回電網(wǎng)的再生制動(dòng)能量仍然比較大［5］。

針對(duì)該臂日再生制動(dòng)功率最大時(shí)刻，即采樣點(diǎn)為48 100～48 700點(diǎn)時(shí)刻，相關(guān)電氣參數(shù)變化見圖2～圖4。

圖2 日再生制動(dòng)功率最大時(shí)刻有功功率曲線

圖4 日再生制動(dòng)功率最大時(shí)刻分區(qū)所電壓曲線

由圖3可知，在日再生制動(dòng)功率的最大時(shí)刻，上行T線電流出現(xiàn)了兩次陡增，分區(qū)所前后有兩列機(jī)車通過。由圖4可知，該時(shí)刻分區(qū)所電壓均出現(xiàn)明顯抬升，但均未超過29 kV。其中，上行T線電壓抬升最明顯，最大值達(dá)到28.11 kV，上行F線電壓最大值為27.64 kV，下行T線電壓最大值為27.65 kV，下行F線電壓最大值27.68 kV。

圖3 日再生制動(dòng)功率最大時(shí)刻分區(qū)所電流曲線

針對(duì)上述實(shí)測數(shù)據(jù)分析，考慮到目前電氣化鐵路已經(jīng)向高海拔、長大坡道區(qū)段發(fā)展［6］，因此，開展長大坡道上再生制動(dòng)對(duì)牽引網(wǎng)電壓抬升的影響研究是很有必要和意義的。

2 長大坡道機(jī)車再生制動(dòng)對(duì)牽引網(wǎng)及接觸網(wǎng)電壓抬升影響研究

本節(jié)基于WEBANET仿真軟件，模擬分析了CRH380AL和HXD1機(jī)車在不同制動(dòng)條件下采用最大制動(dòng)功率制動(dòng)時(shí)對(duì)牽引網(wǎng)電壓的影響。首先假設(shè)存在一段坡道，坡道長度20 km，坡度-30‰，在坡道起點(diǎn)設(shè)置一座牽引變電所，坡道終點(diǎn)設(shè)置一座分區(qū)所，使整個(gè)供電臂均位于該坡道上。列車在坡道起點(diǎn)以線路最高運(yùn)行速度運(yùn)行，在坡道終點(diǎn)制動(dòng)減速至0，以保證列車采用最大制動(dòng)功率制動(dòng)。下面分別對(duì)單面下坡1列機(jī)車、單面下坡2列機(jī)車追蹤和上下行機(jī)車追蹤運(yùn)行，采用最大制動(dòng)功率制動(dòng)時(shí)，牽引網(wǎng)電壓的波動(dòng)情況進(jìn)行分析。

2.1 單面下坡1列機(jī)車最大制動(dòng)功率的影響

基于上述坡道，模擬一列CRH380AL機(jī)車單面下坡運(yùn)行，采用最大制動(dòng)功率制動(dòng)，其功率變化和電壓變化曲線如圖5，圖6所示。

圖5 CRH380AL機(jī)車功率變化曲線

圖6 CRH380AL機(jī)車電壓變化曲線

由圖可知，一列CRH380AL機(jī)車單面下坡運(yùn)行，采用最大制動(dòng)功率制動(dòng)時(shí)，最大再生制動(dòng)功率可以達(dá)到-10.23 MW，牽引網(wǎng)電壓抬升最高為28.78 kV。

基于上述坡道，模擬一列HXD1機(jī)車單面下坡運(yùn)行，采用最大制動(dòng)功率制動(dòng)時(shí)，其功率變化和電壓變化曲線如圖7，圖8所示。

圖7 HXD1機(jī)車功率變化曲線

圖8 HXD1列車電壓變化曲線

由圖8可知，一列HXD1機(jī)車單面下坡運(yùn)行，采用最大制動(dòng)功率制動(dòng)時(shí)，最大再生制動(dòng)功率可以達(dá)到-15.37 MW，牽引網(wǎng)電壓抬升最高為29.42 kV，已經(jīng)超過了國標(biāo)限值（29 kV）［7］。

