“復(fù)興號(hào)”CR400AF和CR400BF動(dòng)車組重聯(lián)運(yùn)行電氣負(fù)荷特性分析

袁博

【摘要】? ? 截止到2018年8月，在京津城際，“復(fù)興號(hào)”CR400AF、CR400BF動(dòng)車組已完全取代“和諧號(hào)”CRH系列動(dòng)車組。在復(fù)興號(hào)初步投運(yùn)之際，對其兩種車型進(jìn)行測試，掌握其電氣負(fù)荷特性及其對牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響是非常有必要的。本文先簡述京津城際牽引供電系統(tǒng)和動(dòng)車組交直交型牽引傳動(dòng)系統(tǒng)，然后分析京津城際重聯(lián)運(yùn)行的CR400AF、CR400BF動(dòng)車組和地面變電所的各電氣量同步監(jiān)測數(shù)據(jù)，給出了電壓和電流有效值、總諧波畸變率。本文基于實(shí)測數(shù)據(jù)評估了兩種型號(hào)的“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車組在實(shí)際線路上重聯(lián)運(yùn)行的性能，為今后相應(yīng)車型在高速鐵路全面投入使用時(shí)的牽引供電專業(yè)設(shè)計(jì)和運(yùn)維人員提供了實(shí)用參考。

【關(guān)鍵詞】? ? 負(fù)荷特性? ? 電能質(zhì)量? ? CR400AF? ? CR400BF? ? 實(shí)測數(shù)據(jù)

引言

350km/h速度等級(jí)的“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車組有CR400AF、CR400BF兩個(gè)車型，與CRH380A（L）/B（L）等既有車型，在電氣負(fù)荷特性上，例如負(fù)荷大小、諧波頻譜方面存在一定的差異。當(dāng)新型的動(dòng)車組重聯(lián)運(yùn)行時(shí)，其大容量、高速度等特點(diǎn)對所在線路牽引供電系統(tǒng)供電能力、車網(wǎng)匹配特性提出了新的要求。

因此，對實(shí)際線路運(yùn)行的新車型開展車網(wǎng)同步測試，再基于實(shí)測數(shù)據(jù)評估其運(yùn)行性能很有必要，這也將為今后牽引供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)維人員提供實(shí)用的參考。

對于電力機(jī)車（包括動(dòng)車組）電氣負(fù)荷特性的研究，不論是交直型還是交直交型，國內(nèi)外都有不少研究成果，為本文對新車型的研究提供了方法參考。文獻(xiàn)[1]建立了一種交直型電力機(jī)車在牽引工況下的數(shù)學(xué)模型，利用牛頓一拉夫遜法進(jìn)行迭代求解，得出電力機(jī)車的諧波電流。文獻(xiàn)[2]根據(jù)機(jī)車不同的運(yùn)行方式建立機(jī)車模型，提出利用Laguerre多項(xiàng)式的逼近函數(shù)進(jìn)行電力機(jī)車諧波電流估計(jì)。文獻(xiàn)[3]對高速機(jī)車以額定功率運(yùn)行時(shí)諧波的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了計(jì)算和分析，采用雙傅立葉級(jí)數(shù)和Bessel函數(shù)推導(dǎo)出PWM整流器諧波電壓的計(jì)算式。

文獻(xiàn)[4]在建立交直交型動(dòng)車組Simulink仿真模型的基礎(chǔ)上，研究了動(dòng)車組在再生制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的諧波規(guī)律。文獻(xiàn)[5]以MATLAB/SimulinkK軟件為平臺(tái)，對CRH2型動(dòng)車組在不同牽引工況和不同網(wǎng)壓下整流器網(wǎng)側(cè)電流的變化規(guī)律進(jìn)行了分析與總結(jié)。文獻(xiàn)[6]利用Matlab/Simulink建立通用的高速動(dòng)車組與牽引網(wǎng)的聯(lián)和仿真模型，對高速動(dòng)車組的不同工況和不同出力下的諧波特性進(jìn)行了仿真分析。

