电气化铁道牵引供电系统电压损失补偿方法研究
摘要：电气化铁路是自动化时代环境下的产物，是采用电力牵引的铁路。电气化铁路作为电力系统的重要负荷，为铁路列车的正常运行提供支持，并要求系统供电具有较高的可靠性。在电气化铁路上，运行由电力机车牵引的列车，为保证铁路上的列车具备充足的动力在铁路沿线上设立了多个供电系统，由此组成了电力牵引供电系统。目前普速类电气化铁路主要使用的牵引供电方式为带回流线的直接供电方式。
关键词：电气化铁路；供电
由于电气化铁道在牵引的同时也带来了无功、谐波电压波动等电能质量问题。其中电能波动的明显影响行为就是电压骤降，不仅可能威胁到牵引以及供电系统的安全和经济运行，还可能由于动力不足，导致电气化铁道上的列车出现运行故障。为了最大程度地降低电气化铁路的运行风险，需要针对不同的运行工况对牵引供电系统电压进行损失补偿处理。从当前的研究情况来看，现有的电压损失补偿方法普遍存在补偿效果不佳的问题，具体体现在电压补偿过大、过小以及不稳定补偿，电压损失补偿过大会损害到供电系统甚至电气化铁路的硬件设备，而电压补偿过小则无法达到补偿目标。若电气补偿出现不稳定地情况，则会直接导致供
电系统电压输出不稳定，进而影响实际的电气化铁路牵引供电效果。为了解决上述现有补偿方法存在的问题，在现有方法的基础上对其进行优化设计，以期能够提高供电系统的电压损失补偿效果，进而保证电气化铁路的牵引效率。
1 电气化铁道牵引供电系统电压损失补偿方法设计
1.1 模拟电气化铁道牵引供电系统负荷过程
电气化铁道牵引供电系统负荷过程的模拟是以时间为驱动的，从初始时刻t0开始，每Δt时间步长，对一次列车在线路上供电设施的各项参数在构建的供电系统数学模型下进行潮流计算，并将输出的潮流计算结果存储到结果数据库中。供电系统的潮流计算，将整条线路以变电所为单位划分，对于第k个变电所，其左供电臂所包含的列车数为TrL,右供电臂所包含的列车数为TrR个。设置收敛精度为e, 设定k的初始值为1。计算第k个变电所的次边端口初始电流，将其标记为I˙Ι˙αβ。假设此时每列列车初始电压与其各自初始馈线端口电压相等，更新列车电流，由此形成第k个变电所的电流矩阵和电压矩阵。对第k个变电所的潮流计算进行收敛判断，若满足收敛调整则直接输出潮流计算结果，否则需要重复上述流程继续迭代，直到满足收敛条件为止。最终将供电系统各支路电流和各节点电压输出，完成供
电系统负荷模拟过程中的潮流计算处理。
1.2 实现电气化铁道牵引供电系统电压损失补偿
采用首端集中补偿+沿线分散补偿方式，将其编写成程序代码作为补偿设备的补偿运行程序。在线路首端配电网设置集中补偿装置的同时，在沿线设置集中补偿装置，对线路首端配电网设置集中补偿装置进行补偿，该补偿策略首端集中补偿装置一般为动态补偿装置，沿线设置补偿装置均为可投切固定容量电抗器，同时提升线路状态下的电压值。根据电压损失值确定当前的补偿量，将编写完成的补偿程序导入到安装的补偿设备中，并将补偿量作为输入量代入到补偿设备中，完成供电系统电压损失的补偿处理。
2 电压损失补偿效果测试实验分析
2.1 配置电气化铁道牵引供电系统
在线利用 PSCAD作为电磁动态分析平台，实现了对系统运行数据的实时输出，实现了对电气化铁道牵引供电系统的开发和运行，实现了对电力机车运行数据的实时管理。此外，平台还提供了灵活的界面，用户可以构造独特的模型元素或直接植入自己的程序代码。PS
CAD平台在电力系统受到干扰或参数改变时，其输出结果随时间变化的特点。最后的输出结果既可以利用 Plot曲线实时显示，也可以以.out形式存储，便于其他程序对结果进行再处理和分析。实验以某电气化铁路路段的牵引供电系统作为研究对象，供电系统的基本运行参数如表1所示。
表1 电气化铁道牵引供电系统运行参数设置表
系统组成模块
运行参数名称
参数值
电
力
模
块
输电线路
供电容量
270 MVA在线代码运行器
额定电压
10 kV
线路距离
11.3 km
牵引变压器
容量
44 MVA
短路阻抗
32.4%
电力机车变压器
电压等级
10/2.8
短路阻抗
20.6%
平波电抗器
基准电流
84 A
电感
300 mH
钢轨
型号
P66
直流电阻
0.174 4 Ω
牵引索
型号
GHYM32
连接电气化铁道牵引供电系统的电源以及诸多输电设备，并启动发电与电力传输程序，保证选择的研究对象能够在实验环境中正常运行。
2.2 控制电气化铁道牵引供电系统谐振
造成电气化铁道牵引供电系统发生电压损失的原因是铁道牵引过程中产生的谐振，为了保证实验变量的可控性，需要采用人为控制的方式，即设置电气化铁道牵引参数的方式，实现供电系统的谐振控制，控制后的谐振频谱。
在实验过程中无论电气化铁路牵引程序处于任何工作状态，都能保证产生谐波处于相对平稳的状态，降低实验无关变量对实验结果产生的影响。按照上述控制方式，在实验过程中设置谐振次数分别为1次、3次、5次、10次和15次，以此将实验分成五个组别，进而保证实验结果的可信度。
2.3 设定电压损失补偿效果测试指标与预设值
电气化铁道牵引供电系统电压损失补偿效果主要就是从补偿处理后供电系统电压的畸变情况和补偿效率两个方面进行测试，从电压的损失补偿效率方面来看，就是测试电压补偿的
时间开销，也就是计算补偿程序执行到电压补偿稳定的耗时，消耗时间越短证明对应补偿方法的效率越高。为了保证电压损失补偿方法在实际电气化铁路牵引供电系统中的应用价值，要求设计方法的电压畸变率不得高于0.1%,补偿时间开销不得高于30 s。
2.4 设置实验工况
通过对牵引负荷的控制，在实验环境中设置三个测试工况，分别为牵引空载、一车牵引和三车牵引。在普通铁路列车角度来说，单一列车的负荷数值为850 kW,那么三种工况下对应的牵引负荷分别为0 kW、850 kW和2 550 kW。在三种不同的牵引工况条件下，启动牵引程序以及牵引供电系统，并得出供电系统的电压运行波形。
2.5 电压损失补偿效果实验过程与结果分析
将设计的电压损失补偿方法应用到三种不同的工况环境中，实现电压补偿功能，利用智能电压表设备用来监测供电系统的实时运行电压，并将动态电压测定结果输出，最终得出电压补偿后供电系统的电压测试结果。
随着电气化铁路牵引过程中产生谐振数量的增加，电压损失补偿的耗时时间逐渐增加。在
三车牵引工况下，当谐波次数为5时补偿耗时最长，小于30 s,即设计电压损失补偿方法的运行效率满足应用要求。
3 结束语
通过电压损失补偿方法的优化设计与应用，能够有效地降低供电系统输出电压的畸变率，具有良好的补偿效果。然而效果测试实验中只设置了三个工况，牵引的最大负载仅为2550 kW,与实际铁路牵引负荷存在较大差距，导致实验结果存在一定的局限性，因此，需要在今后的研究工作中进一步补充。

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