雙邊供電模式下高速鐵路AT供電系統(tǒng)供電能力計算與分析

智慧，袁勇，李劍，楊雪淞

（中國中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031）

雙邊供電模式下高速鐵路AT供電系統(tǒng)供電能力計算與分析

智慧，袁勇，李劍，楊雪淞

（中國中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031）

俄羅斯高鐵項目是“一帶一路”倡議的重要組成部分，與我國單邊供電模式不同，其牽引供電系統(tǒng)采用雙邊供電的AT供電方式。雙邊供電模式將直接影響牽引供電系統(tǒng)內(nèi)部的功率潮流分布和主要供電設(shè)備容量的選取。在構(gòu)建高速鐵路AT供電系統(tǒng)雙邊供電模式下牽引供電仿真模型的基礎(chǔ)上，研究功率潮流分布特性，給出牽引變壓器容量分配、牽引網(wǎng)電壓損失、牽引網(wǎng)各導(dǎo)線電流分布和電能損失的計算結(jié)果并分析主要影響因素，為雙邊供電模式下的牽引供電方案設(shè)計提供重要基礎(chǔ)。

俄羅斯高速鐵路；AT供電；雙邊供電；建模；仿真

0 引言

作為“一帶一路”倡議的重要組成部分，俄羅斯高鐵項目采用400 km時速等級，是我國鐵路“走出去”項目中速度最高的鐵路，代表了我國在高速鐵路設(shè)計方面的國際領(lǐng)先水平。與我國普遍采用的單邊供電不同，俄羅斯高鐵牽引供電系統(tǒng)采用雙邊供電的AT供電方式。由于雙邊供電模式下牽引供電系統(tǒng)內(nèi)部的功率潮流分布與單邊供電模式下差異顯著，直接影響主要供電設(shè)備容量和導(dǎo)線載流能力的選取[1-2]。

我國電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)一直采用單邊供電方式，主要是由我國電力系統(tǒng)管理模式?jīng)Q定的。我國電力系統(tǒng)要求高壓環(huán)網(wǎng)、低壓解網(wǎng)、呈樹狀供電。隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，我國已形成以500 kV線路為骨架、省間220 kV線路為主干通道的輸變電網(wǎng)絡(luò)。隨著高速鐵路發(fā)展的需求及技術(shù)不斷進步，電力系統(tǒng)管理模式也是可以打破的，為實行雙邊供電提供了條件[3]。

因此，構(gòu)建雙邊供電模式下高速鐵路牽引供電系統(tǒng)仿真模型，開展牽引供電能力計算與分析，為供電方案優(yōu)化設(shè)計提供重要依據(jù)。

1 雙邊供電模式AT供電系統(tǒng)建模

目前包括俄羅斯在內(nèi)的前蘇聯(lián)國家電氣化鐵路主要采用雙邊供電模式，在外部電源供電條件允許的情況下，可有效提升牽引供電能力。典型的交流雙邊供電模式下的AT供電方式示意見圖1。

圖1 AT全并聯(lián)雙邊供電示意圖

作為牽引供電設(shè)計的基礎(chǔ)，基于“車-網(wǎng)”耦合交互仿真原理，采用OPEN TRACK和OPEN POWERNET軟件平臺，構(gòu)建牽引供電系統(tǒng)仿真模型。該軟件可以完成列車牽引仿真計算和牽引供電系統(tǒng)電力負荷計算功能，以牽引網(wǎng)絡(luò)阻抗計算為基礎(chǔ)，形成多節(jié)點等效網(wǎng)絡(luò)模型，結(jié)合時域潮流迭代計算方法，定量分析牽引供電網(wǎng)絡(luò)的功率潮流分布。OPEN軟件牽引供電系統(tǒng)仿真模型的輸入和輸出界面分別見圖2、圖3。

圖2 OPEN軟件牽引供電系統(tǒng)仿真模型輸入界面

圖3 OPEN軟件牽引供電系統(tǒng)仿真模型輸出界面

2 牽引供電系統(tǒng)能力計算與仿真

2.1 基礎(chǔ)參數(shù)

牽引供電系統(tǒng)采用2×25 kV工頻交流制的AT全并聯(lián)雙邊供電方式，假設(shè)2個牽引變電所間供電區(qū)間全長約80 km，區(qū)間內(nèi)設(shè)5處AT所，且等間隔分布，牽引變電所采用220 kV進線電源，系統(tǒng)短路容量為1 500 MVA；動車組額定牽引功率25 MW，功率因數(shù)0.95（滯后），按照5 min追蹤間隔連續(xù)運行。

2.2 動車組牽引計算結(jié)果

動車組單列車運行時上、下行的功率分布、電流曲線等相關(guān)牽引計算參數(shù)是牽引供電系統(tǒng)計算的基礎(chǔ)，其計算結(jié)果見圖4—圖7及表1。

圖4 上行列車功率分布

圖5 下行列車功率分布

圖6 上行列車電流曲線

圖7 下行列車電流曲線

表1 全線牽引計算結(jié)果統(tǒng)計表

2.3 牽引供電系統(tǒng)仿真結(jié)果

根據(jù)上述設(shè)計輸入進行仿真計算，形成牽引網(wǎng)電氣網(wǎng)絡(luò)，通過潮流計算，以時間為單步進行仿真，網(wǎng)絡(luò)中的牽引計算是通過多次迭代運算的結(jié)果，以展現(xiàn)電流、電壓和功率的分布（見圖8—圖14）。

3 不同供電模式下牽引供電能力對比分析

為了與單邊供電模式對比分析，在雙邊供電模式牽引供電系統(tǒng)仿真模型的基礎(chǔ)上，同時建立單邊供電模式下的牽引供電系統(tǒng)仿真模型[4-6]，除線路中心的AT所換為分區(qū)所外，其他數(shù)據(jù)一致。

