黃文勛

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

引言

隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，我國電力牽引機(jī)車開始廣泛采用交-直-交方式牽引，這為實現(xiàn)再生制動奠定了基礎(chǔ)。在實際運行中受線路坡度和彎道半徑等因素影響，交-直-交機(jī)車會頻繁地在啟動、加速、惰行和制動等工況間切換，這將產(chǎn)生較大的再生制動能量[1-3]。同時，我國在西部復(fù)雜艱險山區(qū)修建鐵路的需求日益緊迫。這些鐵路線路坡度大(達(dá)到30‰)、坡長長達(dá)數(shù)十千米，開行的客運列車運行速度快，開行的貨物列車牽引質(zhì)量大[4]。在這種情況下，列車再生制動功率大、再生制動制動時間長。當(dāng)再生制動能量反送回電網(wǎng)時，將引起牽引網(wǎng)電壓抬升。同時，受復(fù)雜艱險山區(qū)隧道比例高的影響，牽引供電方式只能采用供電能力較弱的帶回流線的供電方式，將加大牽引網(wǎng)電壓抬升量。當(dāng)牽引網(wǎng)電壓抬升后，易引起列車車頂間隙放電，并導(dǎo)致列車制動功率下降，甚至造成列車電氣制動失效，嚴(yán)重影響鐵路的安全運行。

以往對列車再生制動的影響研究，多集中在城市軌道交通領(lǐng)域[5-7]。由于西部艱險山區(qū)高標(biāo)準(zhǔn)鐵路的修建還無成熟的工程先例，對在此工程環(huán)境下進(jìn)行列車再生制動對牽引網(wǎng)電壓抬升影響的研究文獻(xiàn)也相對較少。其中，部分文獻(xiàn)對外部電源電能質(zhì)量引起的機(jī)車再生制動失效問題進(jìn)行了分析[8]；部分文獻(xiàn)分析了不同運行圖時再生制動能量吸收的差別[9]；部分文獻(xiàn)對針對電力機(jī)車再生制動能量利用率很低的情況，提出了一種由RPC和超級電容儲能裝置構(gòu)成的新型儲能式高鐵電能質(zhì)量補償系統(tǒng)[10]；部分文獻(xiàn)分析了單列車制動時，對再生制動網(wǎng)壓抬升量的抑制措施[11]。但所述文獻(xiàn)均未針對實際工況建立仿真模型，也沒有實測數(shù)據(jù)加以驗證。

本文以國內(nèi)某翻越秦嶺山區(qū)某高鐵牽引變電所負(fù)荷數(shù)據(jù)為例，分析了列車再生制動特性；建立了包含分析再生制動工況下牽引網(wǎng)電壓抬升的仿真模型，并以實測數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行了驗證；然后利用所建立的仿真模型，模擬艱險山區(qū)客車、貨車在不同條件下制動時對牽引網(wǎng)電壓抬升的影響；最后研究了抑制再生制動對牽引網(wǎng)電壓抬升的工程措施。

1 基于實測數(shù)據(jù)的長大坡道機(jī)車再生制動對牽引網(wǎng)電壓抬升分析

1.1 現(xiàn)場實測情況

為掌握列車再生制動特性，對某開通的翻越秦嶺山區(qū)鐵路進(jìn)行了測試。該鐵路列車速度目標(biāo)值為250 km/h，線路最大坡度達(dá)25‰，足坡長達(dá)45 km，是典型的艱險復(fù)雜山區(qū)鐵路。選取整供電臂均位于25‰坡度上的典型供電臂，分別在牽引所、AT所、分區(qū)所處裝設(shè)帶GPS對時功能的高精度的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集儀，同步對各所亭的電氣參數(shù)進(jìn)行測試。測點布置如圖1所示，現(xiàn)場測試情況如圖2所示。

圖1 測點布置示意(▲為測點位置)

圖2 現(xiàn)場測試(牽引所)

1.2 測試數(shù)據(jù)分析

該供電臂24 h日負(fù)荷有功功率變化曲線如圖3所示。

圖3 日負(fù)荷有功功率變化曲線

由圖3可知，該所位于長大坡道區(qū)段供電臂的有功功率和電能數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表1所示。

表1 供電臂一日統(tǒng)計情況

由表1可知，該供電臂的最大正向有功功率值為25.40 MW，最大反向有功功率值為16.55 MW，反送的電能約占牽引電能的21.63%。結(jié)合運行圖信息，取供電臂內(nèi)僅有1列車(車型為CRH380BL)下坡方向制動運行時段，有功功率變化曲線如圖4所示，對應(yīng)該時刻，該供電臂分區(qū)所的接觸線(T線)和正饋線(F線)電壓、電流變化如圖5、圖6所示。

