邵 巖，朱光亞

RTDS在牽引供電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

邵 巖，朱光亞

分析現(xiàn)有AT牽引供電系統(tǒng)仿真研究的特點(diǎn)，基于RTDS平臺對牽引供電系統(tǒng)各元件如牽引變電所，牽引變壓器及接觸網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了建模，實(shí)現(xiàn)了AT供電方式下的高速鐵路牽引供電系統(tǒng)數(shù)字實(shí)時仿真，比較了AT供電方式下單線和復(fù)線牽引供電系統(tǒng)的網(wǎng)壓水平，證明本文建立的牽引供電系統(tǒng)仿真模型具有較高的可用性和精確性，可以滿足工程需要。

牽引供電系統(tǒng)；仿真模型；RTDS；網(wǎng)壓水平

0 引言

牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特殊，復(fù)雜多樣，導(dǎo)致設(shè)計(jì)難度增加。如何利用現(xiàn)有軟件對牽引供電系統(tǒng)精確建模己經(jīng)成為鐵路研究領(lǐng)域的發(fā)展方向之一。早期的牽引供電系統(tǒng)分析主要通過數(shù)學(xué)建模來進(jìn)行，雖然計(jì)算結(jié)果較精確，但需要通過大量的理論計(jì)算或是輔助編程手段才能完成，實(shí)施過程時間長且難度大。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，越來越多的仿真軟件被應(yīng)用到牽引供電系統(tǒng)的分析計(jì)算中，比較常用的有simulink，PSCAD等，具有操作簡單及結(jié)果精確的特點(diǎn)，但弊端是都是物理仿真[3，4]，缺少在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用，不能顯示牽引供電系統(tǒng)的所有特性。

RTDS實(shí)時數(shù)字仿真是一種用于研究電力系統(tǒng)中電磁暫態(tài)現(xiàn)象的裝置，已廣泛應(yīng)用于眾多國家（地區(qū)）的電力企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)，是目前應(yīng)用較為廣泛的電磁暫態(tài)仿真程序，在RTDS上的測試比其他測試方法更全面，因?yàn)樗苣M諸多惡劣的但牽引供電系統(tǒng)現(xiàn)場運(yùn)行時經(jīng)常發(fā)生的情況，而這對于物理系統(tǒng)來說是不可能達(dá)到的。因此其在電力系統(tǒng)諸多領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，例如暫態(tài)分析、故障分析以及諧波分析等。本文利用RTDS的模型庫建立牽引供電系統(tǒng)仿真模型，對單線和復(fù)線AT供電方式進(jìn)行了仿真分析，比較理論數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果，驗(yàn)證所建立的牽引供電系統(tǒng)仿真模型的準(zhǔn)確性。

1 AT牽引供電系統(tǒng)

國內(nèi)高速鐵路普遍采用V/X接線牽引變壓器的AT供電方式。AT供電方式主要應(yīng)用于重載、高速等大電流運(yùn)行方式。AT供電方式克服了BT供電方式存在BT分段且易在弓網(wǎng)系統(tǒng)上產(chǎn)生強(qiáng)烈電弧的缺點(diǎn)，牽引供電電壓成倍提高，牽引變電所的間距增大至60 km左右，減少牽引變電所的數(shù)目，并且有效地減弱對通信線的干擾，供電可靠性得到顯著提高。

AT供電方式結(jié)構(gòu)如圖1所示。AT1、AT2是變比均為2∶1的自耦變壓器。其一端連接接觸線，另一端連接正饋線，中點(diǎn)接入軌道。正饋線與回流線相似，沿供電分區(qū)架設(shè)。在結(jié)構(gòu)和功能上，AT供電方式中的自耦變壓器和正饋線分別代替了BT供電方式中的吸流變壓器和回流線。自耦變壓器并聯(lián)接入電路中，消除了由于串聯(lián)于接觸網(wǎng)中產(chǎn)生的吸流變壓器分段。自耦變壓器原邊電源電壓為2× 27.5 kV；副邊電壓為27.5 kV，連接負(fù)載。相鄰2臺自耦變壓器之間的距離間隔長度一般為20 km。實(shí)際的AT間隔要考慮對通信線路的干擾及牽引供電的要求等諸多因素。

