楊 杰,胡海濤,周 毅,陶海東,趙朝蓬,何正友
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牽引供電系統(tǒng)低頻振蕩抑制分析
楊 杰,胡海濤,周 毅,陶海東,趙朝蓬,何正友
針對徐州鐵路樞紐牽引供電系統(tǒng)中網(wǎng)壓低頻振蕩問題,總結了低頻振蕩網(wǎng)壓網(wǎng)流波形規(guī)律,建立了相應的HXD2B型機車的頻域阻抗模型及車網(wǎng)閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型,利用零極點判據(jù)揭示了低頻振蕩的機理和系統(tǒng)參數(shù)對低頻振蕩的影響規(guī)律;討論了4種網(wǎng)壓低頻振蕩抑制方案的可行性,最終確定采用擴容牽引變電所主變壓器的技術方案,并給出了詳細的容量選取方法。經(jīng)測試該方案能有效解決低頻振蕩問題,具有推廣應用價值。
低頻振蕩;頻域阻抗模型;牽引變壓器;抑制方案
隨著我國高速鐵路與重載鐵路運輸?shù)目焖侔l(fā)展,一系列大功率交直交型動車組和電力機車(以下簡稱機車)投入運行,極大地提高了我國鐵路高速、重載運輸能力。與此同時,交直交機車的密集開行導致牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)網(wǎng)壓低頻振蕩(以下簡稱低頻振蕩)問題頻發(fā),引發(fā)網(wǎng)壓大幅波動,嚴重時觸發(fā)機車保護造成牽引閉鎖。2008年1月2日,大秦線湖東站多臺HXD1型電力機車整備導致低頻振蕩,機車牽引封鎖無法正常出入庫[1];2010年,CRH5型動車組在北京、沈陽和青島等地多次引發(fā)低頻振蕩導致動車組晚點[2];2011年11月,哈機庫內HXD3B、HXD3C型電力機車庫內整備導致低頻振蕩,影響機車工作[3];2016年一年中,徐州樞紐發(fā)生了158起低頻振蕩事故,嚴重影響了徐州樞紐的正常運輸秩序[4]。由此看出,低頻振蕩是鐵路運輸中普遍性問題,且影響嚴重。在國內所有電氣化鐵路低頻振蕩問題中,徐州樞紐低頻振蕩問題最為典型。徐州樞紐位于京滬、隴海(鄭徐)2大鐵路干線的交匯處,是我國最繁忙的鐵路樞紐之一。徐州樞紐低頻振蕩問題十分嚴重且持續(xù)多年,一直未能徹底解決,2011—2016年間,低頻振蕩月平均次數(shù)最高達50次之多,平均最低波動電壓達7412.8V,嚴重影響了列車的正常運行[5]。因此,解決徐州樞紐低頻振蕩問題對破解我國電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)低頻振蕩問題具有重要意義。
低頻振蕩多發(fā)生于多臺機車同時升弓整備的工況,隨著整備機車數(shù)量增多,網(wǎng)壓波動更為劇烈。低頻振蕩發(fā)生時,牽引變電所主變壓器聲響異常,機車不能正常取流。文獻[6]對基于控制下的機車建立了對應車網(wǎng)系統(tǒng)小信號模型,提出了車網(wǎng)系統(tǒng)低頻振蕩欠阻尼機理,詳細分析了車網(wǎng)系統(tǒng)建模過程,并得出影響車網(wǎng)系統(tǒng)低頻振蕩的因素;文獻[7]利用VSC頻域阻抗建模方法,建立了軸下車網(wǎng)阻抗模型,分析機車數(shù)量和機車控制參數(shù)對車網(wǎng)系統(tǒng)低頻振蕩現(xiàn)象的影響規(guī)律,總結了低頻振蕩發(fā)生時在低頻段機車阻抗的變化規(guī)律,給出了調節(jié)控制參數(shù)抑制低頻振蕩的最優(yōu)順序;文獻[8]針對軸下多輸入多輸出系統(tǒng),提出基于靜止域的車網(wǎng)穩(wěn)定性分析判據(jù),較單值穩(wěn)定性判據(jù)適用范圍更廣,效果更明顯。上述研究詳細分析了基于軸控制的機車引起的系統(tǒng)低頻振蕩,但是未分析基于瞬態(tài)電流控制策略的機車引發(fā)的低頻振蕩。文獻[9]對HXD2B型機車采用阻抗分析法研究了系統(tǒng)低頻振蕩的產生機理與影響因素,搭建了詳細的車網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型,并利用該模型對低頻振蕩影響因素進行仿真分析,但其機車阻抗模型未分析電壓環(huán)控制對車網(wǎng)系統(tǒng)的影響,存在一定局限性。
