電源稀薄地區輔助牽引電源研究

魏 光

0 引言

中國西部地區電網電源稀薄，短路容量偏低。青藏鐵路格拉段位于青藏高原腹地，跨越青海、西藏兩省區，新建線路1 136 km。其中，海拔4 000 m以上線路區段達960 km，線路最高處海拔5 072 m。電力機車在該線路中一旦遇到故障情況，失氧失溫對乘客的生命安全帶來極大威脅。青藏鐵路沿線荒涼，且旅游景點較多，實現機車“早到發”是未來的趨勢，設立存車場必不可少。存車場若由牽引變電所長距離供電，成本高，維護難。就近接引電力35 kV電源為存車場提供牽引電源成為性價比高的選擇。沿線人口分布少的鐵路在運營初期列車對數較少，供電臂功率因數較低，無功補償對于經濟用電起到重要作用。因此，研究輔助牽引電源方案具有重要意義。

同相牽引供電系統[1～12]研究，旨在取消電分相，補償電能質量，是牽引供電系統的一場革命。文獻 [13，14]對各種牽引供電系統輔助電源方案進行了研究。本文引入同相供電相關技術，從35 kV電網接引電源，通過變壓器和潮流控制器PFC（Power Flow Controller，PFC）的組合，使得功率在系統間有序傳遞，電能質量在電源側按需補償，為實現應急牽引電源、供電臂無功補償、存車場輔助供電奠定了基礎，對工程應用具有參考價值。

1 工程現狀

青藏鐵路格拉段擬新建28座牽引變電所，其中青海省境內新建14座330 kV牽引變電所，西藏自治區境內新建14座220 kV牽引變電所。格拉段新建35 kV電力貫通線一回（簡稱一貫）；沱沱河—那曲段處于無人區，其間新建第二回35 kV電力貫通線路（簡稱二貫）。利用既有格爾木35/10 kV鐵路變配電所，新建納赤臺、五道梁、沱沱河、安多、那曲、當雄、羊八井35 kV鐵路配電所及拉薩35/10 kV鐵路變配電所向電力貫通線及車站供電。

當機車運行到區間發生線路故障時，首先考慮越區供電，降低行車對數和速度，保證機車處于帶電狀態；若進一步發生牽引電源故障，則無法實現由牽引變電所向接觸網供電。本文提出的應急輔助電源方案此時可通過就近車站的電力變配電所，由35 kV電源向接觸網提供牽引電源，保證機車的連續供電，避免因缺氧失溫對乘客造成嚴重生命威脅。

2 應急輔助牽引系統工作原理

35 kV電力電源引自三相對稱電網，機車為單相負荷。直接由三相電源接引其中兩相為接觸網供電會導致負序較為嚴重，對于本來就薄弱的外部電源雪上加霜。應急輔助牽引電源采用電力電子技術，將接觸網的單相負荷需求對稱變換至電源側，使得35 kV鐵路貫通線系統保持三相對稱狀態。

應急輔助牽引電源系統由兩組單相變壓器、潮流控制器PFC組成，如圖1所示。PFC采用單相全橋背靠背四象限變流器，傳遞有功功率，同時補償負序、諧波、無功等電能質量參數。

圖1 系統結構

式中：φL為功率因數角（滯后的相位差）；ψL為接線角（滯后的相位差）。

由此，負荷電流的全分解式如下：

式中：T32為變壓器變換矩陣，hi為諧波電流分量，iL為負荷電流。

將式（7）代入式（2），得

式中：Idc為PFC直流部分電流。

3 系統控制策略

由式（2）～式（5）可得電流分解策略如式（10）所示，控制策略如圖2所示。

接引35 kV電源A相電壓uA(t)，經鎖相環可得同步參考矩陣：

設正弦構造矩陣A1～A4，旋轉矩陣R：KN,KC,Kh?[0,1]。通過設置補償度大小可實現

設負序、無功、諧波補償度分別為PFC的滿意補償，優化工程應用的容量配置。

直流環節將電壓參考值與瞬時值的差值通過PI模塊疊加在補償電流參考值上，保持直流能量交換的穩定。

圖2 系統控制策略

變流器采用滯環電流跟蹤控制技術，如圖3所示。

圖3 滯環電流跟蹤控制原理

4 仿真分析

為驗證方案效果，基于Matlab/Simulink建立仿真模型，負荷模型采用SS機車。系統參數如表1所示。

表1 系統參數

負荷特性如下：

4.1 單列機車運行工況

根據供電計算，應急情況下保證1列車運行通過故障區段。設供電臂僅有1列車滿功率運行，仿真結果如圖4所示。

圖4 PFC投入對比

由圖4可以看出：投入PFC前，雖然接觸網為機車供電，但35 kV電源側的負序很差；投入PFC后，35 kV電源側實現了三相對稱。

4.2 按需補償電能質量工況

為驗證按需補償電能質量參數，進行如表2所示設置，仿真結果如圖5所示。

表2 電能質量補償設置

圖5 電能質量補償對比

由仿真結果可見，各電能質量參數可實現按需補償。

5 結論

（1）針對電源稀薄地區供電特點，本文所述輔助牽引電源可實現牽引變電所失電且無法越區供電情況下的應急牽引電源供電，使得至少1列車帶電駛出故障區間，以保證行車及乘客生命安全。

（2）鐵路運營初期，供電臂電能質量較差，本電源可作為移動式補償裝置，可提升功率因數，減少電網部門罰款。

（3）鐵路沿線設置數座車站，若考慮遠期實現“早到發”，在線路中間設置存車場，該輔助牽引電源可為存車場提供帶電條件。