圖1 AT供電方式結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)元件仿真模型

2.1 外部電源模型

相對于牽引變電所而言，通常把為其供電的電力系統(tǒng)稱為一次系統(tǒng)或外部電源，外部電源為電氣化鐵路提供電壓等級為220 kV的高壓電源，是保證電氣化鐵路正常運(yùn)行的重要條件。

本文外部電源選用交流220 kV三相電壓源給牽引供電系統(tǒng)提供電壓，其模型見圖2。

2.2 牽引變壓器模型

牽引變壓器是一種特殊電壓等級的電力變壓器，應(yīng)承受牽引負(fù)荷變化劇烈以及外部短路頻繁的要求，是牽引變電所的“心臟”。其模型的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到牽引網(wǎng)電壓電氣量的分析研究，文中只對V/X接線變壓器進(jìn)行了仿真模型研究。

牽引變壓器采用國內(nèi)高速鐵路常用的V/X接線形式，單個變壓器的容量為31.5 MV·A。原副邊電壓為220 kV和27.5 kV。利用RTDS元件庫中自帶的變壓器模型搭建牽引變壓器模型。

2.3 牽引網(wǎng)模型

牽引網(wǎng)由饋（電）線、接觸網(wǎng)、鋼軌（地）、回流線等組成，完成對電力機(jī)車的送電任務(wù)。牽引網(wǎng)鐵路線布置是牽引供電系統(tǒng)分析中的重要組成部分，具有復(fù)雜性高，不確定因素多等特點(diǎn)。因此精確建模與化簡對牽引網(wǎng)的分析至關(guān)重要，文獻(xiàn)[6]對單線和復(fù)線AT牽引網(wǎng)做了詳細(xì)理論論述和建模，如圖3、圖4所示，后面的分析將基于文獻(xiàn)中的理論進(jìn)行。

圖3 單線AT網(wǎng)絡(luò)模塊圖標(biāo)

圖4 復(fù)線AT網(wǎng)絡(luò)模塊圖標(biāo)

根據(jù)Carson公式計(jì)算得到等效后的接觸線、鋼軌、正饋線的自阻抗和導(dǎo)線間的互阻抗：接觸線為0.172+j0.622；鋼軌為0.160+j0.602；正饋線為0.366+j0.723；接觸線-鋼軌為0.05+j0.342；正饋線-鋼軌為0.05+j0.314；接觸線-正饋線為0.05+j0.345。

2.4 電力機(jī)車模型

本文對電力機(jī)車的仿真模型未考慮其負(fù)序和諧波的影響。己有文獻(xiàn)中對于電力機(jī)車的等效模型基本采取電流源并聯(lián)阻抗電路為恒功率模型的做法，調(diào)整電流及阻抗值保證機(jī)車端電壓以及機(jī)車取流乘積保持恒定，即機(jī)車功率恒定[4]。將機(jī)車等效為一個恒功率源更符合現(xiàn)場運(yùn)行情況，本文仿真模型將繼續(xù)采用該方法。

3 系統(tǒng)仿真分析

根據(jù)系統(tǒng)元件仿真模型組建牽引供電系統(tǒng)模型，對1個供電區(qū)間進(jìn)行了仿真和建模，分別搭建單線AT牽引供電系統(tǒng)和復(fù)線AT牽引供電系統(tǒng)模型，2個AT牽引網(wǎng)分別代表2個AT段，這2個牽引網(wǎng)模塊組成一個完整的供電區(qū)間。單線和復(fù)線AT牽引供電系統(tǒng)仿真模型圖略。

