余 綱，黃文勛

（中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西 西安 710043）

0 引言

目前我國電氣化鐵路動車組多采用交-直-交方式牽引模式。實際運行中動車組頻繁啟動、加速、惰行和制動，會產(chǎn)生較大的再生制動能量。當交直交機車采用再生制動時，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，機車剎車及減速，產(chǎn)生制動能量較大，易出現(xiàn)列車制動能力下降、機車斷路器斷開、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)和機車的安全和運行［1-4］。

為了解決牽引網(wǎng)電壓抬升問題，本文從國內(nèi)某典型牽引變電負荷數(shù)據(jù)為例，定量評估了長大坡區(qū)段的日再生制動能量特性，并分析了日再生制動功率最大時刻的牽引網(wǎng)電壓抬升情況；然后基于WEBANET仿真軟件，模擬分析動車組及交直交機車在極端工況下再生制動時對電氣參數(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)段再生制動能量特性，分析再生制動能量對牽引網(wǎng)電氣參數(shù)影響，以實測數(shù)據(jù)入手，分析大功率列車再生制動運行情況下牽引變電所的日負荷有功功率變化曲線如圖1所示。

圖1 日負荷有功功率變化曲線

由圖1可知，實測的各項電氣參數(shù)統(tǒng)計如表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，且線路上運行的全部是大功率的交直交型列車，其產(chǎn)生的再生制動能量，即使有一部分被同一供電臂上的其他機車使用，最終反送回電網(wǎng)的再生制動能量仍然比較大［5］。

針對該臂日再生制動功率最大時刻，即采樣點為48 100～48 700點時刻，相關(guān)電氣參數(shù)變化見圖2～圖4。

圖2 日再生制動功率最大時刻有功功率曲線

圖4 日再生制動功率最大時刻分區(qū)所電壓曲線

由圖3可知，在日再生制動功率的最大時刻，上行T線電流出現(xiàn)了兩次陡增，分區(qū)所前后有兩列機車通過。由圖4可知，該時刻分區(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 日再生制動功率最大時刻分區(qū)所電流曲線

針對上述實測數(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對牽引網(wǎng)電壓抬升的影響研究是很有必要和意義的。

2 長大坡道機車再生制動對牽引網(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機車在不同制動條件下采用最大制動功率制動時對牽引網(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‰，在坡道起點設(shè)置一座牽引變電所，坡道終點設(shè)置一座分區(qū)所，使整個供電臂均位于該坡道上。列車在坡道起點以線路最高運行速度運行，在坡道終點制動減速至0，以保證列車采用最大制動功率制動。下面分別對單面下坡1列機車、單面下坡2列機車追蹤和上下行機車追蹤運行，采用最大制動功率制動時，牽引網(wǎng)電壓的波動情況進行分析。

2.1 單面下坡1列機車最大制動功率的影響

基于上述坡道，模擬一列CRH380AL機車單面下坡運行，采用最大制動功率制動，其功率變化和電壓變化曲線如圖5，圖6所示。

圖5 CRH380AL機車功率變化曲線

圖6 CRH380AL機車電壓變化曲線

由圖可知，一列CRH380AL機車單面下坡運行，采用最大制動功率制動時，最大再生制動功率可以達到-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機車單面下坡運行，采用最大制動功率制動時，其功率變化和電壓變化曲線如圖7，圖8所示。

圖7 HXD1機車功率變化曲線

圖8 HXD1列車電壓變化曲線

由圖8可知，一列HXD1機車單面下坡運行，采用最大制動功率制動時，最大再生制動功率可以達到-15.37 MW，牽引網(wǎng)電壓抬升最高為29.42 kV，已經(jīng)超過了國標限值（29 kV）［7］。

經(jīng)上述分析，正常制動和最大功率制動下，CRH380AL和HXD1機車的制動功率對比如表2所示。

表2 正常制動和最大功率制動下機車的制動功率

2.2 單面下坡機車追蹤最大制動功率的影響

基于上述坡道，模擬CRH380AL機車單面下坡追蹤運行，采用最大制動功率制動，其電壓變化曲線見圖9。

圖9 CRH380AL機車電壓變化曲線

由圖9可知，CRH380AL機車單面下坡追蹤運行，采用最大制動功率制動時，牽引網(wǎng)電壓抬升最高29.18 kV，已經(jīng)超過了國標限值（29 kV）。

