復雜艱險山區列車再生制動對牽引網電壓影響及相關抑制措施研究

黃文勛

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

引言

隨著電力電子技術的快速發展，我國電力牽引機車開始廣泛采用交-直-交方式牽引，這為實現再生制動奠定了基礎。在實際運行中受線路坡度和彎道半徑等因素影響，交-直-交機車會頻繁地在啟動、加速、惰行和制動等工況間切換，這將產生較大的再生制動能量[1-3]。同時，我國在西部復雜艱險山區修建鐵路的需求日益緊迫。這些鐵路線路坡度大(達到30‰)、坡長長達數十千米，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。當再生制動能量反送回電網時，將引起牽引網電壓抬升。同時，受復雜艱險山區隧道比例高的影響，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，將加大牽引網電壓抬升量。當牽引網電壓抬升后，易引起列車車頂間隙放電，并導致列車制動功率下降，甚至造成列車電氣制動失效，嚴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域[5-7]。由于西部艱險山區高標準鐵路的修建還無成熟的工程先例，對在此工程環境下進行列車再生制動對牽引網電壓抬升影響的研究文獻也相對較少。其中，部分文獻對外部電源電能質量引起的機車再生制動失效問題進行了分析[8]；部分文獻分析了不同運行圖時再生制動能量吸收的差別[9]；部分文獻對針對電力機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成的新型儲能式高鐵電能質量補償系統[10]；部分文獻分析了單列車制動時，對再生制動網壓抬升量的抑制措施[11]。但所述文獻均未針對實際工況建立仿真模型，也沒有實測數據加以驗證。

本文以國內某翻越秦嶺山區某高鐵牽引變電所負荷數據為例，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電壓抬升的仿真模型，并以實測數據對模型進行了驗證；然后利用所建立的仿真模型，模擬艱險山區客車、貨車在不同條件下制動時對牽引網電壓抬升的影響；最后研究了抑制再生制動對牽引網電壓抬升的工程措施。

1 基于實測數據的長大坡道機車再生制動對牽引網電壓抬升分析

1.1 現場實測情況

為掌握列車再生制動特性，對某開通的翻越秦嶺山區鐵路進行了測試。該鐵路列車速度目標值為250 km/h，線路最大坡度達25‰，足坡長達45 km，是典型的艱險復雜山區鐵路。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、分區所處裝設帶GPS對時功能的高精度的電能質量數據采集儀，同步對各所亭的電氣參數進行測試。測點布置如圖1所示，現場測試情況如圖2所示。

圖1 測點布置示意(▲為測點位置)

圖2 現場測試(牽引所)

1.2 測試數據分析

該供電臂24 h日負荷有功功率變化曲線如圖3所示。

圖3 日負荷有功功率變化曲線

由圖3可知，該所位于長大坡道區段供電臂的有功功率和電能數據統計如表1所示。

表1 供電臂一日統計情況

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%。結合運行圖信息，取供電臂內僅有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，對應該時刻，該供電臂分區所的接觸線(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所電流變化曲線

圖6 日再生制動功率典型時段分區所電壓變化曲線

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

2 適用于列車再生制動影響分析的牽引供電系統仿真模型

2.1 牽引供電系統仿真模型

根據實測數據可見，牽引網電壓抬升量主要受列車再生制動功率數值影響，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。因此，為分析列車再生制動工況下牽引網電壓抬升情況，需要建立列車運行狀態與牽引供電系統密切耦合(車-網耦合)的仿真模型。

國內外學者對牽引供電系統仿真進行了研究[12-15]，也涌現了不少商業軟件，但多未經實測數據驗證，較難準確地預測再生工況下車-網耦合特性。

本文所建立的牽引系統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：牽引計算模塊根據線路參數(線路坡度、曲線半徑、隧道、限速等)、列車參數(列車質量、阻力特性、牽引特性、制動特性等)、電分相設置位置等，確定列車運行狀態，并求取列車不同位置、不同運行狀態下功率分布；同時，根據列車追蹤間隔、發車時間等信息，排布列車運行圖，并基于多導線傳輸理論進行潮流計算，獲得列車電壓后，結合列車特性，計算列車電流、功率，并修正牽引計算結果。