本文針對徐州鐵路樞紐牽引供電系統(tǒng)低頻振蕩問題,基于阻抗分析法,建立HXD2B型機車雙閉環(huán)控制下的頻域阻抗模型,分析車網(wǎng)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù),揭示低頻振蕩產生的原因以及參數(shù)影響規(guī)律。為了徹底解決低頻振蕩問題,本文提出擴容牽引變電所主變壓器的技術方案,并通過現(xiàn)場測試對該方案的效果進行驗證。
2016年1月,課題組對徐州樞紐低頻振蕩問題進行了測試實驗。在升弓整備8臺機車的測試中檢測到網(wǎng)壓異常波動,徐州北變電所電壓峰值最高達49672.2V,最低達18476V,嚴重偏離正常數(shù)值范圍。典型波形如圖1和圖2所示。
圖1 系統(tǒng)低頻振蕩時變電所饋線網(wǎng)壓網(wǎng)流波形
圖2 系統(tǒng)低頻振蕩時機車輸入側網(wǎng)壓網(wǎng)流波形
結合現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)和文獻[5]可得出低頻振蕩的特征:(1)網(wǎng)壓網(wǎng)流的波動具有同步性,網(wǎng)壓穩(wěn)定時,網(wǎng)側電流也穩(wěn)定;(2)網(wǎng)壓異常波動時,機車、開閉所、牽引變電所處均能檢測到波動的電壓和電流;(3)接觸網(wǎng)上存在10Hz以內的網(wǎng)壓網(wǎng)流波動,且低頻振蕩頻率不固定;(4)網(wǎng)壓網(wǎng)流波形放大后未出現(xiàn)明顯畸變,因此網(wǎng)壓低頻振蕩與車網(wǎng)系統(tǒng)低頻不穩(wěn)定有關;(5)機務段內可以穩(wěn)定升弓整備的機車數(shù)量在7臺以內。
牽引供電系統(tǒng)主要由牽引變電所和接觸網(wǎng)組成。牽引變電所內主變壓器將電力系統(tǒng)110kV電壓降為27.5kV,電流通過接觸網(wǎng)傳送至機車,再經(jīng)過鋼軌回流至牽引變電所,構成回路。根據(jù)戴維南等效電路可知,牽引供電系統(tǒng)可等效為電壓源與牽引供電系統(tǒng)等效阻抗串聯(lián),如圖3所示。
圖3 牽引供電系統(tǒng)等效電路
徐州樞紐的供電方式為帶回流線的直接供電方式。徐州北變電所主變壓器(以下簡稱主變壓器)為非阻抗匹配平衡變壓器,其容量為31.5MV·A,額定電壓為110/27.5kV,額定電流為165.3/572.7A。檔位為I檔,即11550/27.5kV(高壓側額定電壓最高檔)時,高壓側額定電流為157.5/572.7A,短路電壓百分值10.54%,額定銅耗為160kW。
設主變壓器額定銅耗為k(kW),額定容量為T(MV·A),變壓器短路電壓百分值為d%,主變壓器原邊Y接相阻抗歸算到27.5kV側等效D接相阻抗表達式[10]為
將主變壓器參數(shù)代入式(1)可得變壓器的等效電阻、電抗分別為
0.37W(2)
設牽引變電所出線接觸網(wǎng)長度為,單位長度接觸網(wǎng)等效阻抗為D。由現(xiàn)場資料知,徐州北牽引變電所到機務段的接觸網(wǎng)長度= 7 km,接觸網(wǎng)每公里等效阻抗D約為0.43D68.20°W,考慮復線情況下接觸網(wǎng)等效電阻與電抗分別為
由于外部電力系統(tǒng)電壓等級高,電壓穩(wěn)定,其對于主變壓器的輸入阻抗可忽略不計,因此牽引供電系統(tǒng)等效阻抗為
機務段測試的車型主要為HXD2B型電力機車,該車整流器采用瞬態(tài)直接電流控制策略,其控制框圖如圖4所示[11]。
圖4 瞬態(tài)直接電流控制框圖
設N為整流器控制系統(tǒng)輸入信號,N為系統(tǒng)輸出信號,對系統(tǒng)信號進行拉普拉斯變換,并將PWM模塊利用延時環(huán)節(jié)等效,可得整流器系統(tǒng)線性化后復頻域傳遞函數(shù)模型,即整流器輸入導納r()。設機車整備工況下工作的整流器數(shù)量為r,機車牽引變壓器變比為,則在機車牽引變壓器一次側機車的輸入導納為
由于機車在整備工況下只有輔助電路工作,功率較小,負載電流可忽略。
根據(jù)整流器控制框圖可得整流器輸入導納的傳遞函數(shù)為(G()由G表示)
則1臺機車的輸入導納為
