交流牽引變電所間再生制動能量利用系統(tǒng)及工程運行分析

呂順凱

0 引言

國家“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標綱要提出“深入推進工業(yè)、建筑、交通等領(lǐng)域低碳轉(zhuǎn)型”，“制定2030年前碳排放達峰行動方案”，“錨定努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和，采取更加有力的政策和措施”。加強再生制動能量利用技術(shù)研究與應(yīng)用，是實現(xiàn)鐵路節(jié)能增效、綠色低碳發(fā)展的重要舉措。目前，應(yīng)用于直流牽引供電系統(tǒng)的再生制動能量利用技術(shù)已趨于成熟[1]，但交流牽引供電系統(tǒng)在電壓等級、拓撲結(jié)構(gòu)和負荷特性等方面均與直流牽引供電系統(tǒng)存在較大差異，其相關(guān)技術(shù)與方案并不適用[2]。

針對交流牽引供電系統(tǒng)再生制動能量利用問題，已有文獻提出行車組織優(yōu)化、加裝能量回饋裝置、增設(shè)儲能裝置或變電所間轉(zhuǎn)移利用裝置等方案。行車組織優(yōu)化需綜合考慮運輸組織、線路條件、牽引與再生功率匹配等復(fù)雜條件約束，難以達到最佳利用效果[3]。通過加裝能量回饋裝置，可將再生制動能量回饋至10 kV貫通線或380 V低壓配電網(wǎng)，但存在能量潮流控制復(fù)雜和受端消納能力有限等問題，應(yīng)用于電力負荷需求較高且穩(wěn)定的樞紐型牽引變電所，才能取得較好的利用效果，適用范圍有限[4，5]。交流牽引供電系統(tǒng)的再生制動功率峰值高、波動性強，增設(shè)的儲能裝置需同時滿足高功率和高能量的復(fù)合需求，導(dǎo)致系統(tǒng)構(gòu)成較為復(fù)雜，成本較高，回收期較長[6，7]。在牽引變電所間增設(shè)能量轉(zhuǎn)移利用裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)再生制動能量在牽引供電系統(tǒng)內(nèi)部直接且高效利用，同時可減少向電網(wǎng)反送的功率，增強電網(wǎng)潮流的穩(wěn)定性，效果較好[8，9]。

受地理條件影響，我國交流電氣化鐵路存在眾多V型、反V型或L型等區(qū)段，再生制動能量可觀且非常適合采用所間轉(zhuǎn)移互用方案，但關(guān)于其關(guān)鍵技術(shù)研究與工程應(yīng)用情況，至今鮮見相關(guān)文獻報道。本文將對交流牽引變電所間再生制動能量利用系統(tǒng)設(shè)計及其控制策略進行深入研究，并通過示范工程應(yīng)用對其節(jié)能功能和運行效果進行全面分析與驗證。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

再生制動能量利用系統(tǒng)構(gòu)成示意如圖1所示，按功能劃分，主要包括采集單元、控制單元、變流單元和保護單元等設(shè)備，分布于 2個牽引變電所（以下簡稱變電所）和1個分區(qū)所，具體說明如下：

圖1 再生制動能量利用系統(tǒng)構(gòu)成

（1）在1#和2#變電所各設(shè)置1臺采集單元，接入牽引變壓器高壓側(cè)及低壓側(cè)的電壓互感器（PT1x代表PT11～PT13，PT2x代表PT21～PT23）和電流互感器的二次信號（CT1x代表CT11～CT13，CT2x代表CT21～CT23），計算并校驗各所的實時功率P1和P2，再通過4G/5G無線專網(wǎng)或鐵路光纖局域網(wǎng)等高速通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至控制單元。

（2）在1#和2#變電所之間的分區(qū)所安裝控制單元、變流單元和保護單元等主體設(shè)備?？刂茊卧凑疹A(yù)定策略，雙向調(diào)控變流單元的輸出功率；保護單元全面監(jiān)測控制單元和變流單元的運行狀態(tài)，實現(xiàn)故障導(dǎo)向安全；變流單元由隔離開關(guān)（QS1～QS2）、斷路器（QF1～QF2）、支路電壓互感器（PT1～PT2）、支路電流互感器（CT1～CT2）、變壓器（T1～T2）及變流器機組等構(gòu)成，并聯(lián)接入兩側(cè)變電所的27.5 kV饋線電源。

