1、文章编号：1673-0291（2023）01-0134-08DOI：10.11860/j.issn.1673-0291.20220074第 47 卷 第 1 期2023 年 2 月Vol.47 No.1Feb.2023北京交通大学学报JOURNAL OF BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY基于 SMES装置的车网系统低频振荡抑制策略高锋阳，宋志翔，高建宁，高翾宇，杨凯文（兰州交通大学 自动化与电气工程学院，兰州 730070）摘要：近年来，我国电气化铁路发生多起因牵引网网压低频振荡导致的机车保护装置误动作事故，对铁路安全运行造成严重的威胁.现有抑制策略多从机车侧开展，通过对
2、机车控制器参数的修订实现抑制效果，但对于铁路行业的长远发展缺乏灵活性.针对车网系统低频振荡问题，提出从牵引网侧外接超导磁储能（Superconducting Magnetic Energy Storage，SMES）的动态抑制方案.首先，分析 SMES 抑制车网系统低频振荡的原理，根据车网系统低频振荡的走势对其进行分类，并依据振荡类型设定 SMES接入准则；其次，建立车网系统等效阻抗模型，结合阻抗比判据和伯德图分析车网系统稳定性，对 SMES接入车网系统前后系统稳定性对比分析，验证所提方案的有效性，并与传统抑制方法进行对比，验证所提方案的灵活性；最后，对单车及多车升弓并网情况下的车网系统进行仿
3、真分析.结果表明：SMES装置接入车网系统后可快速有效地抑制车网系统低频振荡.关键词：电力系统及其自动化；车网系统；低频振荡；阻抗模型；超导磁储能中图分类号：U223.8 文献标志码：ALow-frequency oscillation suppression strategy for train-grid system based on SMES deviceGAO Fengyang,SONG Zhixiang,GAO Jianning,GAO Xuanyu,YANG Kaiwen（School of Automation and Electrical Engineering,Lanzhou
4、 Jiaotong University,Lanzhou 730070,China）Abstract:In recent years,several locomotive protection device malfunction accidents caused by low-frequency oscillation of traction grid voltage have happened in Chinas electrified railway,posing a serious threat to safe railroad operation.The existing suppr
5、ession strategies are mostly carried out from the locomotive side,and the suppression effect is achieved by revising the locomotive controller parameters,but they lack flexibility for the long-term development of the railway industry.To address the low-frequency oscillation problem of the grid syste
6、m,a dynamic suppression scheme of Superconducting Magnetic Energy Storage(SMES)connected externally is proposed from the traction grid side.First,the working principle of SMES suppressing low-frequency oscillation of the train-grid system is analyzed,and the low-frequency oscillation trend of train-
7、grid system is classified,and the SMES access criterion is set according to the oscillation types.Second,the equivalent impedance model of the train-grid system is established,and the impedance ratio criterion and Bode diagram are utilized for analyzing the stability of the train-grid system.The sys
8、tem stability before and after the SMES is con收稿日期：2022-06-16；修回日期：2022-08-27基金项目：甘肃省科技厅重点研发项目（18YF1FA058）Foundation item:Key R&D Project of Gansu Provincial Department of Science and Technology（18YF1FA058）第一作者：高锋阳（1970），男，甘肃白银人，教授，硕士.研究方向为牵引供电系统.email：.引用格式：高锋阳，宋志翔，高建宁，等.基于 SMES装置的车网系统低频振荡抑制策略 J.北京