由文獻[14]可知,機車升弓整備時主電路6套整流器中有4套由于輔助電路運行而處于工作狀態(tài),因此r= 4。
圖5 整流器控制框圖
對于多車-網(wǎng)閉合系統(tǒng),根據(jù)其電路拓撲可得車網(wǎng)系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖如圖6所示。N為牽引供電系統(tǒng)電源電壓,pcc為機車輸入電壓,S()為牽引供電系統(tǒng)等效阻抗,Z為牽引供電系統(tǒng)等效阻抗上的電壓降。
圖6 車網(wǎng)系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖
由圖6可知,車網(wǎng)系統(tǒng)傳遞函數(shù)為
在車網(wǎng)系統(tǒng)中,變電所等效電壓源是穩(wěn)定的,因此系統(tǒng)的穩(wěn)定性取決于系統(tǒng)傳遞函數(shù)零極點的分布,如果系統(tǒng)的極點出現(xiàn)在復平面的右側則系統(tǒng)不穩(wěn)定。通過分析車網(wǎng)系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型可知,車網(wǎng)系統(tǒng)低頻振蕩是由于系統(tǒng)中機車和牽引網(wǎng)參數(shù)不匹配導致車網(wǎng)系統(tǒng)傳遞函數(shù)出現(xiàn)位于復平面右側的低頻極點,造成車網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)低頻振蕩。
分析系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響時,使用基準參數(shù)如表1所示。
表1 車網(wǎng)系統(tǒng)基準參數(shù)
在車網(wǎng)系統(tǒng)基準參數(shù)下,改變整備機車數(shù)量,閉環(huán)系統(tǒng)的主導極點如圖7所示。隨著接入機車數(shù)量的增加,車網(wǎng)閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)主導極點向復平面右側移動,系統(tǒng)趨于不穩(wěn)定,系統(tǒng)振蕩頻率降低。根據(jù)圖7可知,系統(tǒng)振蕩頻率為5.8Hz,在實際低頻振蕩范圍內;在基準參數(shù)下,系統(tǒng)能穩(wěn)定整備的機車數(shù)量為8臺左右,與徐州北變電所實際能穩(wěn)定接入7臺整備機車有1臺誤差,因此模型可用于分析徐州樞紐低頻振蕩問題。
圖7 機車數(shù)量對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響
在基準參數(shù)下,將模型中電壓環(huán)積分參數(shù)VI由0.97增加到8.73。在極點圖中,VI在0.97-1.7時對應的主導極點位于左半平面實軸上,系統(tǒng)穩(wěn)定。在圖8中,VI由1.7增加到8.73時,車網(wǎng)閉環(huán)系統(tǒng)的主導極點向復平面右側移動,系統(tǒng)趨于不穩(wěn)定,VI的臨界參數(shù)為4.12,系統(tǒng)可能的振蕩頻率為6 Hz左右。當VP從0.1增大到0.9時,系統(tǒng)主導極點分布顯示,系統(tǒng)先趨于穩(wěn)定后趨于不穩(wěn)定,VP的穩(wěn)定區(qū)間在0.45~0.77,系統(tǒng)可能的振蕩頻率在3.5~7.8Hz,且隨著VP的增大而增大。因此在基準參數(shù)下,系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩時,減小VI參數(shù);當振蕩頻率大于6Hz,減小VP參數(shù);當振蕩頻率小于6Hz,增大VP參數(shù)可抑制系統(tǒng)低頻振蕩。
圖8 電壓環(huán)參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響
