新型牵引供电系统潮流计算与分析

周志录

摘 要：本文提出了一种适用于新型牵引供电系统且与机车功率特性相匹配的潮流计算方法。运用连续线性潮流法，在MATLAB软件平台上开展了车-网交互联合仿真，对新型供电系统与既有供电系统内功率潮流分布进行仿真，并在电压损失、牵引变电所容量和系统功率损耗三个方面对两种牵引供电系统进行对比，凸显了新型牵引供电系统的技术优势和经济效益，为新型牵引供电系统的设计与工程应用提供了参考。

关键词：牵引供电系统;潮流计算;仿真系统

中图分类号：U224.8 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）32-0119-03

Power Flow Calculation and Analysis of New Traction Power Supply System

ZHOU Zhilu

（Electrification Department， China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.，Xian Shaanxi 710043）

Abstract： This paper presented a power flow calculation method suitable for a new traction power supply system and matched with the locomotive power characteristics. Using the continuous linear power flow method， the vehicle-network interactive joint simulation was carried out on the MATLAB software platform to simulate the power flow distribution in the new power supply system and the existing power supply system， and the voltage loss， the traction substation capacity and the system power loss. The comparison of the two traction power supply systems was made in three aspects： voltage loss， traction substation capacity and system power loss. The technical advantages and economic benefits of the new traction power supply system were highlighted. It provided a reference for the design and engineering application of the new traction power supply system.

Keywords： traction power supply system;power flow calculation;simulation system

中國电气化牵引供电系统采用单相工频交流电。因牵引负荷有其特殊性，因此，电力系统三相负载不对称，在电网中产生大量的谐波、负序和无功，进而对电力系统造成了严重影响[1]。同时，牵引网的电分相使机车牵引力短时内消失，列车速度降低，也加重了司机的操作强度，机车的正常运行进而受到随之产生的过电压的严重影响，这些成为制约铁路发展的瓶颈[2]。

本文基于实际线路的设计参数，通过构建贯通供电系统的数学模型，结合电力机车（含动车组）牵引计算结果，开展功率潮流仿真计算，计算牵引变电所容量、牵引网导线组合电流分配关系与载流能力，分析包括牵引网压损失和能量损耗在内的牵引供电能力，为新型牵引供电系统的设计和工程应用提供必要的参考。

1 新型牵引供电系统等效系统模型

新型牵引供电系统等效系统模型如图1所示。本文用电流型牵引负荷模型替代机车功率的模型，该模型中所有等效电流源均以SS进行代替[3-5]。

对于牵引变电所节点，其等效电流源输出电流表达式为：

[Ikj=UkjZmj]                               （1）

式中，k为迭代次数;[Uj]为牵引变电所电压（V）;[Zmj]为牵引变电所等效阻抗（Ω）。

机车节点电流计算方法为：

[Iki=SiUki*]                             （2）

式中，k为迭代次数;[Ui]为牵引变电所电压（V）;[Si]为机车复功率（kVA）。

对于牵引供电系统节点的导纳矩阵，本文会将图1中电源两侧等效导纳相加得到总导纳，故可得：

[YN=YmN+YN-12+YN2]                        （3）

其中，[YmN=Zm-1N]，[ZmN]为牵引变电所等效阻抗值。

列车负载点的总等效导纳表达式为：

[YN=YN-12+YN2]                                 （4）

化简系统等效模型，化简后的贯通同相牵引供电系统等效模型如图2所示。

2 实例仿真与分析

2.1 基础参数

以某铁路客为例，对新型牵引供电系统进行潮流计算与分析。线路位置图如图3所示。其中，TSS表示牵引变电所，AT表示AT所，SP表示分区所。线路选型参数见表1。

2.2 变电所输出功率分配特性

變电所功率百分比与位置关系图见图4。

从图4可知，在新型供电方式下，所有变电所可以比较均匀地承担牵引负荷，最大承载仅为75.082%。而在既有牵引供电系统中，本所一般单独承载其供电范围内的牵引负荷，负荷承载率为100%。因此，在容量投入方面，新型牵引供电方式较既有供电模式降低接近25%，大量节省了生产成本。

2.3 新型牵引供电系统与既有牵引供电系统对比

在同样的牵引网等效模型及供电长度下，选取同样系统模型、机车、线路参数时，对新型牵引供电系统和既有牵引供电系统分别进行潮流计算。既有牵引供电系统与新型牵引供电系统的区别是每个变电所间的潮流几乎互不影响。

2.3.1 电压对比。表2为新型供电方式与既有供电方式下的变电所电压对比情况。由此可知，既有牵引供电方式下，无论是变电所最小电压、最大电压还是平均电压值，均较既有供电方式有明显提高。以牵引变电所1为例，既有供电方式下最低电压为24.07kV，平均电压25.67kV;而新型牵引供电系统中的最低电压为25.78kV，平均电压26.25kV，因此，最低电压较前者提高了7.13%，平均电压提高了2.26%。变电所网压水平的提高有力保障了列车的安全稳定运行。既有供电和新型供电方式下TSS1母线电压波形对比见图5和图6。

2.3.2 牵引所容量对比。表3为新型供电与既有供电方式下牵引变电所负荷功率的对比情况。由此可知，相较于既有供电方式，新型供电方式下的变电所负荷功率有明显下降，三个变电所的下降比例分别为9.97%、5.81%及8.67%。

2.3.3 系统功率损耗对比。表4为两种不同牵引供电方式下的功率损耗比较。由表4数据可知，既有供电方式下的系统总损耗为4 456.90kW·h，而新型牵引供电方式下系统的系统总损耗为2675.53kW·h，较前者降低了39.97%。

通过对两个系统在电压、牵引所容量及功率损耗方面进行对比可知：新型牵引供电系统较既有牵引供电系统具有网压水平高、变电所容量低及系统总损耗小的优点，能更好地满足高速列车安全稳定运行对电压的要求，此外还可以节省运营成本。

3 结语

本文首先建立了新型牵引供电系统的等效模型，然后利用连续线性潮流迭代法进行潮流计算仿真，通过与既有供电方式的潮流计算结果对比，验证了在相同机车及线路参数的情况下，新型牵引供电系统较既有供电系统具有网压水平高、系统总损耗小以及变电所投入容量低的优点，为新型牵引供电系统的设计与工程应用提供了参考。

参考文献：

[1]李群湛，贺建闽.牵引供电系统分析[M].成都：西南交通大学出版社，2012.

[2]Uzuka T，Ikedo S，Ueda K. A static voltage fluctuation compensator for AC electric railway[C]// IEEE Power Electronics Specialists Conference. IEEE，2004.

[3]李群湛，张进思，贺威俊.适于重载电力牵引的新型供电系统的研究[J].铁道学报，1988（4）：25-33.

[4]李群湛.我国高速铁路牵引供电发展的若干关键技术问题[J].铁道学报，2010（4）：119-124.

[5]李群湛.论新一代牵引供电系统及其关键技术[J].西南交通大学学报，2014（4）：559-568.