再生制動對同相供電系統電能質量影響研究

孫鏡堤， 解紹鋒， 張 凱， 李海燕， 陳民武

(西南交通大學電氣工程學院，四川 成都 610031)

0 引言

現有電氣化鐵路采用分段異相供電，會造成三相不平衡、功率因數低、諧波含量大等電能質量問題，以及由于存在電分相會影響列車速度及機電性能。同相牽引供電系統可從根本上解決牽引供電網中的負序電流、諧波電流、無功電流的補償以及電分相問題，是電能質量治理較為理想的措施。

再生制動是指將列車運行的動能轉化為電能通過電網直接供給其他負荷使用或者通過儲能裝置儲存起來以供其他負荷使用的工作過程[1-3]。目前高速列車普遍采用“交-直-交”方式牽引，這為實現再生制動提供了必要條件。再生制動技術的采用可以節約列車運行時消耗的能量，是一種較為理想的制動方式。在牽引供電系統中，電力機車是大功率、單相整流負荷，具有沖擊性、不對稱和非線性的特點，在快速運行時會對牽引供電系統的電能質量產生較大影響。文獻[4]討論了再生制動工況下負序電流的計算，提出了一種簡便的工程計算方法。文獻[5]介紹了同相供電系統工作原理，并分析了再生制動對于電網電能質量的影響。文獻[6]仿真分析了同相供電系統能抑制再生制動引起的牽引網電壓抬升。文獻[7—11]主要對同相供電系統的控制策略、仿真建模等進行分析。現有的論文大多對既有牽引供電系統分析再生制動對電網電能質量的影響，對同相供電系統分析再生制動對牽引網和電網電能質量影響的較少。

文中介紹了同相供電系統的工作原理，通過Matlab/Simulink軟件建立了單相組合式同相供電系統以及機車模型，分析了列車處于再生制動工況下對同相供電系統及電力系統電能質量的影響，驗證了同相供電系統解決電能質量問題的有效性。

1 組合式同相供電系統

同相供電系統是指為電力機車或動車組提供電能的各供電區間具有相同的電壓和相位的牽引供電系統。目前包括多種技術方案，組合式同相供電是其中一種，其優勢是實現最小同相補償裝置容量取消牽引變電所電分相，包括單相組合式同相供電和單三組合式同相供電[2]。兩種方案區別為同相供電裝置高壓匹配變壓器接線形式不同。

本文以單相組合式同相供電為例進行討論。單相組合式同相供電系統結構如圖1所示。

圖1 單相組合式同相供電系統Fig.1 Single-phase combined co-phase power supply system

同相供電牽引變電所由牽引變壓器和同相補償裝置組成，牽引變壓器和高壓匹配變壓器構成一種供電容量不等、電壓幅值不等、電壓相位垂直的特殊三相-兩相平衡變壓器，使得同相補償裝置端口和牽引變壓器端口電壓相位相差90°。若同相供電補償裝置與牽引變壓器分別供給牽引負荷功率的1/2，可使得負序電流完全補償，電力系統三相電壓不平衡度為零。正常運行中，牽引變壓器起著主要供電作用，同相供電補償裝置根據三相電壓不平衡度國標要求擔負輔助供電任務。同相補償裝置包括高壓匹配變壓器、同相補償變流器和牽引匹配變壓器。通過同相補償裝置傳遞功率，提供列車牽引負荷的一半，同時與負荷直接相連的變流器一端兼顧補償牽引負荷的無功和諧波。

圖2為單相組合式同相供電系統供電電壓向量圖(實線代表原邊電壓，虛線代表次邊電壓)，通過特殊接線實現原邊三相對稱電壓向次邊電壓Ubc和Uao相位互差90°的變換。同相補償裝置通過采集牽引網上電壓、電流來控制電力電子開關器件的通斷，實現交流-直流-交流變換，使輸出電流滿足補償需求。

圖2 單相組合式同相供電電壓向量圖Fig.2 Single-phase combined co-phase supply voltage vector diagram

2 再生制動工作過程

再生制動就是當列車減速運行時，牽引電機由電動機狀態轉變為發電機狀態，將機械能轉化為電能，并通過牽引網供給其他運行于牽引工況的電力機車使用或通過儲能裝置儲存起來以供其他用電負荷使用的工作過程。

列車再生制動時，過程與牽引運行正好相反，功率流向相反，整流器將牽引電機產生的三相交流電變換為直流電，通過中間直流環節后，再由逆變器將直流電變換為與牽引網頻率相同的單相交流電，最后由牽引變電所主變壓器將交流電升壓后反饋回電網[1]。其工作原理如圖3所示。

