树形双边贯通供电系统运行策略及对外部电源的负序影响.pdf
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1、第 20 卷 第 7 期2023 年 7 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 7July 2023树形双边贯通供电系统运行策略及对外部电源的负序影响张志文1,王辉2,任卓2(1.国能新朔铁路有限责任公司,内蒙古 鄂尔多斯 010318;2.西南交通大学 电气工程学院,四川 成都 611756)摘要:树形双边贯通供电系统能够实现长距离无分相贯通供电,提高系统的再生制动能量直接利用率。当树形双边贯通供电方案仅由单相接线变压器构成时,列车在公共连接点处产生的三相电压不平衡度将加剧,一旦负序超标,将面
2、临负序带来的不利影响。为了确保系统的良好运行,避免负序带来的不利影响,有必要评估系统的负序情况。分别研究采用单相接线变压器和采用组合式同相供电装置构成的树形双边贯通供电系统及其运行策略,针对采用组合式同相供电装置的方式提出同相供电装置的就地控制策略。以公共连接点处三相电压不平衡度作为评估树形双边贯通供电系统对外部电源的负序影响的评估指标,分别构建传统Vv接线变压器的单边供电系统、采用单相接线变压器构成的树形双边供电系统和采用组合式同相供电装置构成的树形双边供电系统的负序评估模型。以某线路为例,基于构建的负序评估模型对采用树形双边贯通供电方案后的系统的三相电压不平衡度进行评估,并与既有供电方案的
3、结果进行对比,采用单相组合式同相供电的树形双边供电改造方案后,三相电压不平衡度最大值为1.65%,95%概率大值为1.20%,均符合国家标准。结果表明采用树形双边贯通供电系统方案负序问题得到了极大的改善,符合国家标准的要求,也证明了本文同相供电装置运行策略的有效性。关键词:电气化铁路;双边贯通供电;负序;同相供电装置中图分类号:U223 文献标志码:A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号:1672-7029(2023)07-2643-10Operation strategy of tree bilateral interconnected power supply system a
4、nd the negative-sequence effect on external power supplyZHANG Zhiwen1,WANG Hui2,REN Zhuo2(1.Xinshuo Railway Company Limited of CHN Energy,Ordos 010318,China;2.School of Electrical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 611756,China)Abstract:The tree bilateral interconnected power supply s
5、ystem can realize long-distance interconnected power supply without electrical phase separation,which improves the utilization rate of regenerative braking energy of the system.When the tree bilateral interconnected power supply scheme is only composed of single-phase connection transformers,the thr
6、ee-phase voltage unbalance generated by the train at the common connection point will be aggravated.Once the negative sequence exceeds the standard,it will face adverse effects caused by 收稿日期:2022-07-08基金项目:2021国家能源投资集团有限责任公司重大科技项目(GJNY-20-247)通信作者:王辉(1989),男,河北张家口人,博士,从事牵引供电系统理论和电能质量分析与控制研究;E-mail:
7、DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20221369铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 7月the negative sequence.In order to ensure the good operation of the system and avoid the adverse effects of negative sequence,it is necessary to evaluate the negative sequence of the system.The tree bilateral interconnected power supply sys
8、tem and the operation strategies were studied which including the system using single-phase transformer and the system using combined co-phase power supply device.A local control strategy was proposed for the method of using co-phase power supply device.The three-phase voltage unbalance at the point