基于上述坡道，模擬HXD1機車單面下坡追蹤運行，采用最大制動功率制動，其電壓變化曲線如圖10所示。

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

圖10 HXD1列車電壓變化曲線

2.3 上下行機車追蹤最大制動功率的影響

基于上述坡道，模擬CRH380AL機車上下行追蹤運行，采用最大制動功率制動，其電壓變化曲線見圖11。

圖11 CRH380AL機車電壓變化曲線

由圖11可知，CRH380AL機車上下行追蹤運行，采用最大制動功率制動時，牽引網(wǎng)電壓抬升最高28.01 kV。

基于上述坡道，模擬HXD1機車上下行追蹤運行，采用最大制動功率制動，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機車上下行追蹤運行，采用最大制動功率制動時，牽引網(wǎng)電壓抬升最高為28.03 kV。

綜合上述分析比較，當單面下坡機車追蹤運行，采用最大制動功率制動時，牽引網(wǎng)電壓抬升最明顯，均超過了國標限值，需對其采取抑制措施，下面對抑制機車再生制動對牽引網(wǎng)電壓抬升的措施進行研究。

3 再生制動引起牽引網(wǎng)電壓抬升抑制措施研究

為解決再生制動引起的牽引網(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)，下面分別對其進行研究。

3.1 加裝吸能裝置

在接觸網(wǎng)適當?shù)攸c加裝吸能裝置，就近釋放列車制動能量。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)運行工況。其中，0 s～0.2 s，該供電臂上沒有機車；0.2 s時，兩列HXD1機車以最大制動功率（均為-15 MW）制動接入該供電臂，此時并聯(lián)電抗器未投入運行；0.4 s時，并聯(lián)電抗器投入運行。此時，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，機車由制動狀態(tài)接入牽引網(wǎng)時，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，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 加裝儲能裝置

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

圖16 分區(qū)所加裝儲能裝置原理圖

搭建了變電所和一條供電臂的仿真模型，在其分區(qū)所加裝了儲能裝置。為了體現(xiàn)儲能裝置的工作效果，模擬了四種連續(xù)運行工況。其中，0 s～0.2 s，該供電臂上沒有機車；0.2 s時，兩列HXD1機車以最大制動功率（均為-15 MW）制動接入該供電臂，此時儲能裝置未投入運行；0.4 s時，儲能裝置投入運行。此時，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，機車由制動狀態(tài)接入牽引網(wǎng)時，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，儲能裝置接入牽引網(wǎng)時，其以3 MW的充電功率吸收再生制動能量，此時分區(qū)所牽引網(wǎng)電壓降低到28.13 kV。0.6 s，儲能裝置以5 MW的充電功率吸收再生制動能量時，此時分區(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)運行工況。其中，在0 s～0.2 s，該供電臂上沒有機車；0.2 s時，兩列HXD1機車以最大制動功率（均為-15 MW）制動接入該供電臂，此時變壓器正常供電，0.4 s時，將有載調(diào)壓變壓器的分接頭調(diào)整為-2%。0.6 s時，將有載調(diào)壓變壓器的分接頭調(diào)整為-4%，此時分區(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，機車由制動狀態(tài)接入牽引網(wǎng)時，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)

拓撲結(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

在這種拓撲結(jié)構(gòu)下，可以取消分段絕緣器實現(xiàn)同相雙邊供電?？紤]到供電靈活性和防止多個變電所形成環(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)運行工況。其中，在0 s～0.2 s，該供電臂上沒有機車；0.2 s時，兩列HXD1機車以最大制動功率（均為-15 MW）制動接入供電臂，再生制動能量只流入變電所1；0.4 s時，實行雙邊供電，再生制動能量分別流入變電所1和變電所2。此時，負荷臂分區(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 負載臂分區(qū)所牽引網(wǎng)電壓波形

圖23 負載臂分區(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，機車由制動狀態(tài)接入牽引網(wǎng)，此時分區(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)實行同相雙邊供電，此時分區(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）針對長大坡道再生制動對牽引網(wǎng)及接觸網(wǎng)電壓抬升，以某典型牽引變電所實測數(shù)據(jù)，分析了日再生制動功率最大時刻的牽引網(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機車在不同制動條件下采用最大制動功率制動時對牽引網(wǎng)電壓的影響，得出當單面下坡機車追蹤運行，采用最大制動功率制動時，牽引網(wǎng)電壓抬升最明顯。

3）分析研究了抑制再生制動對牽引網(wǎng)電壓抬升的幾種對策，并仿真驗證了其有效性。