电气化铁道牵引供电系统电压损失补偿方法研究

李增华

摘要：电气化铁道是以电为动力的铁道，其是在自动化时代条件下发展起来的。电气化铁道在运行过程中，因其所产生的无功功率和谐波电压的变化，对电力系统的供电电能质量会产生较大影响。在电能波动中，最显著的影响表现就是电压骤降，这不仅会对牵引和电系统的安全和经济运行造成威胁，还会因为电力供应不足而造成电气化铁道上的列车发生故障。为使电气化铁道的运营风险最小化，就必须根据其运行状态，采取相应的电压损耗补偿措施。

关键词：电气化；铁道牵引；供电系统；电压损失补偿

1.电气化铁道补偿方式

在无功补偿方面，应以动态补偿为主。对电气化铁道而言，系统的单相电压是27.5kV，但总的补偿容量并不大，因此，使用可控硅控制电抗器（TCR）的方法，自动调容动态无功补偿装置的费用过高。通常情况下，应当使用磁控电抗器（MCR）自动调容动态无功补偿装置来进行调容，由于它的经济技术性能比较好，因此，通常情况下，应当选择MCR调容方式。磁控电抗器（MCR）是一种滤波支路，与磁控电抗器并联支路所构成的静止式动态无功补偿及滤波设备。该装置结合小截面磁饱和技术，并基于直流激磁原理，通过调整磁控电抗器的磁饱和程度，使其输出的感性无功产生变化，中和电容组的电容无功产生变化，从而达到无功连续可调的目的。

MCR式动态无功补偿器是利用外加直流磁场，通过改变铁芯直径来实现对局部铁芯饱和度的控制。其铁芯部分（横截面）横截面积很小，在全容量调整区域仅有一小部分磁路达到饱和（横截面为极限饱和），其余部分均为非饱和线性，可通过调整横截面部分的磁路饱和度来实现对电抗器功率的调控。

2.电气化铁道牵引供电系统电压损失补偿方法设计

2.1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，从初始时刻开始，每Δt时间步长，对一次列车在线路上供电设施的各项电气参数在构建的供电系统数学模型下进行潮流计算，将潮流计算结果输出并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个，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。假设此时每列带电列车的初始电压与其各所对应的初始馈线出口电压相等，实时更新带电列车电流，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。按照上述流程增加一个步长，继续模拟，直到结束为止，直到运行时刻t到达终点T，完成电气化铁道牵引供电系统的负荷模拟。

2.2安装供电系统电压损失补偿设备

选用静态无功补偿器作为电气化铁道牵引供电系统电压损失补偿装置。静态无功补偿器是由并联电抗器或电容器与可控/可调电抗器构成。TCR回路是由两个反向并联的晶闸管与固定电感串联组合而成，在电压波形由电压峰值降至电压过零段期间，晶闸管处于正电压状态，从而实现电感接入。当两个晶闸管同时关闭时，在流过感应器中没有电流通过时，要使感应器线圈流过电流，则两个晶闸管内必定有一个晶闸管导通。以上所提出的补偿过程，TCR的容量是连续动态可调的，通过改变TCR中晶闸管的通量来调整补偿容量的大小。

2.3实现电气化铁道牵引供电系统电压损失补偿

有集中补偿和分散补偿两种方式，本次采用首端集中补偿及沿线分散补偿相结合的方式，将其编写成程序代码作为补偿设备的补偿运行程序。在牵引变电所首端的牵引网设置集中补偿装置，即集中设置在牵引变电所内的27.5kV母线上，同时在沿线牵引网上设置分散补偿装置，对牵引所首端牵引网设置集中补偿装置进行补偿，该补偿策略在首端设置的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的固定容量的电抗器，集中补偿与分散补偿共同作用，以提升列车运行状态下的牵引网电压值。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。

3.电压损失补偿效果测试实验

3.1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，实现了对电气化铁路的牵引供电系统开发和运行，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。PSCAD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。

3.2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之一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。

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、7次、11次和13次，以此将实验分成六个组别，进而保证实验结果的可信度。

3.3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，其中电压畸变情况测试过程中设置的补偿效果量化测试指标为电压畸变率。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30s。

3.4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、存在一列机车牵引和存在两列机车牵引的工况。在普通铁路列车角度来说，单一列车的负荷数值为7200kW，那么三种工况下对应的牵引负荷分别为0kW、7200kW和14400kW。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。

3.5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牵引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牵引供电系统的电压测试结果。

4.结束语

综上所述，通过电压损失补偿方法的优化设计与应用，该方法可以有效地减小供电输出电压的失真，并对电网进行补偿。但该试验仅设定三种状态，且最大牵引载荷仅为2550kW，与真实轨道运行载荷相差甚远，使得试验结果具有一定的局限性，亟待在以后的研究工作中加以完善。

参考文献

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[2]马继承.地铁和电气化铁路的牵引供电系统比较分析[J].中国高新科技,2020,(06):120-121.