9、 of common coupling was used as the evaluation index to evaluate the negative sequence influence of the tree bilateral interconnected power supply system on the external power supply,and negative sequence evaluation model of traditional unilateral power supply system based on Vv connection transform
10、er,the tree bilateral interconnected power supply system composed of single-phase connection transformers and the tree bilateral interconnected power supply system composed of combined co-phase power supply devices were constructed respectively.Taking a line as an example,based on the negative seque
11、nce evaluation model constructed,the three-phase voltage unbalance degree of the system after adopting the tree bilateral interconnected power supply scheme was evaluated,and compared with the results of the existing power supply scheme.After the tree bilateral interconnected power supply transforma
12、tion scheme of the co-phase power supply was adopted,the maximum value of the three-phase voltage unbalance was 1.65%,and the maximum value of the 95%probability was 1.20%,which were all in line with the national standards.The results show that the negative sequence problem has been greatly improved
13、 under the tree bilateral interconnected power supply scheme,which meets the requirements of national standards,and also shows the effectiveness of the operation strategy of the co-phase power supply device in this paper.Key words:electrified railway;bilateral interconnected power supply;negative se
14、quence;co-phase power supply device 为适应我国经济发展的需求,我国电气铁路不断朝着高速和重载的方向飞速发展。由于列车采用单相电力牵引方式1,单相牵引负荷产生的负序分量会对外部电源造成不利影响。负序分量的存在会导致发电机的出力下降、产生附加振动;电动机效率下降、出现局部过热现象;变压器容量利用率降低;对于输电线路,造成电能损失,降低输电能力;导致继电保护装置误动作等25。因此,工程中采用换相连接方式减小电气化铁路对外部电源带来的负序影响,但需设置电分相6。列车在过分相时会造成供电中断,伴随有过电压、过电流等现象7,严重时可能会造成安全事故。自动过分相是解决列车
15、过分相问题的方法之一8,包括车载、地面和柱上3种方式。采用车载方式时,列车断电运行,利用惯性惰行通过电分相9,使得列车速度降低;采用地面方式时,列车带电运行通过电分相,当行车密度较大时,装置频繁动作使得寿命降低,进而投资和维护成本均增加10;采用柱上方式时,虽方案简单,但存在列车速度损失大、过电压冲击等问题11,故电分相的存在制约了电气化铁路更好地朝着高速和重载发展。与既有单边供电方式相比,电气化铁路双边供电方式可以取消 2个牵引变电所之间的分区所处的电分相,减少系统的电压损失和电能损耗12。与俄罗斯等国采用的传统双边供电方式相比,李群湛等12提出的树形双边供电除了具有传统双边供电系统的优势外
16、,还能够最大限度降低均衡电流。当树形双边贯通供电方案仅由单相接线变压器构成时,列 车 在 公 共 连 接 点(Point of common coupling,PCC)处产生的三相电压不平衡度将加剧,一旦三相电压不平衡度超标,将面临负序带来的不利影响。因此,有必要评估树形双边贯通供电系统在PCC处产生的负序情况,为是否采取负序治理措施提供依据,同时校验采取的措施是否有效,进而确保系统的良好运营13。根据项目所处阶段,可采用不同方法对三相电压不平衡度进行评估。在2644第 7 期张志文,等:树形双边贯通供电系统运行策略及对外部电源的负序影响项目的规划及设计阶段,可采用预测评估的方法评估树形双边贯
17、通供电系统对外部电源的负序影响,并根据相关资料建立系统模型,对评估对象仿真或分析计算得出数据,与评估指标比较,判断是否满足标准要求。在项目的验收阶段及公用电网日常运行管理时,应采用监测评估的方法,通过现场测量将获取的实测数据与评估指标比较,判断是否满足标准要求14。陈启迪等13提出一种基于不完全函数的预测算法,通过推导短容比的取值,转化得到一种预测评估负序的方法。邢晓乾15指出目前的评估方法存在对机车负荷频繁波动特性考虑不足、一般对单个牵引变电所评估而未从整体进行评估等问题,研究分析一种基于运行图的电能质量评估方法。张峥等16提出一种基于电力系统分析综合程序的预测评估方法,对PCC处各项电能质