經(jīng)上述分析，正常制動(dòng)和最大功率制動(dòng)下，CRH380AL和HXD1機(jī)車的制動(dòng)功率對(duì)比如表2所示。

表2 正常制動(dòng)和最大功率制動(dòng)下機(jī)車的制動(dòng)功率

2.2 單面下坡機(jī)車追蹤最大制動(dòng)功率的影響

基于上述坡道，模擬CRH380AL機(jī)車單面下坡追蹤運(yùn)行，采用最大制動(dòng)功率制動(dòng)，其電壓變化曲線見圖9。

圖9 CRH380AL機(jī)車電壓變化曲線

由圖9可知，CRH380AL機(jī)車單面下坡追蹤運(yùn)行，采用最大制動(dòng)功率制動(dòng)時(shí)，牽引網(wǎng)電壓抬升最高29.18 kV，已經(jīng)超過了國標(biāo)限值（29 kV）。

基于上述坡道，模擬HXD1機(jī)車單面下坡追蹤運(yùn)行，采用最大制動(dòng)功率制動(dòng)，其電壓變化曲線如圖10所示。

由圖10可知，HXD1機(jī)車單面下坡追蹤，采用最大制動(dòng)功率制動(dòng)時(shí)，牽引網(wǎng)電壓抬升最高為30.01 kV，已經(jīng)超過了國標(biāo)限值（29 kV）。

圖10 HXD1列車電壓變化曲線

2.3 上下行機(jī)車追蹤最大制動(dòng)功率的影響

基于上述坡道，模擬CRH380AL機(jī)車上下行追蹤運(yùn)行，采用最大制動(dòng)功率制動(dòng)，其電壓變化曲線見圖11。

圖11 CRH380AL機(jī)車電壓變化曲線

由圖11可知，CRH380AL機(jī)車上下行追蹤運(yùn)行，采用最大制動(dòng)功率制動(dòng)時(shí)，牽引網(wǎng)電壓抬升最高28.01 kV。

基于上述坡道，模擬HXD1機(jī)車上下行追蹤運(yùn)行，采用最大制動(dòng)功率制動(dòng)，其電壓變化曲線如圖12所示。

圖12 HXD1列車電壓變化曲線

由圖12可知，HXD1機(jī)車上下行追蹤運(yùn)行，采用最大制動(dòng)功率制動(dòng)時(shí)，牽引網(wǎng)電壓抬升最高為28.03 kV。

綜合上述分析比較，當(dāng)單面下坡機(jī)車追蹤運(yùn)行，采用最大制動(dòng)功率制動(dòng)時(shí)，牽引網(wǎng)電壓抬升最明顯，均超過了國標(biāo)限值，需對(duì)其采取抑制措施，下面對(duì)抑制機(jī)車再生制動(dòng)對(duì)牽引網(wǎng)電壓抬升的措施進(jìn)行研究。

3 再生制動(dòng)引起牽引網(wǎng)電壓抬升抑制措施研究

為解決再生制動(dòng)引起的牽引網(wǎng)車網(wǎng)耦合問題，提出如下工程措施，分別為加裝吸能裝置、加裝儲(chǔ)能裝置、變壓器設(shè)置有載調(diào)壓開關(guān)和利用同相雙邊供電技術(shù)，下面分別對(duì)其進(jìn)行研究。

3.1 加裝吸能裝置

在接觸網(wǎng)適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)加裝吸能裝置，就近釋放列車制動(dòng)能量。其中釋放裝置可考慮采用電抗器，一般設(shè)置在供電臂末端，其原理如圖13所示。