2 工作原理及控制策略

2.1 工作原理

將單個變電所的工況劃分為兩類，即從電網(wǎng)獲取能量的牽引工況和向電網(wǎng)反送能量的再生工況。與電網(wǎng)交互功率為零視為牽引和再生工況的特殊情形，則相鄰兩變電所的組合工況可簡化為4種。4種組合工況下，再生制動能量利用系統(tǒng)對應(yīng)的工作狀態(tài)如下：

（1）工況1。當1#和2#變電所均處于牽引工況時，再生制動能量利用系統(tǒng)不工作。

（2）工況2。當1#變電所處于牽引工況，而2#變電所處于再生工況時，再生制動能量利用系統(tǒng)工作。在不改變2個變電所既有工況的前提下，將再生功率由2#變電所實時轉(zhuǎn)移至1#變電所，從而同時減少1#變電所的牽引功率和2#變電所的再生功率。通過利用 2#變電所的再生制動能量，減少1#變電所的牽引電量。

（3）工況3。當1#變電所處于再生工況，而2#變電所處于牽引工況時，再生制動能量利用系統(tǒng)工作。在不改變2個變電所既有工況的前提下，將再生功率由1#變電所實時轉(zhuǎn)移至2#變電所，從而同時減少1#變電所的再生功率和2#變電所的牽引功率。通過利用 1#變電所的再生制動能量，減少2#變電所的牽引電量。

（4）工況4。當1#和2#變電所均處于再生工況時，再生制動能量利用系統(tǒng)不工作。

2.2 控制策略

變流器級控制策略研究與應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，本文對此不再贅述，重點分析系統(tǒng)級控制策略。規(guī)定1#和2#變電所從公共電網(wǎng)取能為功率正方向；設(shè)定再生制動能量利用系統(tǒng)左側(cè)輸出有功功率為P3，向 1#牽引變電所輸出功率為正方向；再生制動能量利用系統(tǒng)右側(cè)輸出有功功率為P4，向2#牽引變電所輸出功率為正方向；因系統(tǒng)工作效率接近于1，為簡化分析，暫不計及功率傳輸損耗，則P3= ?P4。再生制動能量利用系統(tǒng)投入前后，2個變電所的瞬時總有功功率等效轉(zhuǎn)換關(guān)系為

式中：P1＇和P2＇分別為再生制動能量利用系統(tǒng)投入之后1#和2#變電所的瞬時總有功功率。

設(shè)再生制動能量利用系統(tǒng)的額定功率為P5，轉(zhuǎn)移預(yù)留閾值功率為P6。P6通常設(shè)定為數(shù)kW，遠小于P5。將 4種組合工況下再生制動能量利用系統(tǒng)對應(yīng)的潮流控制策略及轉(zhuǎn)移前后各所功率對比進行整理，見表1。

表1 控制策略及轉(zhuǎn)移前后各所功率對比

由表1可知，當1#和2#變電所均處于牽引或再生工況時，再生制動能量利用系統(tǒng)不進行變電所間有功轉(zhuǎn)移，=且=；當1#和2#變電所分別處于牽引和再生工況時，再生制動能量利用系統(tǒng)進行變電所間有功功率轉(zhuǎn)移，且轉(zhuǎn)移之后，2個變電所與電網(wǎng)交互功率均減少，即＜且＜，實現(xiàn)再生制動能量在牽引供電系統(tǒng)內(nèi)部的有效利用。4種工況下再生制動能量利用系統(tǒng)功率潮流控制示意如圖2所示。

圖2 再生制動能量系統(tǒng)功率潮流控制示意

3 工程設(shè)計及應(yīng)用分析

基于現(xiàn)場調(diào)研、測試分析和仿真驗證等前期技術(shù)研究工作，選取國內(nèi)某線路的2個變電所及其之間的分區(qū)所進行工程化設(shè)計和典型示范應(yīng)用。該線路的負荷類型為常規(guī)電鐵負荷，客貨混跑。

3.1 工程設(shè)計方案

采集單元安裝于變電所的控制室內(nèi)，其他主體設(shè)備均安裝于分區(qū)所，控制單元和保護單元布置于控制室內(nèi)；變流單元采用全戶外安裝方式，一次電源通過架空導(dǎo)線并聯(lián)接入1#和2#變電所下行饋線。變流單元現(xiàn)場布置如圖3所示。