圖4 日再生制動功率典型時段有功功率變化曲線

圖5 日再生制動功率典型時段分區(qū)所電流變化曲線

圖6 日再生制動功率典型時段分區(qū)所電壓變化曲線

由圖4可知，在列車通過進(jìn)入供電臂初始階段，再生制動功率出現(xiàn)最大值，此時牽引網(wǎng)電壓抬升0.6 kV。

2 適用于列車再生制動影響分析的牽引供電系統(tǒng)仿真模型

2.1 牽引供電系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)實測數(shù)據(jù)可見，牽引網(wǎng)電壓抬升量主要受列車再生制動功率數(shù)值影響，而列車再生制動功率與列車制動減速度、運行速度等因素相關(guān)。因此，為分析列車再生制動工況下牽引網(wǎng)電壓抬升情況，需要建立列車運行狀態(tài)與牽引供電系統(tǒng)密切耦合(車-網(wǎng)耦合)的仿真模型。

國內(nèi)外學(xué)者對牽引供電系統(tǒng)仿真進(jìn)行了研究[12-15]，也涌現(xiàn)了不少商業(yè)軟件，但多未經(jīng)實測數(shù)據(jù)驗證，較難準(zhǔn)確地預(yù)測再生工況下車-網(wǎng)耦合特性。

本文所建立的牽引系統(tǒng)仿真主要分為牽引計算模塊、列車運行圖模塊、潮流計算模塊。其中牽引計算與潮流計算密切耦合：牽引計算模塊根據(jù)線路參數(shù)(線路坡度、曲線半徑、隧道、限速等)、列車參數(shù)(列車質(zhì)量、阻力特性、牽引特性、制動特性等)、電分相設(shè)置位置等，確定列車運行狀態(tài)，并求取列車不同位置、不同運行狀態(tài)下功率分布；同時，根據(jù)列車追蹤間隔、發(fā)車時間等信息，排布列車運行圖，并基于多導(dǎo)線傳輸理論進(jìn)行潮流計算，獲得列車電壓后，結(jié)合列車特性，計算列車電流、功率，并修正牽引計算結(jié)果。

2.2 實測數(shù)據(jù)對仿真模型進(jìn)行驗證

利用上節(jié)所述仿真模型，對所測供電臂進(jìn)行仿真計算。

單列車運行在該供電臂時，列車再生功率實測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比如圖7所示。

圖7 再生制動功率仿真與實測數(shù)據(jù)對比

分區(qū)所處上行T、F饋線電流實測與仿真數(shù)據(jù)對比如圖8所示。

圖8 分區(qū)所處饋線電流仿真與實測數(shù)據(jù)對比

分區(qū)所處T線電壓實測與仿真數(shù)據(jù)對比如圖9所示。

圖9 分區(qū)所處T線電壓仿真與實測數(shù)據(jù)對比曲線

仿真結(jié)果與實測數(shù)據(jù)基本吻合，驗證了所建仿真模型的正確性。

根據(jù)實測與仿真數(shù)據(jù)可見，列車在惰行通過電分相過程中，由于失去制動力列車速度將會增高。當(dāng)列車通過電分相后重新取電時，為盡快降低列車速度，列車將使用較大的減速度進(jìn)行制動，即需要較大的制動力及制動功率。當(dāng)列車速度下降至設(shè)定速度后，僅需要較小的制動力就能使列車勻速運動，此時再生功率也將回落。因此，列車通過電分相后，列車再生制動功率陡增。

根據(jù)電能傳輸特性，電能必然由電壓高處向電位低處傳送。再生制動能量返送時，由于牽引變電所處電壓幾乎不變，而再生制動能量在牽引網(wǎng)傳輸時將產(chǎn)生電壓降，因此必然導(dǎo)致列車所在處牽引網(wǎng)電壓抬升?？梢姡瑺恳W(wǎng)電壓抬升量受列車再生制動功率、牽引網(wǎng)阻抗、電力系統(tǒng)電壓水平等因素影響。

3 復(fù)雜艱險山區(qū)列車再生制動對牽引網(wǎng)電壓抬升仿真

我國在西部復(fù)雜艱險山區(qū)修建鐵路的需求日益緊迫。這些鐵路線路往往坡度大(達(dá)到30‰)，坡長長達(dá)數(shù)十千米，開行的客運列車運行速度快、開行的貨物列車牽引質(zhì)量也較大，即列車再生制動功率大、列車再生制動時間長。同時，受復(fù)雜艱險山區(qū)隧道比例高的影響，牽引供電方式只能采用供電能力較弱的帶回流線的供電方式，即牽引網(wǎng)阻抗相對較大(與AT供電方式相比)，將加大列車再生制動時的牽引網(wǎng)電壓抬升量。

為此利用所建的仿真模型，對典型的復(fù)雜艱險山區(qū)列車再生制動對牽引網(wǎng)電壓抬升情況進(jìn)行仿真。

3.1 仿真條件

線路限制坡度為30‰，供電臂長度為20 km；貨物列車采用HXD1，牽引質(zhì)量2 000 t，列車運行速度80 km/h，追蹤間隔6 min；客車采用CRH380AL，列車運行速度200 km/h，追蹤間隔6 min；貨物列車最大制動減速度取0.07g[16-17]，客車最大制動減速度取0.08g[16-17]；牽引網(wǎng)采用帶回流線的直接供電方式；整個供電臂均位于坡道上，僅下坡方向有列車運行。

