黄文勋

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

引言

随着电力电子技术的快速发展，我国电力牵引机车开始广泛采用交-直-交方式牵引，这为实现再生制动奠定了基础。在实际运行中受线路坡度和弯道半径等因素影响，交-直-交机车会频繁地在启动、加速、惰行和制动等工况间切换，这将产生较大的再生制动能量[1-3]。同时，我国在西部复杂艰险山区修建铁路的需求日益紧迫。这些铁路线路坡度大(达到30‰)、坡长长达数十千米，开行的客运列车运行速度快，开行的货物列车牵引质量大[4]。在这种情况下，列车再生制动功率大、再生制动制动时间长。当再生制动能量反送回电网时，将引起牵引网电压抬升。同时，受复杂艰险山区隧道比例高的影响，牵引供电方式只能采用供电能力较弱的带回流线的供电方式，将加大牵引网电压抬升量。当牵引网电压抬升后，易引起列车车顶间隙放电，并导致列车制动功率下降，甚至造成列车电气制动失效，严重影响铁路的安全运行。

以往对列车再生制动的影响研究，多集中在城市轨道交通领域[5-7]。由于西部艰险山区高标准铁路的修建还无成熟的工程先例，对在此工程环境下进行列车再生制动对牵引网电压抬升影响的研究文献也相对较少。其中，部分文献对外部电源电能质量引起的机车再生制动失效问题进行了分析[8]；部分文献分析了不同运行图时再生制动能量吸收的差别[9]；部分文献对针对电力机车再生制动能量利用率很低的情况，提出了一种由RPC和超级电容储能装置构成的新型储能式高铁电能质量补偿系统[10]；部分文献分析了单列车制动时，对再生制动网压抬升量的抑制措施[11]。但所述文献均未针对实际工况建立仿真模型，也没有实测数据加以验证。

本文以国内某翻越秦岭山区某高铁牵引变电所负荷数据为例，分析了列车再生制动特性；建立了包含分析再生制动工况下牵引网电压抬升的仿真模型，并以实测数据对模型进行了验证；然后利用所建立的仿真模型，模拟艰险山区客车、货车在不同条件下制动时对牵引网电压抬升的影响；最后研究了抑制再生制动对牵引网电压抬升的工程措施。

1 基于实测数据的长大坡道机车再生制动对牵引网电压抬升分析

1.1 现场实测情况

为掌握列车再生制动特性，对某开通的翻越秦岭山区铁路进行了测试。该铁路列车速度目标值为250 km/h，线路最大坡度达25‰，足坡长达45 km，是典型的艰险复杂山区铁路。选取整供电臂均位于25‰坡度上的典型供电臂，分别在牵引所、AT所、分区所处装设带GPS对时功能的高精度的电能质量数据采集仪，同步对各所亭的电气参数进行测试。测点布置如图1所示，现场测试情况如图2所示。

图1 测点布置示意(▲为测点位置)

图2 现场测试(牵引所)

1.2 测试数据分析

该供电臂24 h日负荷有功功率变化曲线如图3所示。

图3 日负荷有功功率变化曲线

由图3可知，该所位于长大坡道区段供电臂的有功功率和电能数据统计如表1所示。

表1 供电臂一日统计情况

由表1可知，该供电臂的最大正向有功功率值为25.40 MW，最大反向有功功率值为16.55 MW，反送的电能约占牵引电能的21.63%。结合运行图信息，取供电臂内仅有1列车(车型为CRH380BL)下坡方向制动运行时段，有功功率变化曲线如图4所示，对应该时刻，该供电臂分区所的接触线(T线)和正馈线(F线)电压、电流变化如图5、图6所示。