圖3 變流單元現(xiàn)場布置

變流單元額定容量為 2×9 MV·A，雙向有功轉(zhuǎn)移能力均為9 MW。變流單元工程設(shè)計如圖4所示，隔離開關(guān)、斷路器、電壓互感器和電流互感器等均為常規(guī)設(shè)備，變壓器和變流器機組采用特殊設(shè)計。變壓器采用低壓六分裂高阻抗變壓器，利用其等效漏抗代替交流側(cè)電感，降低系統(tǒng)占地面積和成本。變流器機組共由6重單相交直交變流器組成，采用標準化和模塊化設(shè)計理念，將6重變流器兩兩組合成柜（第1和第2重為1#變流柜，第3和第4重為2#變流柜，第5和第6重為3#變流柜）。各重變流器獨立接收控制單元的指令進行有功融通，不僅便于多重化擴展，同時也保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，當單重變流器故障時，系統(tǒng)不需全部退出，只需降額運行。

圖4 變流單元工程設(shè)計

3.2 工程應(yīng)用分析

3.2.1 控制策略驗證

為驗證控制策略的正確性和有效性，采用 A級功率分析儀，對系統(tǒng)試運行期間2個變電所的功率（與）和再生制動能量利用系統(tǒng)的輸出功率（P3與P4）進行了168 h同步測試，并按照式（1）和式（2）對系統(tǒng)未投運時2個變電所的功率P1和P2進行數(shù)據(jù)還原。通過對全部數(shù)據(jù)逐項分析，確認控制策略正確、有效，能夠依據(jù)2個變電所的實時工況，實現(xiàn)再生制動能量高效轉(zhuǎn)移利用。本文選取4種組合工況下各2 min時長的同步數(shù)據(jù)進行展示與分析，系統(tǒng)輸出功率及投運前后各所功率對比如圖5所示。

分析圖5（a）和圖5（d）可知：當 1#和 2#變電所同時處于牽引工況或再生工況時，再生制動能量利用系統(tǒng)不工作，兩側(cè)輸出功率P3和P4均為0，P1和完全重合，P2和完全重合，再生制動能量利用系統(tǒng)不改變 2個變電所的工況及功率的幅值。

分析圖5（b）可知：當1#變電所處于牽引工況，而 2#變電所處于再生工況時，再生制動能量利用系統(tǒng)工作。P3＞0，P4＜0，系統(tǒng)將再生制動能量由2#變電所轉(zhuǎn)移至1#變電所。通過有功轉(zhuǎn)移，1#變電所從電網(wǎng)獲取的牽引功率由P1降至，P1與之間的功率積分差值S1即為1#變電所在該時間段內(nèi)的節(jié)能電量；同時，2#變電所向電網(wǎng)反送的再生功率由P2降至，P2與之間的功率積分差值S2即為2#變電所在該時間段內(nèi)被利用的再生制動能量，因存在傳輸損耗，S2稍大于S1。在預(yù)留閾值附近波動但始終小于0，且由于閾值的存在，P4與P2接近但幅值稍小，2條曲線緊鄰而不重合。投運前后，P1與均大于 0，P2與均小于 0，再生制動能量利用系統(tǒng)在保持 2個變電所既有工況的前提下，利用 2#變電所的再生制動能量，減少了1#變電所的牽引電量。

分析圖5（c）可知：當1#變電所處于再生工況，而 2#變電所處于牽引工況時，再生制動能量利用系統(tǒng)工作。P4＞0，P3＜0，系統(tǒng)將再生制動能量由1#變電所轉(zhuǎn)移至2#變電所。通過有功轉(zhuǎn)移，2#變電所從電網(wǎng)獲取的牽引功率由P2降至，P2與之間的功率積分差值S2即為2#變電所在該時間段內(nèi)的節(jié)能電量；同時，1#變電所向電網(wǎng)反送的再生功率由P1降至，P1與之間的功率積分差值S1即為1#變電所在該時間段內(nèi)被利用的再生制動能量，因存在傳輸損耗，S1稍大于S2。在預(yù)留閾值附近波動但始終小于0，且由于閾值的存在，P3與P1接近但幅值稍小，2條曲線緊鄰而不重合。投運前后，P1與均小于 0，P2與均大于 0，再生制動能量利用系統(tǒng)在保持 2個變電所既有工況的前提下，利用 1#變電所的再生制動能量，減少了2#變電所的牽引電量。

圖5 系統(tǒng)輸出功率及投運前后2個變電所功率對比

3.2.2 節(jié)能電量計量

為準確、定量評估系統(tǒng)的節(jié)能效果，對比分析負荷統(tǒng)計法、基準能耗法和直接測量法等各種計量方案[10]如下：

（1）負荷統(tǒng)計法需匯總分析2個變電所各供電區(qū)間內(nèi)全部機車的實時功率，再與2個變電所同一時刻的功率進行比較，進而計算出節(jié)能電量。由于線路運行機車眾多且配屬不同鐵路局，數(shù)據(jù)同步獲取難度較大，該方案可行性較差。

