新型牽引供電系統(tǒng)潮流計算與分析

周志錄

摘 要：本文提出了一種適用于新型牽引供電系統(tǒng)且與機(jī)車功率特性相匹配的潮流計算方法。運(yùn)用連續(xù)線性潮流法，在MATLAB軟件平臺上開展了車-網(wǎng)交互聯(lián)合仿真，對新型供電系統(tǒng)與既有供電系統(tǒng)內(nèi)功率潮流分布進(jìn)行仿真，并在電壓損失、牽引變電所容量和系統(tǒng)功率損耗三個方面對兩種牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行對比，凸顯了新型牽引供電系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)效益，為新型牽引供電系統(tǒng)的設(shè)計與工程應(yīng)用提供了參考。

關(guān)鍵詞：牽引供電系統(tǒng);潮流計算;仿真系統(tǒng)

中圖分類號：U224.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）32-0119-03

Power Flow Calculation and Analysis of New Traction Power Supply System

ZHOU Zhilu

（Electrification Department， China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.，Xian Shaanxi 710043）

Abstract： This paper presented a power flow calculation method suitable for a new traction power supply system and matched with the locomotive power characteristics. Using the continuous linear power flow method， the vehicle-network interactive joint simulation was carried out on the MATLAB software platform to simulate the power flow distribution in the new power supply system and the existing power supply system， and the voltage loss， the traction substation capacity and the system power loss. The comparison of the two traction power supply systems was made in three aspects： voltage loss， traction substation capacity and system power loss. The technical advantages and economic benefits of the new traction power supply system were highlighted. It provided a reference for the design and engineering application of the new traction power supply system.

Keywords： traction power supply system;power flow calculation;simulation system

中國電氣化牽引供電系統(tǒng)采用單相工頻交流電。因牽引負(fù)荷有其特殊性，因此，電力系統(tǒng)三相負(fù)載不對稱，在電網(wǎng)中產(chǎn)生大量的諧波、負(fù)序和無功，進(jìn)而對電力系統(tǒng)造成了嚴(yán)重影響[1]。同時，牽引網(wǎng)的電分相使機(jī)車牽引力短時內(nèi)消失，列車速度降低，也加重了司機(jī)的操作強(qiáng)度，機(jī)車的正常運(yùn)行進(jìn)而受到隨之產(chǎn)生的過電壓的嚴(yán)重影響，這些成為制約鐵路發(fā)展的瓶頸[2]。

本文基于實際線路的設(shè)計參數(shù)，通過構(gòu)建貫通供電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合電力機(jī)車（含動車組）牽引計算結(jié)果，開展功率潮流仿真計算，計算牽引變電所容量、牽引網(wǎng)導(dǎo)線組合電流分配關(guān)系與載流能力，分析包括牽引網(wǎng)壓損失和能量損耗在內(nèi)的牽引供電能力，為新型牽引供電系統(tǒng)的設(shè)計和工程應(yīng)用提供必要的參考。

1 新型牽引供電系統(tǒng)等效系統(tǒng)模型

新型牽引供電系統(tǒng)等效系統(tǒng)模型如圖1所示。本文用電流型牽引負(fù)荷模型替代機(jī)車功率的模型，該模型中所有等效電流源均以SS進(jìn)行代替[3-5]。

對于牽引變電所節(jié)點(diǎn)，其等效電流源輸出電流表達(dá)式為：

[Ikj=UkjZmj]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，k為迭代次數(shù);[Uj]為牽引變電所電壓（V）;[Zmj]為牽引變電所等效阻抗（Ω）。

機(jī)車節(jié)點(diǎn)電流計算方法為：

[Iki=SiUki*]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中，k為迭代次數(shù);[Ui]為牽引變電所電壓（V）;[Si]為機(jī)車復(fù)功率（kVA）。

對于牽引供電系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的導(dǎo)納矩陣，本文會將圖1中電源兩側(cè)等效導(dǎo)納相加得到總導(dǎo)納，故可得：

[YN=YmN+YN-12+YN2]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

其中，[YmN=Zm-1N]，[ZmN]為牽引變電所等效阻抗值。

列車負(fù)載點(diǎn)的總等效導(dǎo)納表達(dá)式為：

[YN=YN-12+YN2]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

化簡系統(tǒng)等效模型，化簡后的貫通同相牽引供電系統(tǒng)等效模型如圖2所示。

2 實例仿真與分析

2.1 基礎(chǔ)參數(shù)