图4 日再生制动功率典型时段有功功率变化曲线

图5 日再生制动功率典型时段分区所电流变化曲线

图6 日再生制动功率典型时段分区所电压变化曲线

由图4可知，在列车通过进入供电臂初始阶段，再生制动功率出现最大值，此时牵引网电压抬升0.6 kV。

2 适用于列车再生制动影响分析的牵引供电系统仿真模型

2.1 牵引供电系统仿真模型

根据实测数据可见，牵引网电压抬升量主要受列车再生制动功率数值影响，而列车再生制动功率与列车制动减速度、运行速度等因素相关。因此，为分析列车再生制动工况下牵引网电压抬升情况，需要建立列车运行状态与牵引供电系统密切耦合(车-网耦合)的仿真模型。

国内外学者对牵引供电系统仿真进行了研究[12-15]，也涌现了不少商业软件，但多未经实测数据验证，较难准确地预测再生工况下车-网耦合特性。

本文所建立的牵引系统仿真主要分为牵引计算模块、列车运行图模块、潮流计算模块。其中牵引计算与潮流计算密切耦合：牵引计算模块根据线路参数(线路坡度、曲线半径、隧道、限速等)、列车参数(列车质量、阻力特性、牵引特性、制动特性等)、电分相设置位置等，确定列车运行状态，并求取列车不同位置、不同运行状态下功率分布；同时，根据列车追踪间隔、发车时间等信息，排布列车运行图，并基于多导线传输理论进行潮流计算，获得列车电压后，结合列车特性，计算列车电流、功率，并修正牵引计算结果。

2.2 实测数据对仿真模型进行验证

利用上节所述仿真模型，对所测供电臂进行仿真计算。

单列车运行在该供电臂时，列车再生功率实测数据与仿真数据对比如图7所示。

图7 再生制动功率仿真与实测数据对比

分区所处上行T、F馈线电流实测与仿真数据对比如图8所示。

图8 分区所处馈线电流仿真与实测数据对比

分区所处T线电压实测与仿真数据对比如图9所示。

图9 分区所处T线电压仿真与实测数据对比曲线

仿真结果与实测数据基本吻合，验证了所建仿真模型的正确性。

根据实测与仿真数据可见，列车在惰行通过电分相过程中，由于失去制动力列车速度将会增高。当列车通过电分相后重新取电时，为尽快降低列车速度，列车将使用较大的减速度进行制动，即需要较大的制动力及制动功率。当列车速度下降至设定速度后，仅需要较小的制动力就能使列车匀速运动，此时再生功率也将回落。因此，列车通过电分相后，列车再生制动功率陡增。

根据电能传输特性，电能必然由电压高处向电位低处传送。再生制动能量返送时，由于牵引变电所处电压几乎不变，而再生制动能量在牵引网传输时将产生电压降，因此必然导致列车所在处牵引网电压抬升。可见，牵引网电压抬升量受列车再生制动功率、牵引网阻抗、电力系统电压水平等因素影响。

3 复杂艰险山区列车再生制动对牵引网电压抬升仿真

我国在西部复杂艰险山区修建铁路的需求日益紧迫。这些铁路线路往往坡度大(达到30‰)，坡长长达数十千米，开行的客运列车运行速度快、开行的货物列车牵引质量也较大，即列车再生制动功率大、列车再生制动时间长。同时，受复杂艰险山区隧道比例高的影响，牵引供电方式只能采用供电能力较弱的带回流线的供电方式，即牵引网阻抗相对较大(与AT供电方式相比)，将加大列车再生制动时的牵引网电压抬升量。

为此利用所建的仿真模型，对典型的复杂艰险山区列车再生制动对牵引网电压抬升情况进行仿真。

3.1 仿真条件

线路限制坡度为30‰，供电臂长度为20 km；货物列车采用HXD1，牵引质量2 000 t，列车运行速度80 km/h，追踪间隔6 min；客车采用CRH380AL，列车运行速度200 km/h，追踪间隔6 min；货物列车最大制动减速度取0.07g[16-17]，客车最大制动减速度取0.08g[16-17]；牵引网采用带回流线的直接供电方式；整个供电臂均位于坡道上，仅下坡方向有列车运行。