圖13 分區(qū)所加裝并聯(lián)電抗器原理圖

搭建了變電所和一條供電臂的仿真模型，在其分區(qū)所加裝了并聯(lián)電抗器。為了體現(xiàn)并聯(lián)電抗器的工作效果，模擬了三種連續(xù)運(yùn)行工況。其中，0 s～0.2 s，該供電臂上沒有機(jī)車；0.2 s時(shí)，兩列HXD1機(jī)車以最大制動(dòng)功率（均為-15 MW）制動(dòng)接入該供電臂，此時(shí)并聯(lián)電抗器未投入運(yùn)行；0.4 s時(shí)，并聯(lián)電抗器投入運(yùn)行。此時(shí)，分區(qū)所牽引網(wǎng)電壓波形如圖14所示，分區(qū)所牽引網(wǎng)電壓有效值如圖15所示。

圖14分區(qū)所牽引網(wǎng)電壓波形(一)

圖15 分區(qū)所牽引網(wǎng)電壓有效值(一)

由圖14，圖15可知，0.2 s，機(jī)車由制動(dòng)狀態(tài)接入牽引網(wǎng)時(shí)，分區(qū)所牽引網(wǎng)電壓由27.5 kV抬升到最高29.78 kV；0.4 s，并聯(lián)電抗器接入牽引網(wǎng)時(shí)，分區(qū)所牽引網(wǎng)電壓降低到27.72 kV左右。仿真結(jié)果證明了吸能裝置并聯(lián)電抗器可以有效解決牽引網(wǎng)電壓抬升問題。

3.2 加裝儲(chǔ)能裝置

儲(chǔ)能裝置一般安裝在供電臂末端或首端。儲(chǔ)能元器件可考慮采用超級(jí)電容形式［8-9］，如圖16所示。

圖16 分區(qū)所加裝儲(chǔ)能裝置原理圖

搭建了變電所和一條供電臂的仿真模型，在其分區(qū)所加裝了儲(chǔ)能裝置。為了體現(xiàn)儲(chǔ)能裝置的工作效果，模擬了四種連續(xù)運(yùn)行工況。其中，0 s～0.2 s，該供電臂上沒有機(jī)車；0.2 s時(shí)，兩列HXD1機(jī)車以最大制動(dòng)功率（均為-15 MW）制動(dòng)接入該供電臂，此時(shí)儲(chǔ)能裝置未投入運(yùn)行；0.4 s時(shí)，儲(chǔ)能裝置投入運(yùn)行。此時(shí)，分區(qū)所牽引網(wǎng)電壓波形如圖17所示，分區(qū)所牽引網(wǎng)電壓有效值如圖18所示。

圖17 分區(qū)所牽引網(wǎng)電壓波形(二)

圖18 分區(qū)所牽引網(wǎng)電壓有效值(二)

由圖17，圖18可知，0.2 s，機(jī)車由制動(dòng)狀態(tài)接入牽引網(wǎng)時(shí)，分區(qū)所牽引網(wǎng)電壓由27.5 kV抬升到最高29.78 kV；0.4 s，儲(chǔ)能裝置接入牽引網(wǎng)時(shí)，其以3 MW的充電功率吸收再生制動(dòng)能量，此時(shí)分區(qū)所牽引網(wǎng)電壓降低到28.13 kV。0.6 s，儲(chǔ)能裝置以5 MW的充電功率吸收再生制動(dòng)能量時(shí)，此時(shí)分區(qū)所牽引網(wǎng)電壓降低到27.22 kV。仿真結(jié)果證明了儲(chǔ)能裝置可以有效解決牽引網(wǎng)電壓抬升問題。

3.3 變壓器設(shè)置有載調(diào)壓開關(guān)

搭建了變電所和一條供電臂的仿真模型，并對(duì)變壓器高壓側(cè)設(shè)置有載調(diào)壓開關(guān)。為了體現(xiàn)變壓器設(shè)置有載調(diào)壓開關(guān)的工作效果，模擬了四種連續(xù)運(yùn)行工況。其中，在0 s～0.2 s，該供電臂上沒有機(jī)車；0.2 s時(shí)，兩列HXD1機(jī)車以最大制動(dòng)功率（均為-15 MW）制動(dòng)接入該供電臂，此時(shí)變壓器正常供電，0.4 s時(shí)，將有載調(diào)壓變壓器的分接頭調(diào)整為-2%。0.6 s時(shí)，將有載調(diào)壓變壓器的分接頭調(diào)整為-4%，此時(shí)分區(qū)所牽引網(wǎng)電壓波形如圖19所示，分區(qū)所牽引網(wǎng)電壓有效值如圖20所示。