（2）基準能耗法需按照線路運量基數(shù)及其能耗，對比系統(tǒng)運行期間運量及電量的變化，剔除能耗調(diào)整量，從而確認節(jié)能電量。由于能耗調(diào)整量受到運量數(shù)據(jù)準確度、列車運行圖、機車類型及數(shù)量、列車載重與速度、司機操控習(xí)慣、天氣等多重復(fù)雜因素影響，無法準確評估，而且再生制動能量利用電量與牽引電量相比占比較小，節(jié)能效果不能有效體現(xiàn)，該方案難以實施。

（3）直接測量法通過高準確度多功能電表，計量再生制動能量利用系統(tǒng)向 2個變電所轉(zhuǎn)移的有功電量，不受系統(tǒng)外界因素影響、簡單直接、易于測算分析，具有普遍適用性，適合推廣應(yīng)用。

最終選取直接測量法作為再生制動能量利用系統(tǒng)的節(jié)能電量計量方案。

直接計量法方案如圖6所示，將再生制動能量利用系統(tǒng)兩支路27.5 kV高壓并網(wǎng)點處電壓互感器和電流互感器的二次信號分別接入2塊0.5S級及以上等級的高準確度單相電表，能夠在不計入系統(tǒng)損耗的基礎(chǔ)上，準確計量通過再生制動能量系統(tǒng)向兩側(cè)變電所分別轉(zhuǎn)移的電量，便于進一步分析。

圖6 直接計量法方案

規(guī)定再生制動能量利用系統(tǒng)兩支路27.5 kV高壓并網(wǎng)電流指向變電所時為正方向，設(shè)定計量起止時間，通過電表1的正向電量增量W11，可測算出該時間段內(nèi)由變電所2向變電所1轉(zhuǎn)移的再生制動能量W12；通過電表2的正向電量增量W21，可測算出該時間段內(nèi)由變電所1向變電所2轉(zhuǎn)移的再生制動能量W22；進而可測算出再生制動能量系統(tǒng)在該時段內(nèi)的總節(jié)電量Wz。各項電量之間的關(guān)系為

式中：K為換算系數(shù)，等于電壓互感器變比與電流互感器變比的乘積。

按該計量方案對再生制動能量系統(tǒng)試運行期間的數(shù)據(jù)進行分析，日均節(jié)電14 500 kW·h，等效年節(jié)電量5 292.5 MW·h。按照0.6元/kW·h電費單價進行計算，每年可節(jié)省電費317.55萬元。

4 結(jié)語

高效利用再生制動能量，可助力鐵路節(jié)能減支和低碳發(fā)展。本文闡述交流牽引變電所間再生制動能量利用系統(tǒng)的構(gòu)成，說明工作原理與控制策略，并對其工程設(shè)計及應(yīng)用效果進行了分析，得出以下結(jié)論：

（1）再生制動能量利用系統(tǒng)并聯(lián)接入2個牽引變電所饋線末端，且配置專用保護單元，安全性好；變流器機組采用多重化、標準化設(shè)計，可靠性高。依據(jù)典型示范工程運行數(shù)據(jù)進行測算，節(jié)能效果良好，經(jīng)濟效益顯著，具有較好的推廣價值及應(yīng)用前景。

（2）提出的控制策略正確有效，在不改變 2個變電所既有工況的前提下，實現(xiàn)再生制動能量在相鄰變電所間協(xié)同利用，簡潔高效。同時，變電所間轉(zhuǎn)移利用策略可同步減少 2個變電所與公共電網(wǎng)的交互功率，有助于電網(wǎng)的平穩(wěn)運行。

（3）直接計量法獨立性好，不受外界因素影響，便于測算分析，適用于節(jié)能效果定量評估。

隨著儲能技術(shù)的快速發(fā)展，儲能裝置的經(jīng)濟性和安全性預(yù)計大幅提升。本文所述變電所間再生制動能量利用系統(tǒng)在變流器機組直流側(cè)預(yù)留了接口，便于儲能和新能源裝置接入。下一步將對結(jié)合所間轉(zhuǎn)移和儲能技術(shù)的復(fù)合利用方案進行研究及應(yīng)用，進一步提升再生制動能量利用率。