地铁牵引供电系统谐波抑制和无功补偿的研究

地铁牵引供电系统谐波抑制和无功补偿的研究

周尧,胡子超,贾灿

青岛地铁运营有限公司  266000

摘要：传统地铁牵引供电系统采用24脉波整流机组，列车刹车时的制动能量会引起直流接触网电压升高。新建线路通常配置再生能量吸收装置，目前以逆变回馈型装置(以下简称“能馈装置”)应用最为广泛。但该复合型方案中的整流机组和能馈装置需要分别接入交流环网及直流接触网，系统结构复杂且其成本较高。本文在能馈装置的基础上，提出以双向变流装置作为供电核心的新型牵引供电系统替代该复合型方案。由于IGBT(绝缘栅双极晶体管)反并联二极管短路能力有限，当系统直流侧发生短路时，容易发生损坏。

关键词：地铁；牵引供电系统；谐波抑制；无功补偿；

引言

随着我国社会经济的不断发展，铁路因为其运载能力大、运行速度快等特点，在整体交通运输中扮演着非常重要的角色。牵引供电系统的主要功能就是向铁路上运行的电力机车提供连续可靠的电能。而为了使牵引供电系统能够可靠安全供电，继电保护发挥了重要的作用。整定值是继电保护工作的基准，直接关乎牵引供电系统的安全运行。而目前的继电保护整定技术已不能满足需要，因此开发出一款自动化程度高的可视化继电保护整定计算软件势在必行。基于此，本文研究整定计算可视化和图形化实现技术，通过电气元件组态完成整定计算，方便灵活，易于被技术人员掌握和理解。

1中国城市轨道交通的发展状况

地铁、轻轨、公交车等公共交通是城市轨道交通的一部分。19世纪50年代早期轨道交通首次在英国出现。伦敦的大都会铁路历时9年建成，于1863年初正式投入使用。它的主要动力来自于蒸汽机车，以蒸汽为动力，驱动蒸汽机车运输。随着全球经济的发展和人口不断增长，中国的运输方式也随之发生了变化。交通堵塞问题是全球范围内普遍存在的，中国交通堵塞的情况更为严峻。中国在交通建设和发展过程中，对城市轨道交通的发展给予了越来越多的关注。目前，全球三大城市轨道交通运营里程最长的国家为中国、美国、韩国。

2地铁牵引供电系统

牵引变电所包含交流中压开关柜、整流机组、能馈装置及直流开关柜等所示。该复合型方案中的整流机组和能馈装置需要分别接入交流环网及直流接触网，系统结构复杂且其成本较高。双向变流牵引供电系统使用双向变流装置替代整流机组。双向变流装置具备四象限运行功能:列车牵引时，装置整流运行，为车辆提供牵引能量和稳定的直流电压，并能保证交流并网电能质量;列车制动时，装置逆变运行，将制动能量反馈至中压环网，以稳定直流电压;通过补偿无功功率提高系统功率因数。

图1牵引供电系统

3双向变流装置技术特征

电流运行状态。其优点如下:1)牵引网网压平稳。无论是在整流还是逆变工作状态，牵引网网压均可稳定在设定电压。在峰值功率输出或制动能量回馈时，输出电压与设定值保持一致，能为列车牵引系统、辅助供电系统提供了良好的供电支撑，同时可降低安全隐患。可降低跨区间电流，进而可显著降低杂散电流对刚轨电位的影响。2)减少线路损耗。由于牵引网网压可控且平稳，牵引和回馈电能基本上由近端牵引变电所输出和回馈，减少了直流牵引系统能量越区传输和相关的能量传输损耗，同时通过合理设定运行电压，也可减小由牵引负荷引起的线路损耗。3)供电兼容得到改善。由于全控型整流装置的交直流解耦特性，使得双向变流设备对网侧交流电压波动具有宽范围适应区间，交流电压在±15%的波动区间内可保持直流牵引网网压稳定不受影响，同时减少了地方电网波动对供电系统的影响。4)提高了安全性。对比传统的整流机组在大双边供电时电压降落严重的情况，双向变流设备电压在大双边供电时，可稳定网压，从而提高接触网末端电压，即提高了供电能力，保证了直流牵引供电系统正常运行。5)使核心设备可控。作为核心供电设备，对比整流机组，双向变流装置输出电压、功率大小和流向均可控，可显著提高系统的信息化和智能化程度，为提高供电系统的安全和效率提供了有力的保证。

4短路计算方法

牵引供电系统的短路计算是进行保护整定计算的基础，依据短路计算结果和相关标准即可计算整定值。目前关于普速铁路短路计算的研究已经相对成熟，而高速铁路的短路计算方法还有待进一步研究。短路计算的基本流程如下所示：（1）确认外部电源参数，根据牵引变压器的接线形式，确定牵引变电所等值电路与相关参数。（2）根据供电方式，进行牵引网短路阻抗计算（忽略自耦变压器漏抗、忽略钢轨对地漏导与短回路的地中电流、忽略上下行线路间的阻抗），对于AT供电方式应考虑不同故障，包括：T-R（接触线接地）短路、F-R（正馈线接地）短路和T-F（接触线与正馈线相接）短路，不同故障的牵引网当量等值电路与阻抗参数不同。（3）利用当量等值电路与实际电流的对应关系计算短路电流，分析故障时的牵引网电流分布。

5牵引供电系统在城市轨道交通中的应用

轨道交通牵引供电系统指在运输线路上进行电力输送的电力供应，保证电力机车、轻轨、地铁等正常运行，其供电采用牵引网传输。起初，地铁有交流和直流2种动力形式，与技术发展相结合的双重标准电力供应经过相关专家们的努力而得以实现。随着社会的进步和城市的发展，人口增长和交通堵塞问题日趋严重，城市轨道交通系统也面临着越来越大的挑战。交通牵引电力系统关系着交通出行的顺畅度。很多城市在建设接触网、牵引网、变电站等，部分单位对其进行了大量的研究。电力系统采用的是1500V供电方法，而城市轨道交通则是由电力系统双边供电。电力系统之所以选择双向电源，主要是因为一旦有一条电力线出现故障，就能立刻对线路进行替换，这样才能更好地保证电力运输和牵引电力。建立直流牵引供电网络时，也可以采取杂散的电流保护方法，实现向单独的电力供应网络的均匀传输，还可以进行更远的传送。采用直流系统本身的电力传输方式，电力供应的距离会缩短，会增加项目投资，而且直流牵引电力系统的传输效率也不高，所以直流牵引供电系统没有建设优势。①牵引变电所两端节点、列车两端节点的规则排序；②按照位置坐标排列节点并存储至节点数组；③根据节点数组自动生成直流牵引供电系统等效电路图；④基于等效电路图，根据节点数组和输入参数文件自适应地生成直流牵引供电系统节点导纳网络方程。在任意输入牵引变电所数量和位置且列车数量和位置随时间变化的情况下，本文提出的方法能自适应地实时动态生成直流牵引供电系统数学模型，该方法自适应能力强，可为城市轨道交通直流牵引系统设计和研究提供强有力的工具支持。

结束语

随着中国各大城市的交通压力日益增加，中国许多地区的动车、地铁、轻轨都在建设，既方便了人们的出行，又为城市轨道交通电力系统的通电带来新的挑战，特别是在人流量、车辆流量方面。对于更大的城市来说，迫切需要满足城市轨道交通的电力供应。在交通高峰期，城市轨道交通稳定、高效、持续供电非常关键。对于市轨道交通的电力供应，需要进行更加细致深入的研究，加强它在减轻城市交通压力方面的作用。

参考文献

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