機車電流環(huán)用于使機車電流快速跟蹤給定電流,可控參數(shù)為電流環(huán)比例參數(shù)IP。將IP從0.028逐漸增大到0.25,由圖9可知,系統(tǒng)主導極點向復平面左半平面偏移,系統(tǒng)趨于穩(wěn)定,系統(tǒng)振蕩頻率增大,在基準參數(shù)下,IP的臨界值為0.13。因此,增大IP可抑制系統(tǒng)低頻振蕩。
牽引供電系統(tǒng)等效阻抗由接觸網(wǎng)等效阻抗和變電所主變壓器等效阻抗組成。在基準參數(shù)下,當s從0.18W增大到1.66W時,由圖10可知,主導極點隨s增大向右半平面移動,振蕩頻率降低,系統(tǒng)趨于不穩(wěn)定。由于主導極點集中在復平面左側,系統(tǒng)穩(wěn)定性未發(fā)生明顯變化,因此系統(tǒng)穩(wěn)定性對s變化不敏感。當s從5.6mH增大到50mH時,系統(tǒng)主導極點由復平面左側向右側移動,系統(tǒng)趨于不穩(wěn)定。s的臨界值在32mH,振蕩頻率在5.8Hz左右。系統(tǒng)穩(wěn)定性對s的變化更敏感,減小網(wǎng)側等效電感可有效抑制系統(tǒng)低頻振蕩。
圖9 電流環(huán)參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響
圖10 牽引供電系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響
對車網(wǎng)系統(tǒng)低頻振蕩的抑制方案目前有4類:(1)修改機車參數(shù)方案,根據(jù)上文分析機車參數(shù)會影響車網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,適當調節(jié)控制系統(tǒng)參數(shù)可抑制系統(tǒng)中低頻振蕩;(2)修改機車控制方案,避免機車整備時整流器受控制系統(tǒng)影響,從源頭上解決低頻振蕩問題;(3)增加設備方案,增設補償設備可以增強系統(tǒng)抑制振蕩的能力;(4)供電側治理方案,適當減小牽引供電系統(tǒng)阻抗可抑制系統(tǒng)低頻振蕩。
機車控制參數(shù)的改變會影響車網(wǎng)系統(tǒng)零極點的分布,因此修改機車參數(shù)可抑制車網(wǎng)系統(tǒng)低頻振蕩。在基準參數(shù)下,增大IP、減小VI、根據(jù)振蕩頻率改變VP均可抑制系統(tǒng)低頻振蕩。搭建車網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型,以修改電流環(huán)參數(shù)為例,仿真波形如圖11所示,1s前為低頻振蕩下網(wǎng)壓網(wǎng)流波形,1s后為增大電流環(huán)控制參數(shù)下網(wǎng)壓網(wǎng)流波形,通過對比可看出系統(tǒng)低頻振蕩得到抑制。
圖11 增大電流環(huán)參數(shù)后仿真波形
在實踐中發(fā)現(xiàn),由于機車控制系統(tǒng)復雜,單純修改機車參數(shù)并不能徹底解決車網(wǎng)系統(tǒng)低頻振蕩問題。機車控制參數(shù)在機車出廠前經(jīng)過大量嚴格的試驗驗證,滿足系統(tǒng)快速性、穩(wěn)定性等多方面指標,可供修改的參數(shù)范圍較窄。參數(shù)調節(jié)需要建立相關車型的數(shù)學模型,并修改其參數(shù),工作量較大。在2014年徐州樞紐發(fā)生低頻振蕩問題最為嚴重的時期,曾通過修改機車參數(shù)的方法緩解了低頻振蕩問題,但仍未能徹底解決[4]。因此,修改機車參數(shù)的方案具有較大局限性。
當系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩時,控制機車使整流器IGBT封鎖,利用反并聯(lián)二極管組成的不控整流電路向輔助電路供電,此時機車呈現(xiàn)無源特性,不受控制系統(tǒng)影響,不會引發(fā)系統(tǒng)低頻振蕩。仿真波形如圖12所示,1s前為低頻振蕩下網(wǎng)壓網(wǎng)流波形,1s后為切換機車控制方案后網(wǎng)壓網(wǎng)流波形,通過對比可看出1 s后系統(tǒng)低頻振蕩消失。該方案可以消除系統(tǒng)低頻振蕩,但需改變機車現(xiàn)有控制程序,需在進行機車設計時做出調整,既有系統(tǒng)中不易實現(xiàn)。
時間/s