18、量指标仿真分析。本文以公共连接点处三相电压不平衡度作为评估树形双边贯通供电系统对外部电源的负序影响的评估指标,分别构建了传统Vv接线单边供电系统和2种树形双边供电系统负序评估模型;以某线路为例,基于实测数据分析既有方案的三相电压不平衡度,基于负荷过程仿真数据对采用树形双边贯通供电方案后的系统的三相电压不平衡度进行评估,并将结果进行对比,分析树形双边贯通供电改造方案在治理负序问题方面的可行性。1 树形双边贯通供电系统结构及运行策略根据外部电源结构不同,将电气化铁路双边供电分为平行双边供电和树形双边供电17。其中,平行双边供电在俄罗斯和韩国等国家铁路中广泛应用1819。该方式下牵引变电所的外部电源
19、来自不同 PCC,通常牵引网中会产生均衡电流,反映到潮流中称为穿越功率,其存在会影响电费计量。对于树形双边供电,其牵引变电所的外部电源来自同一PCC,如图1所示,外部电源S1和S2一主一备,正常供电时,牵引变电所SS1和SS2同时取电于外部电源S1或S2的同一母线的不同分段,构成树形供电,牵引变电所SS1和SS2之间的分区所SP连通,牵引网实现贯通供电。当2个相邻变电所内牵引变压器变比相同时,均衡电流为020。对于树形双边供电系统,若PCC处三相电压不平衡度限值在规定的范围之内,牵引变压器优先采用单相接线变压器,若PCC处三相电压不平衡度超出限值,则设置组合式同相供电装置治理负序。本节针对树形
20、双边供电系统的结构及其运行策略展开研究。1.1采用单相接线变压器构成的方案及其运行策略图1中牵引变电所SS1和SS2中牵引变压器均采用单相接线变压器,构成采用单相变压器构成的树形双边供电方案,如图2所示。正常供电时,单相接线变压器的一次侧连接至同一母线的不同分段,二次侧连接至牵引网,由于相位一致,构成贯通供电。图1树形双边供电方案示意图Fig.1Schematic diagram of tree bilateral interconnected power supply system图2采用单相接线变压器构成的树形双边供电结构Fig.2Schematic diagram of tree bil
21、ateral interconnected power supply structure composed of single-phase connection transformers2645铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 7月当牵引网的某一区间故障时,借助于牵引网分段供电与测控技术,将故障区段切除,其余区段保持正常供电运行。当牵引变电所SS1或SS2解列时,则由剩余的牵引变电所进行越区供电,此时与传统单边供电方案类似。1.2采用组合式同相供电装置构成的方案及其运行策略图1中的牵引变电所SS1和SS2中设置组合式同相供电装置,构成采用组合式同相供电装置构成的树形双边供电方案,
22、以单相组合式同相供电装置为例,如图3所示。相较于采用单相接线变压器构成的树形双边供电方案,该方案运行工况中需要考虑组合式同相供电装置的运行策略。设定牵引变电所i(i=1,2)补偿前牵引负荷的视在功率为SLi,牵引变电所i的同相供电装置牵引侧的容量为SCi,同相供电装置投入前牵引母线处牵引负荷的功率因数为cosL0i。下面给出一种采用组合式同相供电装置构成的树形双边供电系统的就地控制策略,牵引变电所SS1和SS2之间不存在信息传递,即每个牵引变电所的同相供电装置的控制是独立的。为了降低牵引变压器的损耗,首先将牵引负荷的功率因数在牵引侧补偿至1,则牵引变 电 所 i 处 需 要 补 偿 的 无 功
23、 功 率 SCpi为SCpi=SLi1-cos2L0i,剩余的负序电流补偿按照如下策略控制:1)当SLicosL0i2S2Ci-(SLi1-cos2L0i)2,牵引变压器和同相补偿装置分别提供牵引负荷有功功率的1/2,此时负序电流得以完全补偿;2)当SLicosL0i2S2Ci-(SLi1-cos2L0i)2,剩余同相补偿装置全部投入。2 基于三相电压不平衡度的负序评估模型以PCC处三相电压不平衡度作为评估牵引供电系统对外部电源负序影响的评估指标,分别建立2个牵引变电所采用基于Vv接线变压器的传统单边供电方案以及采用树形双边供电方案的负序评估模型,为单边供电和树形双边供电的负序评估以及不同供电
24、方案之间的对比分析提供理论支撑。2.1采用Vv接线变压器的单边供电当前我国牵引供电系统均采用单边供电,部分线路外部电源构成树形供电,牵引变电所SS1和SS2中的牵引变压器T1和T2均以Vv接线为例,其结构示意图如图4所示。图中IA,IB和IC为电力系统三相电流,IA1,IB1和IC1与IA2,IB2和IC2分别为牵引变压器T1和T2的一次侧三相进线电流。设牵引变压器 T1和 T2的变比均为kT,基于KCL定律得到如下关系:图3采用单相组合式同相供电装置构成的树形双边供电方案Fig.3Schematic diagram of tree bilateral interconnected power
25、 supply scheme composed of a single-phase combined co-phase power supply device图4采用Vv接线变压器的单边供电结构示意图Fig.4Schematic diagram of unilateral power supply structure using Vv connection transformer2646第 7 期张志文,等:树形双边贯通供电系统运行策略及对外部电源的负序影响 IA=IA1+IA2IB=IB1+IB2IC=IC1+IC2(1)设定牵引变压器T1二次侧端口的负荷电流为IL1和IL2,则IA1,IB
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