與單邊供電模式不同，雙邊供電模式下動車組可以從相鄰牽引變電所同時獲取能量，理論上對牽引網(wǎng)電壓改善作用和降低牽引網(wǎng)電能損失效果較為明顯。以典型不對稱負荷工況為例，分析不同供電模式對供電能力的影響。假設(shè)上行線路按照追蹤間隔運行3列車，下行線路運行1列車，上、下行負荷不對稱情況下功率的和電壓分布見表2及圖15、圖16。

可見，雙邊供電時供電區(qū)段內(nèi)接觸網(wǎng)最低電壓約為22.2 kV，滿足接觸網(wǎng)最低電壓的限值要求（≥20 kV）；而單邊供電時，供電區(qū)段內(nèi)接觸網(wǎng)最低電壓僅為19.0 kV。雙邊供電模式對改善接觸網(wǎng)電壓效果顯著，較單邊供電模式可適當延長供電臂長度，對減少牽引變電所的數(shù)量意義較大。

圖8 牽引變電所1供電臂牽引網(wǎng)各導(dǎo)線瞬時電流分布曲線

圖9 牽引變電所2供電臂牽引網(wǎng)各導(dǎo)線瞬時電流分布曲線

圖10 牽引變電所1供電臂牽引網(wǎng)各導(dǎo)線電流有效值分布曲線

圖11 牽引變電所2供電臂牽引網(wǎng)各導(dǎo)線電流有效值分布曲線

圖12 變電所間牽引網(wǎng)電壓水平分布曲線

圖13 牽引變電所1功率分布曲線

表2 不對稱負荷下的牽引變電所功率分布

由表2可知，雙邊供電模型中各變電所提供的容量相對均衡，而在單邊供電模型中由于線路中心有分區(qū)所作為電氣隔離，導(dǎo)致在不對稱排車情況下牽引變電所1過負荷，而牽引變電所2容量利用不足，并且由于雙邊供電可以均衡牽引網(wǎng)各導(dǎo)線電流分布，故牽引網(wǎng)電能損失相對于單邊供電可降低約18%。

綜上所述，雙邊供電方案在任意時刻都可從兩側(cè)變壓器取流，可有效改善牽引網(wǎng)電流分布、提高牽引網(wǎng)電壓水平、降低牽引網(wǎng)電能損失、提高牽引網(wǎng)供電能力、延長供電距離、減少牽引變電所設(shè)置數(shù)量，進而減少50%接觸網(wǎng)電分相的設(shè)置數(shù)量，減小列車速度損失，增強系統(tǒng)可靠性和安全性。

4 結(jié)論

（1）在OPEN TRACK和OPEN POWERNET仿真平臺的基礎(chǔ)上建立AT供電方式雙邊供電的仿真模型，通過仿真分析，得到雙邊供電下的電流、電壓、功率曲線。

圖14 牽引變電所2功率分布曲線

圖16 單邊供電時不對稱負荷下的接觸網(wǎng)電壓分布

（2）高速鐵路采用AT供電方式時，在外部電源環(huán)流可包容的情況下，采用雙邊供電模式可進一步提高供電能力，特別是對牽引網(wǎng)電壓有很好的改善作用，且牽引網(wǎng)電能損失也會減小，其主要原因是雙邊供電在任意時刻都可以從兩側(cè)變壓器取流，從而改變了牽引網(wǎng)中的電流分配。因此，基于“車-網(wǎng)”耦合的雙邊供電潮流分布計算與分析，將為我國高鐵“走出去”提供技術(shù)支持。

[1]李群湛，連級三，高仕斌. 高速鐵 路電氣化工程[M]. 成都：西南交通 大學(xué)出版社，2006.

[2]辛成山，張美娟．交流電氣化鐵 道雙邊供電研究[J]. 電氣化鐵道， 1998(3)：6-11．

[3]戚廣楓. 高速鐵路牽引供電安 全技術(shù)發(fā)展及展望[J]. 中國鐵路， 2012(11)：18-21．

[4]楚振宇. 高速列車負荷分析和供電 系統(tǒng)的算法研究[C]//中國鐵道學(xué) 會電氣化委員會會議論文集. 西 安，2006.

[5]西南交通大學(xué). 高速鐵路牽引供 電系統(tǒng)測試報告[R]. 成都，2010.

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Calculation and Analysis of the Power Supply Capacity of the AT Power Supply System for High-Speed Railway under the Two-way Feeding Model

ZHI Hui，YUAN Yong，LI Jian，YANG Xuesong
（China Railway Eryuan Engineering Group Co Ltd，Chengdu Sichuan 610031，China）

The high-speed railway project in Russia is one of the most important projects for the Belt and Road initiative. Its power supply system is the two-way feeding AT system, which is different from that in China.The two-way feeding power supply system will decide the internal power fl ow distribution and the selection of the major devices. By building a model of the two-way feeding AT system, this paper studies its power fl ow distribution characteristics, calculates traction transformer capacity distribution, traction grid power loss, traction grid current distribution of each wire and energy loss, and analyzes the major in fl uencing factors. This research laid the foundation for the traction power supply system design under the two-way feeding model.

high-speed railway project in Russia；AT power supply；two-way feeding；model building；simulation

U223

A

1001-683X（2017）12-0066-06

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.12.066

智慧（1981—），女，高級工程師，碩士。 E-mail：38492233@qq.com

楊雪淞（1990—），男，助理工程師，碩士。 E-mail：972268017@qq.com

責任編輯 盧敏

2017-05-23

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