文獻[15]中提到可以根據(jù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS(Power System Stabilizer)的原理在機車上加裝功率振蕩抑制器POD(Power Oscillation Damper)來抑制系統(tǒng)低頻振蕩。抑制器需要實時計算系統(tǒng)的有功、無功功率,其精度要求較高。若無法滿足相應精度要求,易導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。根據(jù)對現(xiàn)場的了解,徐州樞紐曾加裝靜止無功補償SVC(G)、DVR等裝置,但抑制振蕩效果并不理想。因此加裝設備方案不能穩(wěn)定有效地抑制系統(tǒng)低頻振蕩。
4.4.1 網(wǎng)側阻抗占比分析
根據(jù)以上分析可知,徐州樞紐牽引供電系統(tǒng)中主變壓器阻抗和接觸網(wǎng)阻抗占比如表2所示。
表2 牽引供電系統(tǒng)阻抗占比統(tǒng)計
由表2可知,牽引供電系統(tǒng)總阻抗中電抗分量占比較大,且總電抗中主變壓器電抗占比最大。因此為了有效削減牽引供電系統(tǒng)阻抗,根據(jù)式(1)可知需要提高變壓器容量。
4.4.2 主變壓器容量對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響規(guī)律
根據(jù)變壓器等效阻抗計算式可知,變壓器等效阻抗與變壓器容量關系密切,增加變壓器容量可以同時減小變壓器等效電阻和電抗。假設主變壓器額定銅耗和短路電壓百分值不變,將變壓器容量從6.3MV·A提高到56.7MV·A,根據(jù)系統(tǒng)傳遞函數(shù)可得閉環(huán)系統(tǒng)的主導極點分布情況如圖13所示,可以看出,隨著主變壓器容量增加,主導極點向復平面的左半平面移動,系統(tǒng)趨于穩(wěn)定,振蕩頻率增加。
圖13 主變壓器容量對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響
由于主導極點實部的正負決定了系統(tǒng)此時的穩(wěn)定性,因此以主變壓器容量標幺值為橫坐標,主導極點實部為縱坐標,可得極點實部變化情況如圖14所示。可以看出,主導極點實部隨主變壓器容量增加變化越來越小,即主變壓器容量較大時系統(tǒng)穩(wěn)定性對變壓器容量敏感度降低。因此并非主變壓器容量越大越好,考慮經(jīng)濟性,需要根據(jù)實際需求確定容量。
圖14 變壓器容量對主導極點影響
4.4.3 主變壓器參數(shù)選擇
由上述分析可知,增大主變壓器容量可以提高車網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。鐵標規(guī)定變電所主變壓器的額定容量宜從31.5、40、50、63、75MV·A及更高值中選擇,110kV級變壓器的短路電壓百分值一般為8.4%或10.5%[16]。由于主變壓器等效電抗的大小對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響更大,根據(jù)式(1)可知,擴容后主變壓器短路電壓百分值應選擇8.4%。假定主變壓器額定銅耗仍為160kW,短路電壓百分值為8.4%,主變壓器容量分別為40、50、63、75MV·A時,10~21臺機車整備時車網(wǎng)系統(tǒng)主導極點分布如圖15所示。由主導極點分布結果可知,增加主變壓器容量可提高供電系統(tǒng)機車最大容納數(shù)量(下文簡稱“機車容納量”),系統(tǒng)機車容納量均在10臺以上,較好地抑制了系統(tǒng)低頻振蕩。
圖15 主變壓器容量對機車容納量的影響
設D為相應主變壓器容量下,牽引供電系統(tǒng)相對于31.5MV·A系統(tǒng)可容納8臺機車的基礎上所增加的機車容納量,它可以反映系統(tǒng)抑制低頻振蕩能力大小。DT為現(xiàn)有主變壓器容量相對于31.5MV·A增大的容量。D/DT即為增大單位變壓器容量使系統(tǒng)增加的機車容納量,可反映增大主變壓器容量時系統(tǒng)抑制低頻振蕩的效率。統(tǒng)計不同容量下系統(tǒng)抑制效率如表3所示。
表3 增大主變壓器容量時系統(tǒng)抑制低頻振蕩效率統(tǒng)計