以上研究均是采用數(shù)學(xué)解析法與計(jì)算機(jī)仿真，其中數(shù)學(xué)解析法的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程較為復(fù)雜，數(shù)學(xué)公式難以表述列車在不同工況下的諧波的變化情況，其結(jié)果可能與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)存在較大的誤差;計(jì)算機(jī)仿真方法則沒有數(shù)學(xué)解析法的復(fù)雜推導(dǎo)過程，但由于實(shí)際列車參數(shù)等細(xì)節(jié)，特別是控制參數(shù)很難精確掌握，導(dǎo)致其結(jié)果與實(shí)際結(jié)果仍存在一定的差距;而通過實(shí)測法，可以直觀準(zhǔn)確的得到列車運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過對實(shí)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，尋找各電氣量的變化規(guī)律是一種可行的分析途徑。

本文借鑒實(shí)測法的方式，即通過對京津城際CR400AF與CR400BF動(dòng)車組展開的實(shí)地測試，給出兩種型號(hào)動(dòng)車組分別重聯(lián)運(yùn)行時(shí)不同工況不同速度等級(jí)下的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并對其電氣負(fù)荷特性作出分析評估。

一、系統(tǒng)簡介

1.1京津城際牽引供電系統(tǒng)

京津城際鐵路全長約117km，起始于北京南站，終止于天津站。全線設(shè)武清和亦莊兩座變電所，AT分區(qū)所和變電所之間設(shè)AT所，設(shè)計(jì)最高行車速度為350km/h。

京津城際鐵路除北京南站與動(dòng)車組走行線外，正線全部采用單相50Hz、交流2*25kV全并聯(lián)AT供電方式，圖1給出了全并聯(lián)AT供電方式結(jié)構(gòu)圖，全線牽引變電所、AT分區(qū)所、AT所按無人值班設(shè)計(jì)。

全并聯(lián)AT供電方式[7]是在變電所出口處和每個(gè)自耦變壓器處將上下行牽引網(wǎng)的接觸線（T）、鋼軌（R）和負(fù)饋線（F）通過橫連線進(jìn)行了連接，全并聯(lián)AT供電方式與不并聯(lián)的AT供電方式相比，減小了牽引網(wǎng)的阻抗、減小了電壓損失、降低了鋼軌電位、降低了對通信線路的干擾。

牽引變壓器是牽引變電所的核心設(shè)備，京津城際鐵路沿線的亦莊和武清牽引變電所各有4臺(tái)220kV/2*27.5kV牽引變壓器，其接線形式為VX接線，如圖2所示。

VX接線形式的牽引變壓器的原邊電流IA，IB，IC，與副邊電流IT1，IF1，IT2，IF2的關(guān)系為：

VX接線形式的牽引變壓器主要應(yīng)用于AT供電方式下，變壓器二次側(cè)分為接觸線T和正饋線F兩個(gè)繞組，繞組中間接地。

1.2動(dòng)車組電氣原理

1.2.1動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)簡介

“復(fù)興號(hào)”CR400AF和CR400BF動(dòng)車組均為4動(dòng)4拖設(shè)計(jì)，分為2個(gè)動(dòng)力單元，每2節(jié)動(dòng)車為1個(gè)動(dòng)力單元，共用一臺(tái)牽引變壓器。整列車配置兩臺(tái)受電弓分別位于3車與6車。

牽引供電系統(tǒng)為單相工頻25kV交流電，車頂?shù)氖茈姽瓕㈦娔芙?jīng)牽引變壓器供給四象限整流器，四象限整流器將單相交流電整流成直流電，再由逆變器輸出三相交流電，供給牽引電機(jī)為機(jī)車輸出動(dòng)力。

圖3為“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車組單個(gè)動(dòng)力單元牽引傳動(dòng)系統(tǒng)簡化示意圖，其采用交直交型主電路結(jié)構(gòu)，牽引傳動(dòng)系統(tǒng)主要由受電弓、主斷路器、牽引變壓器、整流器、中間直流環(huán)節(jié)、牽引逆變器、三相異步交流電機(jī)等組成，四象限整流器的性能表現(xiàn)決定了整個(gè)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的電氣特性。