復(fù)線AT牽引供電系統(tǒng)采用全并聯(lián)的供電方式，其原理是在變電所、AT所、分區(qū)所通過橫向連接線將上下行并聯(lián)，AT所、分區(qū)所各設(shè)置2臺AT變壓器，采用一主一備的工作模式，正常情況下，1臺AT變壓器投入運(yùn)行，供上下行同時使用，當(dāng)牽引網(wǎng)出現(xiàn)故障時，饋線的主斷路器跳開，使整個供電臂無壓，AT所和分區(qū)所上下行的斷路器跳開，將整個供電臂解列為單線直供方式，饋線斷路器重合閘成功后，AT所和分區(qū)所的主斷路器檢有壓重合閘，實(shí)現(xiàn)對故障的隔離和快速恢復(fù)供電，供電穩(wěn)定性更高，供電能力更強(qiáng)[6]。

機(jī)車在供電區(qū)間2個AT段內(nèi)，牽引供電系統(tǒng)電氣特性基本相同，忽略相互間的影響。本文僅討論供電區(qū)間第一個AT段內(nèi)的情況。仿真系統(tǒng)參數(shù)：220 kV系統(tǒng)容量為1 000 MV·A；V/X變壓器容量為31.5 MV·A，變比為220/27.5；自耦變壓器容量為5 MV·A，變比55/27.5；供電方式為AC 220 kV；牽引方式為VVVF逆變控制的三相異步電動機(jī)驅(qū)動；AT區(qū)間長度為30 km；功率因數(shù)為0.95；機(jī)車功率為9 600 kW。

改變機(jī)車與牽引變電所之間的距離即可獲得機(jī)車運(yùn)行在牽引網(wǎng)不同位置時整個牽引網(wǎng)的電壓分布，通過設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)還可以監(jiān)測機(jī)車從牽引網(wǎng)的取流、回流線電流、鋼軌電位等電氣量。單線AT方式下的牽引網(wǎng)仿真結(jié)果如表1所示，可以看出，當(dāng)機(jī)車遠(yuǎn)離牽引變電所時，整個牽引網(wǎng)的電壓水平降低，整體變化特性與實(shí)際牽引網(wǎng)的特性相符。

表1 牽引供電系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)表

復(fù)線AT供電方式下的牽引網(wǎng)仿真數(shù)據(jù)如表2所示，從曲線中可以看出，其牽引網(wǎng)壓分布與單線AT供電方式具有共同的變化特征。

表2 牽引供電系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)表

機(jī)車在一個AT段內(nèi)完整運(yùn)行端電壓曲線如圖5所示。從圖5可以看出，牽引網(wǎng)的大部分區(qū)段，單線AT網(wǎng)壓水平要比復(fù)線AT網(wǎng)壓水平低，這證明了實(shí)際情況中復(fù)線AT牽引供電系統(tǒng)要優(yōu)于單線AT牽引供電系統(tǒng)。

圖5 機(jī)車端電壓變化曲線圖

4 結(jié)語

本文利用RTDS建立了高速鐵路牽引供電系統(tǒng)模型，分別對單線和復(fù)線AT供電方式進(jìn)行了仿真，對網(wǎng)壓水平進(jìn)行了分析比較，由仿真結(jié)果驗(yàn)證了復(fù)線AT供電方式的網(wǎng)壓水平優(yōu)于單線AT供電方式，證明了建立的模型的準(zhǔn)確性。

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Analysis of the existing characteristics of AT traction power supply system simulation, based on the RTDS platform for traction power supply system, such as traction substation, traction transformers and catenary system simulation modeling. In this paper, the model achieve the AT power supply digital real-time simulation to a high-speed railway traction power supply system, calculation methods in single and double-track AT traction power supply system, network pressure level, comparing the results of two simulation algorithms, this paper established proof traction power supply system simulation model has high availability and accuracy to meet the project needs.

traction power supply system; simulation model; RTDS; catenary voltage level

U223.6

B

1007-936X(2014)04-0018-03

2014-02-21

邵 巖.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，碩士研究生，電話：15198014030；

朱光亞.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，博士研究生。