由表3可知,系統(tǒng)低頻振蕩抑制效率隨主變壓器容量的增大而降低,主變壓器容量大于50MV·A后,增大容量,機車容納量變化較小,考慮系統(tǒng)抑制效率優(yōu)先選取變壓器容量為40或50MV·A。理論上,在主變壓器容量40MV·A,短路電壓百分值8.4%條件下,系統(tǒng)可穩(wěn)定運行的機車為12臺左右;主變壓器容量50MV·A,短路電壓百分值8.4%下,系統(tǒng)可穩(wěn)定運行的機車為15臺左右,均可滿足現(xiàn)場整備需要,更大容量的主變壓器會造成成本過大,容量浪費,降低經(jīng)濟性。
對比以上4種低頻振蕩抑制方案,供電側治理方案可以從系統(tǒng)整體解決地區(qū)低頻振蕩問題,效果顯著,且工作量集中,能有效提高車網(wǎng)系統(tǒng)機車容納量,滿足現(xiàn)場需要,優(yōu)先選用。其他3種方案均有一定的局限性。
將徐州樞紐變壓器擴容方案提交中國鐵路上海局綜合審查后,最終確定采用主變壓器容量為50MV·A,短路電壓百分值為8.4%的擴容方案。2017年4月施工更換了新的主變壓器,在擴容后3個月內徐州樞紐再未發(fā)生低頻振蕩問題。
為進一步測試改進后牽引供電系統(tǒng)對低頻振蕩的抑制能力,2017年7月20日中國鐵路上海局在徐州樞紐組織了新一輪的低頻振蕩測試工作。測試共包含24種工況,具體測試內容見表4。測試方法為在機務段內同時升弓整備多臺機車,利用設備觀察多個地點電壓電流波形,判斷牽引供電系統(tǒng)是否發(fā)生低頻振蕩。機車上空調屬于恒功率負載,根據(jù)文獻[17]可知,在AC-DC整流系統(tǒng)中恒功率負載會削弱系統(tǒng)阻尼,降低系統(tǒng)穩(wěn)定裕度,造成系統(tǒng)不穩(wěn)定,當多臺機車同時升弓整備瞬間會對牽引供電系統(tǒng)造成較大的電流沖擊,如果系統(tǒng)穩(wěn)定裕度不足,極易引發(fā)低頻振蕩。課題組重點測試了在較為極端的條件下,擴容變電所主變壓器后牽引供電系統(tǒng)在多車同時整備的工況下對低頻振蕩的抑制能力。本文根據(jù)測試結果,選取其中5個典型工況按時間順序逐一分析,典型波形均采用變電所輸出饋線上電壓電流波形。
表4 現(xiàn)場測試完整內容
機務段升弓整備8臺HXD2B、1臺HXD3C、4臺HXD1D型機車,其中8臺機車打開空調。如圖16所示,升弓瞬間電流發(fā)生突變,但很快收斂穩(wěn)定,電壓保持穩(wěn)定,系統(tǒng)未發(fā)生低頻振蕩。
圖16 測試工況1變電所饋線上電壓電流波形
機務段升弓整備8臺HXD2B、1臺HXD3C、4臺HXD1D型機車,13臺機車均打開空調。如圖17所示,升弓后網(wǎng)側電流小幅波動后趨于穩(wěn)定,網(wǎng)側電壓未出現(xiàn)明顯變化,系統(tǒng)在13臺車同時整備的工況下仍未發(fā)生網(wǎng)壓低頻振蕩。
圖17 測試工況2變電所饋線上電壓電流波形
機務段升弓整備11臺機車,10臺機車打開空調,1臺HXD2B型機車帶空調先降弓后升弓。如圖18所示,升弓瞬間,網(wǎng)側電流突增后很快趨于穩(wěn)定,網(wǎng)側電壓較穩(wěn)定,系統(tǒng)未出現(xiàn)低頻振蕩。
機務段升弓整備11臺機車,9臺機車打開空調,1臺HXD2B和1臺HXD3C帶空調先降弓后升弓。如圖19所示,機車全部升弓瞬間出現(xiàn)較大電流沖擊,經(jīng)過幾秒后電流逐漸收斂于穩(wěn)態(tài)值,網(wǎng)側電壓在升弓瞬間下降后逐漸恢復穩(wěn)定。在大電流沖擊下,系統(tǒng)仍未發(fā)生低頻振蕩。
圖18 測試工況3變電所饋線上電壓電流波形
圖19 測試工況4變電所饋線上電壓電流波形
機務段升弓整備11臺機車,7臺車打開空調,4臺HXD1D型機車帶空調先降弓后升弓。如圖20所示,升弓瞬間網(wǎng)側電流突變,隨后趨于穩(wěn)定。網(wǎng)側電壓在升弓瞬間下降后逐漸恢復到正常大小,系統(tǒng)未發(fā)生低頻振蕩。
圖20 測試工況5變電所饋線上電壓電流波形