分別對供電臂內(nèi)單列車運行、列車追蹤運行進(jìn)行仿真。

3.2 單列車運行時仿真結(jié)果

當(dāng)僅下坡方向有列車運行，且供電臂內(nèi)僅有1列車時，仿真結(jié)果如表2所示。

表2 單列車運行時供電參數(shù)情況

3.3 列車追蹤運行牽引網(wǎng)電壓仿真結(jié)果

當(dāng)僅下坡方向列車追蹤運行，且供電臂內(nèi)列車追蹤運行時，分別按列車在供電臂內(nèi)不停車和停車(均按列車在供電臂中部停車制動)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如表3所示。

表3 列車追蹤運行時供電參數(shù)情況

根據(jù)仿真計算可見，在列車追蹤運行時，由于再生制動的列車數(shù)量增多，牽引網(wǎng)最高電壓將增大；在列車需要停車時(如供電臂內(nèi)有車站)，列車再生制動功率將增大，牽引網(wǎng)最高電壓也將升高。

貨車追蹤運行(HXD1牽引2 000 t)牽引網(wǎng)電壓已經(jīng)超過29.0 kV；客車(CRH380AL)列車追蹤運行時，列車均不停車時牽引網(wǎng)最高電壓已接近29.0 kV，在有列車停車時牽引網(wǎng)最高電壓已超過29.0 kV。當(dāng)牽引網(wǎng)電壓超過規(guī)定數(shù)值，有可能影響列車正常運行。

4 再生制動引起牽引網(wǎng)電壓抬升抑制措施研究

為解決機(jī)車再生制動引起的牽引網(wǎng)電壓抬升問題，除變壓器設(shè)置有載調(diào)壓開關(guān)外，提出了兩種可行方法，分別為加裝再生能量釋放裝置、利用同相雙邊供電技術(shù)，下面分別對其進(jìn)行分析。

4.1 雙邊供電

受電力系統(tǒng)條件的制約，我國的交流電氣化鐵道普遍采用單邊供電方式[18]。但隨著我國交流電氣化鐵路及電力系統(tǒng)的發(fā)展，部分地區(qū)外部電源已經(jīng)具備為電氣化鐵路進(jìn)行雙邊供電的條件[19-20]。利用所建的仿真模型，仿真輸入條件與上節(jié)相同，取消兩供電臂間電分相，對列車停車工況進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果見表4。

表4 采取雙邊供電后供電參數(shù)情況

根據(jù)仿真結(jié)果可見，采用雙供電方式能夠一定程度降低牽引網(wǎng)電壓，但在供電臂內(nèi)列車停車工況下，牽引網(wǎng)電壓仍高于29.0 kV。

4.2 加裝再生能量釋放裝置

在接觸網(wǎng)適當(dāng)?shù)攸c加裝再生能量釋放裝置，釋放列車的再生制動能量，可以有效防止線路電壓升高。按能量釋放吸能裝置采用磁閥式電抗器，設(shè)置于分區(qū)所。再生能量釋放裝置主要技術(shù)參數(shù)見表5。

表5 再生能量釋放裝置主要技術(shù)參數(shù)

利用所建的仿真模型，在供電臂T-R間設(shè)置高阻連接，模擬末端設(shè)置加裝再生能量釋放裝置。仿真輸入條件與上節(jié)相同，模擬供電臂內(nèi)列車停車工況，仿真結(jié)果見表6。

表6 設(shè)置再生能量釋放裝置后供電參數(shù)情況

HXD1牽引2 000 t追蹤運行時，能量釋放裝置功率及電壓仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 能量釋放裝置功率及電壓仿真結(jié)果

根據(jù)仿真結(jié)果可見，在供電臂上加裝再生能量釋放裝置后，能夠有效釋放再生能量，降低牽引網(wǎng)最高電壓。

5 結(jié)語

對艱險山區(qū)鐵路長大坡道工況下列車再生制動對牽引網(wǎng)電壓抬升的影響進(jìn)行了分析計算，主要結(jié)論如下。

(1)針對長大坡道再生制動對牽引網(wǎng)電壓抬升影響，對典型牽引變電所進(jìn)行了實測與數(shù)據(jù)分析。經(jīng)對長大坡區(qū)段的日再生制動能量特性及日再生制動功率最大時刻的牽引網(wǎng)電壓抬升的分析，列車通過電分相后存在大功率再生制動現(xiàn)象。

(2)建立了車-網(wǎng)耦合的仿真模型，并利用實測數(shù)據(jù)對所建立仿真模型進(jìn)行驗證。利用所建仿真模型，模擬分析了典型電氣化鐵路工程條件下，客車與貨車在不同制動條件下牽引網(wǎng)電壓抬升影響。根據(jù)仿真可見，列車再生制動時，牽引網(wǎng)電壓將超過29.0 kV，對列車正常運行存在一定影響。

(3)為抑制再生制動引起牽引網(wǎng)電壓抬升，提出了加裝再生能量釋放裝置或采用雙邊供電的工程措施。通過仿真分析，兩項措施均能有效降低牽引網(wǎng)電壓。