9、交通大学学报，2023，47（1）：134-141.GAO Fengyang，SONG Zhixiang，GAO Jianning，et al.Low-frequency oscillation suppression strategy for train-grid system based on SMES device J.Journal of Beijing Jiaotong University，2023，47（1）：134-141.（in Chinese）高锋阳等：基于 SMES装置的车网系统低频振荡抑制策略第 1 期nected to the train-grid system is
10、 compared and analyzed to determine the effectiveness of the proposed scheme.And the flexibility of the proposed scheme is verified by comparing with the traditional suppression methods.Finally,the simulation analysis of the train-grid system in the case of single-train and multi-train up-bow parall
11、el network is carried out.The results show that the SMES device can quickly and effectively suppress the low-frequency oscillations of the train-grid system after being connected to the train-grid system.Keywords:power system and automation；train-grid system；low-frequency oscillation；impedance model
12、；SMES随着我国加快电气化铁路的建设以及既有铁路电气化的改造，电力机车在投入运行中会出现因牵引网网压波动而引起的事故1-2.例如：HXD1B型电力机车、CRH1 型动车组、CRH5 型动车组、HXD3B型电力机车都曾因升弓取流引起牵引网网压波动进而导致机车牵引闭锁3-4.从事故报告看，这些网压波动振幅大，频率低且随着并网电力机车数量的增加，波动也随之越加严重，这类现象被称为车网系统低频振荡现象5.当前国内外研究多认为车网系统低频振荡现象是由于牵引网和电力机车间的电气量参数不匹配造成的6.文献 7 基于阻抗分析法对车网系统间动态交互现象进行研究，并在不同系统阻抗下分析车网系统的稳定性.文献 8
13、 基于改进 sum-范数对不同系统阻抗下车网系统稳定性加以分析，并给出相应抑制措施.文献 9 给出影响车网系统低频振荡的参数因子，并提出优化车载变流器控制参数的抑制措施.文献 10 提出一种结合自抗扰技术的控制策略抑制低频振荡，具有良好的动、静态性能.文献 11 将静止同步补偿器直接与牵引网相连对车网系统的无功功率进行动态补偿抑制振荡.文献12 提出将单相级联 H 桥多级有源电力滤波器接入牵引网抑制车网系统低频振荡.超导磁储能（Superconducting Magnetic Energy Storage，SMES）作为一种新型储能装置，其反应速度快，能量效率高，运行消耗低13.日本已进行超导
14、储能的并网稳定性实验14，美国 IGC 和 AMSC 公司已将微型超导储能装置商品化15，我国已示范运行世界首座超导变电站16.在理论研究方面，文献17 提出基于自适应功率振荡阻尼控制策略的超导磁储能系统，以抑制互联电力系统间的区域功率振荡.文献 18 提出基于超导磁储能的电力调节系统，减轻因补偿脉动负荷所带来的不良影响.文献19 提出利用 SMES 稳定微电网频率波动，以提高微电网运行的稳定性.文献 20 设计一种超导磁储能蓄电池混合储能系统来抑制风电厂的功率波动，实现风能发电的可靠并网.基于上述分析，本文在牵引网侧外接 SMES 装置抑制车网系统低频振荡.首先，分析 SMES 抑制车网系统
15、低频振荡的工作原理；其次，将车网系统等效为阻抗模型，利用伯德图分析 SMES 接入车网系统前后系统稳定性，并与传统抑制方法进行对比分析；最后，通过 Matlab仿真验证所提方案的有效性.1 SMES抑制车网系统低频振荡原理牵引供电系统示意图如图 1 所示.电能经配电网、牵引变电所、牵引网传至电力机车再由钢轨和接地回流系统回馈至牵引网，构成一条回路21-22.车网系统低频振荡易发生于多辆机车同时升弓并网之际，即车网系统低频振荡是由于机车从牵引网取流而被诱发的.车网系统低频振荡存在 3 种振荡走势.型低频振荡发生后，振荡的幅值逐渐变小最后回归至稳定状态；型低频振荡发生后，振荡的幅值保持不变且持续振
16、荡.型低频振荡发生后，振荡的幅值逐渐增加直到机车牵引闭锁.车网系统处于稳态时，牵引网侧电压、电流正常运行，电压波动处在准许范围内，SMES 待机.车网系统发生低频振荡后，牵引网侧电压、电流发生周期图 1牵引供电系统示意图Fig.1Schematic diagram of traction power supply system135北京交通大学学报第 47 卷性波动，网侧电压较准许波动电压产生电压差U.系统电压差U为U=Us-Ue（1）式中：Us和 Ue分别为系统实时电压和额定电压.U 5%Ue时，SMES 储能削弱波动峰值；U-5%Ue时，SMES放能填补波动谷值.当车网系统发生型低频振荡时，无需外部干预系统能实现自我恢复；系统发生、型低频振荡时，SMES 投入运行，使系统、型振荡转为型振荡，然后在系统自身及其 SMES 的双重作用下使得车网系统恢复正常.单相电压源型 SMES 电路拓扑图如图 2 所示，L、R 和 C 分别代表滤波电感、电阻和电容；SC 为超导磁体；G1、G2和 D1、D2分别为三极管和二极管；us和 i为外部系统流入变流器侧的等效电压和电流，isc为流经超导磁体的