圖3 再生制動工作原理Fig.3 Principle diagram of regenerative braking working

3 再生制動對電能質量的影響

本文采用Matlab/Simulink軟件分別建立了單相組合式同相供電系統仿真模型和某型動車組等效模型。圖4為組合式同相供電系統仿真圖，圖5為同相補償裝置控制仿真圖。

圖4 組合式同相供電系統仿真圖Fig.4 Simulation of combined co-phase power system

圖5 同相補償裝置控制圖Fig.5 Control chart of compensation device of co-phase power system

參考文獻[12]，設三相電力系統線電壓UL為220 kV，牽引網電壓U為27.5 kV，系統短路容量Sd為1500 MV·A，同相補償裝置容量SC為10 MV·A，牽引變壓器容量ST為35 MV·A。

3.1 再生制動對同相牽引網電能質量的影響

3.1.1 對牽引網電壓偏差的影響

根據鐵道干線電力牽引交流電壓規定，牽引變電所牽引側母線的額定電壓為27.5 kV, 短時允許為29 kV，電力機車、動車組上受電弓上最低工作電壓為20 kV。為保證牽引變電所接入系統公共連接點處其他負荷的電壓水平，首先要保證牽引負荷在牽引網帶來的電壓偏差要小[11]。

列車再生制動時會將產生的電能反饋回牽引網，特別是列車處于牽引網末端或者多輛列車共線時再生制動，會導致受電弓處牽引網電壓過高，從而產生諸多影響，如保護裝置誤動作，電力設備絕緣受損等，可能造成重大的經濟損失。

假設牽引負荷為一列滿載運行的某型交直交機車，參考文獻[11—14]，基于實測數據，設定負荷電流iL為：

(1)

i1(t)=384sin(ωt-11.48°)+8sin(3ωt-30°)+ 5sin(5ωt+15°)+4sin(7ωt+60°)+ 4sin(45ωt-60°)+8sin(47ωt+50°)+ 6sin(49ωt)A

(2)

i2(t)=-i1(t)

(3)

牽引負荷總功率為9600 kW，同時含有3，5，7，45，47，49次諧波，總諧波畸變率為3.87%。通過仿真設置列車在0～2 s正常牽引取流，負荷電流為i1(t)；2～5 s變為再生制動反饋能量，負荷電流為i2(t)。

根據我國某牽引變電站的實際參數，牽引網等值阻抗為0.058 4+j0.125 Ω/km，由于要研究列車在同相供電系統供電臂末端時再生制動的情況，設列車再生制動位置距離牽引變電所首端25 km，此時牽引網一個供電臂總阻抗為1.46+j3.125 Ω，從2 s時刻機車由牽引變為再生制動。在牽引供電臂末端測量0～5 s內牽引網電壓變化如圖6所示。

圖6 再生制動時同相牽引網末端電壓變化波形Fig.6 The terminal voltage change waveform of co-phase traction network during regenerative braking

與既有牽引網供電臂末端電壓(如圖7所示)進行比較可得，2 s時列車再生制動，同相供電系統牽引網末端電壓抬升在國標規定以內。若線路上存在其他處于牽引工況的列車，牽引網電壓將會進一步降低，可見同相供電系統對于牽引網電壓抬升具有較好的抑制作用，會大大避免由于電壓過高引起的事故。

圖7 再生制動時既有牽引網末端電壓變化波形Fig.7 The terminal voltage change waveform of the existing traction network during regenerative braking

3.1.2 對牽引網諧波的影響

設定的牽引負荷電流如式(1)，同時含有3，5，7，45，47，49次諧波，對負荷電流進行快速傅里葉變換(fast fourier transformation,FFT)，得出其各次諧波分布如圖8所示，在牽引負荷處測出其總的諧波畸變率為3.87%。

圖8 牽引負荷諧波電流分布Fig.8 Harmonic current distribution of traction load

如圖9所示為負荷電流、諧波補償電流和牽引網饋線電流。可得，在列車再生制動時同相補償裝置能對牽引網諧波電流兼顧補償。

圖9 負載電流、諧波補償電流與牽引網饋線電流Fig.9 Load current, harmonic compensation current and traction network feeder current

3.2 再生制動對電力系統電能質量的影響

3.2.1 對三相電壓不平衡度的影響

GB/T 15543—2008中規定,電力系統公共連接點正常電壓不平衡度的允許值為2%，短時不超過4%。接于公共連接點的每個用戶引起的該點負序電壓不平衡度的允許值一般為1.3%，短時不超過2.6%[12]。標準中指出，在公共連接點電力系統的等值正序阻抗與負序阻抗相等的前提下，由負序電流換算為電壓不平衡度的近似公式為：