2.2 實測數據對仿真模型進行驗證

利用上節所述仿真模型，對所測供電臂進行仿真計算。

單列車運行在該供電臂時，列車再生功率實測數據與仿真數據對比如圖7所示。

圖7 再生制動功率仿真與實測數據對比

分區所處上行T、F饋線電流實測與仿真數據對比如圖8所示。

圖8 分區所處饋線電流仿真與實測數據對比

分區所處T線電壓實測與仿真數據對比如圖9所示。

圖9 分區所處T線電壓仿真與實測數據對比曲線

仿真結果與實測數據基本吻合，驗證了所建仿真模型的正確性。

根據實測與仿真數據可見，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行制動，即需要較大的制動力及制動功率。當列車速度下降至設定速度后，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傳輸時將產生電壓降，因此必然導致列車所在處牽引網電壓抬升。可見，牽引網電壓抬升量受列車再生制動功率、牽引網阻抗、電力系統電壓水平等因素影響。

3 復雜艱險山區列車再生制動對牽引網電壓抬升仿真

我國在西部復雜艱險山區修建鐵路的需求日益緊迫。這些鐵路線路往往坡度大(達到30‰)，坡長長達數十千米，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，受復雜艱險山區隧道比例高的影響，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電壓抬升量。

為此利用所建的仿真模型，對典型的復雜艱險山區列車再生制動對牽引網電壓抬升情況進行仿真。

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。

分別對供電臂內單列車運行、列車追蹤運行進行仿真。

3.2 單列車運行時仿真結果

當僅下坡方向有列車運行，且供電臂內僅有1列車時，仿真結果如表2所示。

表2 單列車運行時供電參數情況

3.3 列車追蹤運行牽引網電壓仿真結果

當僅下坡方向列車追蹤運行，且供電臂內列車追蹤運行時，分別按列車在供電臂內不停車和停車(均按列車在供電臂中部停車制動)進行仿真，仿真結果如表3所示。

表3 列車追蹤運行時供電參數情況

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

貨車追蹤運行(HXD1牽引2 000 t)牽引網電壓已經超過29.0 kV；客車(CRH380AL)列車追蹤運行時，列車均不停車時牽引網最高電壓已接近29.0 kV，在有列車停車時牽引網最高電壓已超過29.0 kV。當牽引網電壓超過規定數值，有可能影響列車正常運行。

4 再生制動引起牽引網電壓抬升抑制措施研究

為解決機車再生制動引起的牽引網電壓抬升問題，除變壓器設置有載調壓開關外，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，下面分別對其進行分析。

4.1 雙邊供電

受電力系統條件的制約，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的發展，部分地區外部電源已經具備為電氣化鐵路進行雙邊供電的條件[19-20]。利用所建的仿真模型，仿真輸入條件與上節相同，取消兩供電臂間電分相，對列車停車工況進行仿真，仿真結果見表4。

表4 采取雙邊供電后供電參數情況

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

4.2 加裝再生能量釋放裝置

在接觸網適當地點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，設置于分區所。再生能量釋放裝置主要技術參數見表5。

表5 再生能量釋放裝置主要技術參數

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

表6 設置再生能量釋放裝置后供電參數情況

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果如圖10所示。

圖10 能量釋放裝置功率及電壓仿真結果

根據仿真結果可見，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，降低牽引網最高電壓。

5 結語

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

(1)針對長大坡道再生制動對牽引網電壓抬升影響，對典型牽引變電所進行了實測與數據分析。經對長大坡區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象。

(2)建立了車-網耦合的仿真模型，并利用實測數據對所建立仿真模型進行驗證。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電壓抬升影響。根據仿真可見，列車再生制動時，牽引網電壓將超過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電壓。