以某鐵路客為例，對新型牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行潮流計算與分析。線路位置圖如圖3所示。其中，TSS表示牽引變電所，AT表示AT所，SP表示分區(qū)所。線路選型參數(shù)見表1。

2.2 變電所輸出功率分配特性

變電所功率百分比與位置關(guān)系圖見圖4。

從圖4可知，在新型供電方式下，所有變電所可以比較均勻地承擔(dān)牽引負(fù)荷，最大承載僅為75.082%。而在既有牽引供電系統(tǒng)中，本所一般單獨(dú)承載其供電范圍內(nèi)的牽引負(fù)荷，負(fù)荷承載率為100%。因此，在容量投入方面，新型牽引供電方式較既有供電模式降低接近25%，大量節(jié)省了生產(chǎn)成本。

2.3 新型牽引供電系統(tǒng)與既有牽引供電系統(tǒng)對比

在同樣的牽引網(wǎng)等效模型及供電長度下，選取同樣系統(tǒng)模型、機(jī)車、線路參數(shù)時，對新型牽引供電系統(tǒng)和既有牽引供電系統(tǒng)分別進(jìn)行潮流計算。既有牽引供電系統(tǒng)與新型牽引供電系統(tǒng)的區(qū)別是每個變電所間的潮流幾乎互不影響。

2.3.1 電壓對比。表2為新型供電方式與既有供電方式下的變電所電壓對比情況。由此可知，既有牽引供電方式下，無論是變電所最小電壓、最大電壓還是平均電壓值，均較既有供電方式有明顯提高。以牽引變電所1為例，既有供電方式下最低電壓為24.07kV，平均電壓25.67kV;而新型牽引供電系統(tǒng)中的最低電壓為25.78kV，平均電壓26.25kV，因此，最低電壓較前者提高了7.13%，平均電壓提高了2.26%。變電所網(wǎng)壓水平的提高有力保障了列車的安全穩(wěn)定運(yùn)行。既有供電和新型供電方式下TSS1母線電壓波形對比見圖5和圖6。

2.3.2 牽引所容量對比。表3為新型供電與既有供電方式下牽引變電所負(fù)荷功率的對比情況。由此可知，相較于既有供電方式，新型供電方式下的變電所負(fù)荷功率有明顯下降，三個變電所的下降比例分別為9.97%、5.81%及8.67%。

2.3.3 系統(tǒng)功率損耗對比。表4為兩種不同牽引供電方式下的功率損耗比較。由表4數(shù)據(jù)可知，既有供電方式下的系統(tǒng)總損耗為4 456.90kW·h，而新型牽引供電方式下系統(tǒng)的系統(tǒng)總損耗為2675.53kW·h，較前者降低了39.97%。

通過對兩個系統(tǒng)在電壓、牽引所容量及功率損耗方面進(jìn)行對比可知：新型牽引供電系統(tǒng)較既有牽引供電系統(tǒng)具有網(wǎng)壓水平高、變電所容量低及系統(tǒng)總損耗小的優(yōu)點(diǎn)，能更好地滿足高速列車安全穩(wěn)定運(yùn)行對電壓的要求，此外還可以節(jié)省運(yùn)營成本。

3 結(jié)語

本文首先建立了新型牽引供電系統(tǒng)的等效模型，然后利用連續(xù)線性潮流迭代法進(jìn)行潮流計算仿真，通過與既有供電方式的潮流計算結(jié)果對比，驗證了在相同機(jī)車及線路參數(shù)的情況下，新型牽引供電系統(tǒng)較既有供電系統(tǒng)具有網(wǎng)壓水平高、系統(tǒng)總損耗小以及變電所投入容量低的優(yōu)點(diǎn)，為新型牽引供電系統(tǒng)的設(shè)計與工程應(yīng)用提供了參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]李群湛，賀建閩.牽引供電系統(tǒng)分析[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2012.

[2]Uzuka T，Ikedo S，Ueda K. A static voltage fluctuation compensator for AC electric railway[C]// IEEE Power Electronics Specialists Conference. IEEE，2004.

[3]李群湛，張進(jìn)思，賀威俊.適于重載電力牽引的新型供電系統(tǒng)的研究[J].鐵道學(xué)報，1988（4）：25-33.

[4]李群湛.我國高速鐵路牽引供電發(fā)展的若干關(guān)鍵技術(shù)問題[J].鐵道學(xué)報，2010（4）：119-124.

[5]李群湛.論新一代牽引供電系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)[J].西南交通大學(xué)學(xué)報，2014（4）：559-568.