圖19 分區(qū)所牽引網(wǎng)電壓波形(三)

圖20 分區(qū)所牽引網(wǎng)電壓有效值(三)

由圖19，圖20可知，0.2 s，機(jī)車由制動(dòng)狀態(tài)接入牽引網(wǎng)時(shí)，分區(qū)所牽引網(wǎng)電壓由27.5 kV抬升到最高為29.78 kV；0.4 s，有載調(diào)壓變壓器的分接頭調(diào)整為-2%，此時(shí)分區(qū)所牽引網(wǎng)電壓降低為28.67 kV；0.6 s，將有載調(diào)壓變壓器的分接頭調(diào)整為-4%，此時(shí)分區(qū)所牽引網(wǎng)電壓降低為28.14 kV。仿真結(jié)果證明了變壓器設(shè)置有載調(diào)壓開關(guān)可以有效解決牽引網(wǎng)電壓抬升問題［10］。

3.4 同相供電技術(shù)

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖21所示。

圖21 直接供電方式下同相雙邊供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，可以取消分段絕緣器實(shí)現(xiàn)同相雙邊供電?？紤]到供電靈活性和防止多個(gè)變電所形成環(huán)流等原因，保留分段斷路器［11］。

搭建了同相雙邊供電系統(tǒng)模型。為了體現(xiàn)同相雙邊供電的工作效果，模擬了三種連續(xù)運(yùn)行工況。其中，在0 s～0.2 s，該供電臂上沒有機(jī)車；0.2 s時(shí)，兩列HXD1機(jī)車以最大制動(dòng)功率（均為-15 MW）制動(dòng)接入供電臂，再生制動(dòng)能量只流入變電所1；0.4 s時(shí)，實(shí)行雙邊供電，再生制動(dòng)能量分別流入變電所1和變電所2。此時(shí)，負(fù)荷臂分區(qū)所牽引網(wǎng)電壓波形如圖22所示，分區(qū)所牽引網(wǎng)電壓有效值如圖23所示。

圖22 負(fù)載臂分區(qū)所牽引網(wǎng)電壓波形

圖23 負(fù)載臂分區(qū)所牽引網(wǎng)電壓有效值

由圖22，圖23可知，在同相供電系統(tǒng)中，0.2 s，機(jī)車由制動(dòng)狀態(tài)接入牽引網(wǎng)，此時(shí)分區(qū)所牽引網(wǎng)電壓由27.5 k V抬升到最高為29.78 k V；0.4 s，系統(tǒng)實(shí)行同相雙邊供電，此時(shí)分區(qū)所牽引網(wǎng)電壓降低28.37 kV。仿真結(jié)果證明了同相雙邊供電可以一定程度上解決牽引網(wǎng)電壓抬升問題。

4 結(jié)語

1）針對(duì)長大坡道再生制動(dòng)對(duì)牽引網(wǎng)及接觸網(wǎng)電壓抬升，以某典型牽引變電所實(shí)測數(shù)據(jù)，分析了日再生制動(dòng)功率最大時(shí)刻的牽引網(wǎng)及接觸網(wǎng)電壓抬升情況。

2）利用WEBANET仿真軟件，模擬分析了CRH380AL和HXD1機(jī)車在不同制動(dòng)條件下采用最大制動(dòng)功率制動(dòng)時(shí)對(duì)牽引網(wǎng)電壓的影響，得出當(dāng)單面下坡機(jī)車追蹤運(yùn)行，采用最大制動(dòng)功率制動(dòng)時(shí)，牽引網(wǎng)電壓抬升最明顯。

3）分析研究了抑制再生制動(dòng)對(duì)牽引網(wǎng)電壓抬升的幾種對(duì)策，并仿真驗(yàn)證了其有效性。