現(xiàn)場測試的24種工況中,系統(tǒng)均未出現(xiàn)低頻振蕩,與2016年1月測試結果相比,變壓器擴容后整備區(qū)間機車容納量上升到13臺以上,與理論預測基本一致。不同型號、不同數(shù)量的機車帶輔助系統(tǒng)同時升弓整備時,雖然會引起接觸網(wǎng)上電流沖擊,但由于車網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定,網(wǎng)側電流快速趨于穩(wěn)定,不會引起低頻振蕩。
本文針對徐州樞紐牽引供電系統(tǒng)的低頻振蕩問題,以HXD2B型機車為研究對象,通過建立車網(wǎng)系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型,利用零極點判據(jù)分析了車網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)壓低頻振蕩的原因及各參數(shù)對低頻振蕩的影響規(guī)律,對比討論了低頻振蕩的抑制措施。重點分析了徐州北變電所主變壓器擴容技術方案,對比徐州樞紐在方案實施前后低頻振蕩測試的結果,表明該方案徹底解決了徐州樞紐低頻振蕩問題。該方案工作量集中,效果明顯,彌補了僅調節(jié)機車參數(shù)的局限性,具有很好的適用性,值得推廣應用。
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With regard to the low frequency oscillation in traction power supply system voltage of Xuzhou railway junction, the paper summarizes the regularities of current waveform of the low frequency oscillation network, establishes HXD2B locomotive related frequency domain impedance model and transmission function model of locomotive-network loop system, reveals the mechanism of low frequency oscillation and regularities influencing the low frequency oscillation by the system parameters; discusses the feasibility of schemes for suppression of 4 types of low frequency oscillation, finalizes the technical scheme for expansion of main transformers in traction substation, and puts forward in details the selection methods for capacities. The scheme is able to solve the problems of the low frequency oscillation effectively after testing, and it is worth for promotion and application.
Low frequency oscillation; frequency domain impedance model; traction transformer; scheme for suppression
10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.06.004
U223.5+2
A
1007-936X(2018)06-0015-09
2018-04-03
楊 杰.西南交通大學電氣工程學院,碩士研究生;
胡海濤.西南交通大學電氣工程學院,副教授;
周 毅,陶海東.西南交通大學電氣工程學院,博士研究生;
趙朝蓬.中國鐵路上海局集團有限公司供電處,高級工程師;
何正友.西南交通大學電氣工程學院,教授。
科技部國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFB1200802);國家自然科學基金資助項目(51477145)。