电源稀薄地区辅助牵引电源研究

魏 光

0 引言

中国西部地区电网电源稀薄，短路容量偏低。青藏铁路格拉段位于青藏高原腹地，跨越青海、西藏两省区，新建线路1 136 km。其中，海拔4 000 m以上线路区段达960 km，线路最高处海拔5 072 m。电力机车在该线路中一旦遇到故障情况，失氧失温对乘客的生命安全带来极大威胁。青藏铁路沿线荒凉，且旅游景点较多，实现机车“早到发”是未来的趋势，设立存车场必不可少。存车场若由牵引变电所长距离供电，成本高，维护难。就近接引电力35 kV电源为存车场提供牵引电源成为性价比高的选择。沿线人口分布少的铁路在运营初期列车对数较少，供电臂功率因数较低，无功补偿对于经济用电起到重要作用。因此，研究辅助牵引电源方案具有重要意义。

同相牵引供电系统[1～12]研究，旨在取消电分相，补偿电能质量，是牵引供电系统的一场革命。文献 [13，14]对各种牵引供电系统辅助电源方案进行了研究。本文引入同相供电相关技术，从35 kV电网接引电源，通过变压器和潮流控制器PFC（Power Flow Controller，PFC）的组合，使得功率在系统间有序传递，电能质量在电源侧按需补偿，为实现应急牵引电源、供电臂无功补偿、存车场辅助供电奠定了基础，对工程应用具有参考价值。

1 工程现状

青藏铁路格拉段拟新建28座牵引变电所，其中青海省境内新建14座330 kV牵引变电所，西藏自治区境内新建14座220 kV牵引变电所。格拉段新建35 kV电力贯通线一回（简称一贯）；沱沱河—那曲段处于无人区，其间新建第二回35 kV电力贯通线路（简称二贯）。利用既有格尔木35/10 kV铁路变配电所，新建纳赤台、五道梁、沱沱河、安多、那曲、当雄、羊八井35 kV铁路配电所及拉萨35/10 kV铁路变配电所向电力贯通线及车站供电。

当机车运行到区间发生线路故障时，首先考虑越区供电，降低行车对数和速度，保证机车处于带电状态；若进一步发生牵引电源故障，则无法实现由牵引变电所向接触网供电。本文提出的应急辅助电源方案此时可通过就近车站的电力变配电所，由35 kV电源向接触网提供牵引电源，保证机车的连续供电，避免因缺氧失温对乘客造成严重生命威胁。

2 应急辅助牵引系统工作原理

35 kV电力电源引自三相对称电网，机车为单相负荷。直接由三相电源接引其中两相为接触网供电会导致负序较为严重，对于本来就薄弱的外部电源雪上加霜。应急辅助牵引电源采用电力电子技术，将接触网的单相负荷需求对称变换至电源侧，使得35 kV铁路贯通线系统保持三相对称状态。

应急辅助牵引电源系统由两组单相变压器、潮流控制器PFC组成，如图1所示。PFC采用单相全桥背靠背四象限变流器，传递有功功率，同时补偿负序、谐波、无功等电能质量参数。

图1 系统结构

式中：φL为功率因数角（滞后的相位差）；ψL为接线角（滞后的相位差）。

由此，负荷电流的全分解式如下：

式中：T32为变压器变换矩阵，hi为谐波电流分量，iL为负荷电流。

将式（7）代入式（2），得

式中：Idc为PFC直流部分电流。

3 系统控制策略

由式（2）～式（5）可得电流分解策略如式（10）所示，控制策略如图2所示。

接引35 kV电源A相电压uA(t)，经锁相环可得同步参考矩阵：

设正弦构造矩阵A1～A4，旋转矩阵R：KN,KC,Kh∊[0,1]。通过设置补偿度大小可实现

设负序、无功、谐波补偿度分别为PFC的满意补偿，优化工程应用的容量配置。

直流环节将电压参考值与瞬时值的差值通过PI模块叠加在补偿电流参考值上，保持直流能量交换的稳定。

图2 系统控制策略

变流器采用滞环电流跟踪控制技术，如图3所示。

图3 滞环电流跟踪控制原理

4 仿真分析

为验证方案效果，基于Matlab/Simulink建立仿真模型，负荷模型采用SS机车。系统参数如表1所示。

表1 系统参数

负荷特性如下：

4.1 单列机车运行工况

根据供电计算，应急情况下保证1列车运行通过故障区段。设供电臂仅有1列车满功率运行，仿真结果如图4所示。

图4 PFC投入对比

由图4可以看出：投入PFC前，虽然接触网为机车供电，但35 kV电源侧的负序很差；投入PFC后，35 kV电源侧实现了三相对称。

4.2 按需补偿电能质量工况

为验证按需补偿电能质量参数，进行如表2所示设置，仿真结果如图5所示。

表2 电能质量补偿设置

图5 电能质量补偿对比

由仿真结果可见，各电能质量参数可实现按需补偿。

5 结论

（1）针对电源稀薄地区供电特点，本文所述辅助牵引电源可实现牵引变电所失电且无法越区供电情况下的应急牵引电源供电，使得至少1列车带电驶出故障区间，以保证行车及乘客生命安全。

（2）铁路运营初期，供电臂电能质量较差，本电源可作为移动式补偿装置，可提升功率因数，减少电网部门罚款。

（3）铁路沿线设置数座车站，若考虑远期实现“早到发”，在线路中间设置存车场，该辅助牵引电源可为存车场提供带电条件。