(4)

式中：I2為負序電流值；UL為線電壓；SSC為公共連接點三相短路容量。可以看出三相電壓不平衡度與系統短路容量成反比，與牽引變電所的負序電流成正比。

GB/T 15543—2008在其附錄A中給出不平衡度的表達式為：

(5)

式中：U1為三相電壓正序分量方均根值；U2為三相電壓負序分量方均根值。

根據式(5)在Matlab/Simulink中建立三相電壓不平衡度檢測模塊，如圖10所示。

圖10 三相電壓不平衡度檢測模塊Fig.10 Three-phase voltage imbalance detection module

由圖11可得，電力系統側三相電壓不平衡度在列車再生制動期間穩定在0.05%到0.08%之間，滿足國標要求。可得在列車再生制動時，同相供電系統同樣能有效地解決負序電流帶來的三相不平衡問題。

圖11 再生制動時電力系統三相電壓不平衡度Fig.11 Three-phase voltage unbalance on power system during regenerative braking

3.2.2 對功率因數和諧波的影響

功率因數和諧波也是考核供電品質的重要指標之一，組合式同相供電系統也對其兼顧進行補償。

按原水利電力系統和國家物價局頒布的《功率因數調整電費辦法》規定電氣化鐵路功率因數不能低于0.9。電能質量公用電力系統諧波規定，標稱電壓為110 kV(或220 kV)的電力系統電壓共諧波畸變率不超過2%。

列車處于再生制動工況時，同相供電系統饋線負載電流iL(t)為：

iL(t)=-[i1p(t)+i1q(t)+ih(t)]

(6)

式中：i1p(t)，i1q(t)分別為負載電流基波有功分量和無功分量；ih(t)為諧波電流。

在補償電流的檢測中要實現有功電流、無功電流以及諧波電流的分離，才能控制同相補償裝置輸出滿意的補償電流。有功電流、無功電流以及諧波電流的檢測控制框圖如圖12所示。將實際補償電流和理想補償電流做差后經過PI控制器校正，與三角載波進行比較產生控制同相補償裝置的開關信號，從而輸出滿意的補償電流。

圖12 補償電流分離檢測控制框圖Fig.12 Compensation current separation detection control block diagram

在仿真中搭建的有功電流、無功電流以及諧波電流的檢測模型如圖13所示。

搭建功率因數檢測模塊，對電力系統側功率因數進行計算，結果如圖14所示。

由圖14可以看出， 列車處于牽引工況時， 電力

圖13 補償電流檢測仿真模塊Fig.13 Compensation current detection simulation module

圖14 電力系統功率因數變化Fig.14 Power factor change diagram of Power system

系統側功率因數接近1，2 s時刻開始處于再生制動工況時，電力系統側功率因數接近-1。圖15為再生制動時電力系統側的瞬時功率因數，其波動處于-0.96到-1之間。同相補償裝置可對再生制動工況下的負荷無功功率進行補償。

圖15 再生制動時電力系統瞬時功率因數Fig.15 Power system instantaneous power factor in regenerative braking

負荷由牽引工況變為再生制動工況下電力系統側的三相電壓如圖16所示。

圖16 電力系統三相電壓波形Fig.16 Power system three-phase voltage waveform

分別在牽引工況和再生制動時對電力系統側三相電壓進行FFT變換，得出同相補償裝置在不進行諧波補償和進行諧波補償時電力系統側三相電壓諧波畸變率如表1、表2所示。

表1 電力系統諧波畸變率(不補償)Tab.1 Power system harmonic distortion rate

表2 電力系統諧波畸變率(補償)Tab.2 Power system harmonic distortion rate

由表1、表2可得，負荷處于牽引工況和再生制動工況時，其電力系統側三相電壓諧波畸變率均低于2%，滿足國標要求。并且同相補償裝置補償諧波的情況下電力系統側電壓諧波畸變率低于不補償的情況，證明同相補償裝置在列車再生制動工況下同樣能對諧波進行補償以滿足國標要求。

綜上，同相補償裝置可在不調整控制策略的情況下，向三相電力系統回饋再生制動能量[15]。

4 結語

同相供電系統可以有效地解決牽引供電系統中的三相不平衡、功率因數低、諧波含量大的電能質量問題。列車在再生制動工況下，同相補償裝置可在不改變控制策略的情況下對三相不平衡進行滿意的補償，使得各項指標符合國家標準。