1.2.2四象限整流器簡介

參照PWM調(diào)制[9]的原理，進(jìn)行PWM調(diào)制，就可以在四象限整流器橋臂的交流側(cè)產(chǎn)生正弦調(diào)制的電壓波形，波形中含有與三角載波有關(guān)頻率的高次諧波，但這些高次諧波只會(huì)使交流電流產(chǎn)生很小的脈動(dòng)。如果忽略這種脈動(dòng)，當(dāng)正弦信號(hào)的頻率和電源頻率相同時(shí)，交流電流為頻率與電網(wǎng)頻率相同的正弦波。

忽略PWM諧波成分，四象限整流器網(wǎng)側(cè)等效電路如圖4所示。

整流器交流側(cè)回路KVL方程：。方程式中為電網(wǎng)電動(dòng)勢，為電網(wǎng)電流，為調(diào)制電壓，LN為牽引變壓器二次側(cè)漏感，RN二次側(cè)漏阻，由此可知，當(dāng)以電網(wǎng)電動(dòng)勢為參考時(shí)，通過控制交流電壓，即可實(shí)現(xiàn)PWM整流器的四象限運(yùn)行。

二、動(dòng)車組電氣負(fù)荷特性分析

2.1試驗(yàn)安排

為滿足實(shí)際運(yùn)營線路的大運(yùn)量，高速度要求，要求試驗(yàn)中CR400AF與CR400BF動(dòng)車組運(yùn)行方式均為兩列8編組列車重聯(lián)運(yùn)行，在京津城際分別進(jìn)行不同速度等級(jí)下的往返試驗(yàn)（北京南站-天津站），線路上沒有其他車型運(yùn)行，并在受電弓相應(yīng)的車廂監(jiān)測列車的網(wǎng)壓和網(wǎng)流;同時(shí)在鐵路沿線的牽引變電所監(jiān)測北京方向的母線電壓和各饋線電流。

2.2電壓，電流有效值及電壓THD

下面給出不同速度等級(jí)下，CR400AF和CR400BF動(dòng)車組重聯(lián)運(yùn)行時(shí)車上網(wǎng)壓，網(wǎng)流有效值及網(wǎng)壓THD曲線和地面變電所所監(jiān)測的母線電壓，饋線電流以及T線電壓THD曲線，如圖5-6。

根據(jù)圖5-6給出的行車過程中動(dòng)車組及地面變電所實(shí)測數(shù)據(jù)，可知：

1.CR400AF和CR400BF重聯(lián)動(dòng)車組在不同等級(jí)下，車頂網(wǎng)壓波動(dòng)均較小，在26.0-27.5kV范圍，CR400AF重聯(lián)動(dòng)車組其中一列的最大取流在450A水平，CR400BF重聯(lián)動(dòng)車組其中一列的最大取流在418A水平;

2.兩種車型車頂網(wǎng)壓畸變程度較小，網(wǎng)壓THD大部分時(shí)間處在1%-4%范圍，CR400AF?？空緯r(shí)可達(dá)到40%，CR400BF?？刻旖蛘緯r(shí)可達(dá)到5%，少數(shù)THD突出的散點(diǎn)為過分相數(shù)據(jù);

3.兩種車型在行車試驗(yàn)階段地面變電所母線電壓波動(dòng)較小，在25.7-27.5kV范圍，未出現(xiàn)因車網(wǎng)高次諧波諧振引起的網(wǎng)壓大幅上升的情況，在行車至相應(yīng)供電臂時(shí)，T線電壓總諧波畸變率集中在1.5%-5.5%之內(nèi)，并且比較集中，并未出現(xiàn)高次諧波引起的諧振過電壓現(xiàn)象。

三、結(jié)論

本文介紹了京津城際的牽引供電系統(tǒng)的構(gòu)成以及交直交型動(dòng)車組的牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的工作原理，根據(jù)測試獲得的車網(wǎng)同步監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，給出了列車和地面變電所的電壓電流有效值，總諧波畸變率，對CR400AF與CR400BF動(dòng)車組重聯(lián)運(yùn)行的電氣負(fù)荷特性作出了評估，得出CR400AF與CR400BF動(dòng)車組分別重聯(lián)運(yùn)行時(shí)，牽引網(wǎng)電能質(zhì)量良好。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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