分别对供电臂内单列车运行、列车追踪运行进行仿真。

3.2 单列车运行时仿真结果

当仅下坡方向有列车运行，且供电臂内仅有1列车时，仿真结果如表2所示。

表2 单列车运行时供电参数情况

3.3 列车追踪运行牵引网电压仿真结果

当仅下坡方向列车追踪运行，且供电臂内列车追踪运行时，分别按列车在供电臂内不停车和停车(均按列车在供电臂中部停车制动)进行仿真，仿真结果如表3所示。

表3 列车追踪运行时供电参数情况

根据仿真计算可见，在列车追踪运行时，由于再生制动的列车数量增多，牵引网最高电压将增大；在列车需要停车时(如供电臂内有车站)，列车再生制动功率将增大，牵引网最高电压也将升高。

货车追踪运行(HXD1牵引2 000 t)牵引网电压已经超过29.0 kV；客车(CRH380AL)列车追踪运行时，列车均不停车时牵引网最高电压已接近29.0 kV，在有列车停车时牵引网最高电压已超过29.0 kV。当牵引网电压超过规定数值，有可能影响列车正常运行。

4 再生制动引起牵引网电压抬升抑制措施研究

为解决机车再生制动引起的牵引网电压抬升问题，除变压器设置有载调压开关外，提出了两种可行方法，分别为加装再生能量释放装置、利用同相双边供电技术，下面分别对其进行分析。

4.1 双边供电

受电力系统条件的制约，我国的交流电气化铁道普遍采用单边供电方式[18]。但随着我国交流电气化铁路及电力系统的发展，部分地区外部电源已经具备为电气化铁路进行双边供电的条件[19-20]。利用所建的仿真模型，仿真输入条件与上节相同，取消两供电臂间电分相，对列车停车工况进行仿真，仿真结果见表4。

表4 采取双边供电后供电参数情况

根据仿真结果可见，采用双供电方式能够一定程度降低牵引网电压，但在供电臂内列车停车工况下，牵引网电压仍高于29.0 kV。

4.2 加装再生能量释放装置

在接触网适当地点加装再生能量释放装置，释放列车的再生制动能量，可以有效防止线路电压升高。按能量释放吸能装置采用磁阀式电抗器，设置于分区所。再生能量释放装置主要技术参数见表5。

表5 再生能量释放装置主要技术参数

利用所建的仿真模型，在供电臂T-R间设置高阻连接，模拟末端设置加装再生能量释放装置。仿真输入条件与上节相同，模拟供电臂内列车停车工况，仿真结果见表6。

表6 设置再生能量释放装置后供电参数情况

HXD1牵引2 000 t追踪运行时，能量释放装置功率及电压仿真结果如图10所示。

图10 能量释放装置功率及电压仿真结果

根据仿真结果可见，在供电臂上加装再生能量释放装置后，能够有效释放再生能量，降低牵引网最高电压。

5 结语

对艰险山区铁路长大坡道工况下列车再生制动对牵引网电压抬升的影响进行了分析计算，主要结论如下。

(1)针对长大坡道再生制动对牵引网电压抬升影响，对典型牵引变电所进行了实测与数据分析。经对长大坡区段的日再生制动能量特性及日再生制动功率最大时刻的牵引网电压抬升的分析，列车通过电分相后存在大功率再生制动现象。

(2)建立了车-网耦合的仿真模型，并利用实测数据对所建立仿真模型进行验证。利用所建仿真模型，模拟分析了典型电气化铁路工程条件下，客车与货车在不同制动条件下牵引网电压抬升影响。根据仿真可见，列车再生制动时，牵引网电压将超过29.0 kV，对列车正常运行存在一定影响。

(3)为抑制再生制动引起牵引网电压抬升，提出了加装再生能量释放装置或采用双边供电的工程措施。通过仿真分析，两项措施均能有效降低牵引网电压。