調(diào)節(jié)型網(wǎng)絡(luò)化牽引供電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究

楊嘉琛，董志杰，周方圓，吳麗然

0 引言

電氣化鐵路能夠綜合利用能源，在減少對(duì)化石能源依賴、提高鐵路運(yùn)輸能力、降低鐵路運(yùn)營(yíng)成本及環(huán)境保護(hù)等方面，具有巨大的優(yōu)越性和發(fā)展?jié)摿?。我?guó)牽引供電系統(tǒng)采用25 kV單相工頻交流供電制式，交流電力牽引供電鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)均采用架空接觸網(wǎng)供電方式向列車供電[1]。由于牽引供電系統(tǒng)與公用電網(wǎng)間存在供電制式差異，為保證電網(wǎng)三相平衡，電氣化鐵路多采用輪換相序接入，并在相鄰供電臂間設(shè)置電分相，而牽引變壓器接線型式不同導(dǎo)致大多數(shù)牽引變電所出口處也需設(shè)置電分相[2]。交流牽引供電系統(tǒng)以牽引變電所和供電臂為單元獨(dú)立運(yùn)行，供電臂間功率不能融通，而電分相作為格式化供電的分界點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)中存在無(wú)電區(qū)，使列車運(yùn)行工況和行駛速度均受到一定程度影響。列車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的再生制動(dòng)能量?jī)H能在供電臂內(nèi)進(jìn)行消納，難以得到充分利用，牽引功率也無(wú)法在不同供電臂之間轉(zhuǎn)移及相互支援，互聯(lián)互通程度低，功率無(wú)法融通。電分相的存在使?fàn)恳╇娤到y(tǒng)形成了“井”字型格式化供電格局，即供電孤島。因此，當(dāng)前的交流電氣化鐵路存在如何實(shí)現(xiàn)電能的高效利用和鐵路企業(yè)利益最大化等問(wèn)題，牽引供電系統(tǒng)對(duì)能源的綜合利用率仍存在較大優(yōu)化空間。隨著新能源技術(shù)快速發(fā)展，新能源接入牽引供電系統(tǒng)成為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，目前牽引供電系統(tǒng)架構(gòu)難以滿足新能源接入對(duì)滲透率、運(yùn)行穩(wěn)定性的要求。

解決上述問(wèn)題需打破既有供電格式，構(gòu)建新型牽引供電模式。新型牽引供電技術(shù)需實(shí)現(xiàn)供電臂之間功率融通，實(shí)現(xiàn)牽引側(cè)功率（電能）的可傳遞、可控，為多牽引變電所按運(yùn)行圖對(duì)列車精準(zhǔn)協(xié)同供電、高效率多能供應(yīng)與應(yīng)用提供依托，為新能源消納提供便利的接入途徑，推進(jìn)能源技術(shù)與信息技術(shù)的深度融合，構(gòu)建一體化、智能化的鐵路牽引供電系統(tǒng)能源技術(shù)體系。

1 網(wǎng)絡(luò)化牽引供電系統(tǒng)

1.1 網(wǎng)絡(luò)化牽引供電系統(tǒng)架構(gòu)

目前，國(guó)際鐵路領(lǐng)域?qū)涣麟姎饣F路網(wǎng)絡(luò)化牽引供電系統(tǒng)的概念仍未提出，與之類似研究較少：僅日本鐵路采用RPC 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了牽引變電所兩側(cè)供電臂功率融通[3]；德國(guó)采用自有的外部電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同相供電，但仍然按照供電臂為單元進(jìn)行劃分[4]；俄羅斯采用雙邊供電，兩座牽引所之間為一個(gè)供電單元[5]。在國(guó)內(nèi)，西南交通大學(xué)進(jìn)行了同相供電技術(shù)研究[6]，并在成昆線眉山牽引變電所、溫州S1 線市域鐵路、山西中南部鐵路沙峪牽引變電所等實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用[7]。雖然國(guó)內(nèi)對(duì)交流電氣化鐵路網(wǎng)絡(luò)化牽引供電相關(guān)研究同樣處于起步階段，但在電力系統(tǒng)和電力電子領(lǐng)域均發(fā)展了許多值得借鑒的技術(shù)。國(guó)家電網(wǎng)近年來(lái)進(jìn)行了大規(guī)模的智能電網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)、微電網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)研究[8]，并結(jié)合柔性電力電子技術(shù)發(fā)展實(shí)現(xiàn)了諸多工程應(yīng)用。

結(jié)合目前牽引供電系統(tǒng)存在的諸多限制，需提出以智能、綠色、柔性為技術(shù)特征，運(yùn)用柔性電力電子與人工智能技術(shù)，突出信息技術(shù)與電力電子技術(shù)緊密結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)化牽引供電系統(tǒng)，如圖1 所示。從目標(biāo)功能來(lái)看，網(wǎng)絡(luò)化牽引供電系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)使多座牽引變電所向列車協(xié)同供電，使二者間達(dá)到最優(yōu)匹配關(guān)系，并通過(guò)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”協(xié)同的網(wǎng)絡(luò)化、智能化、高能效等特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)牽引網(wǎng)功率融通，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)牽引供電系統(tǒng)功率可控與可傳遞，改善供電品質(zhì)，變革牽引供電系統(tǒng)能力配置原則，大幅提高供電能力與行車組織的適配性。

圖1 基于三網(wǎng)融合的網(wǎng)絡(luò)化牽引供電系統(tǒng)

1.2 網(wǎng)絡(luò)化牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行模式

由于電氣化鐵路采用同相單邊供電，當(dāng)采用貫通同相供電時(shí)，需要首先解決負(fù)序和牽引變電所之間連通造成的電磁環(huán)網(wǎng)等問(wèn)題。同時(shí)，電氣化鐵路牽引負(fù)荷存在波動(dòng)性、再生制動(dòng)能量間歇性、新能源接入的供電波動(dòng)性，為了提高再生制動(dòng)能量在相鄰兩座牽引變電所間吸收率、牽引供電系統(tǒng)能源自洽率、新能源在相鄰兩座牽引變電所間滲透率，降低牽引變電所的最大需量，提升整個(gè)牽引供電系統(tǒng)能源利用率，僅僅靠牽引變電所之間功率自然非受控潮流流動(dòng)難以達(dá)到上述效果。因此，從能夠控制的牽引變電所間潮流流動(dòng)角度，可將網(wǎng)絡(luò)化供電的形態(tài)分為不控型、半控型、全控型，基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)化牽引供電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文以三相工頻交流制式外部電源為前提，維持既有牽引供電系統(tǒng)單相工頻25 kV 供電制式不變，針對(duì)我國(guó)目前單相交流制牽引供電系統(tǒng)中存在的供電孤島問(wèn)題進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化牽引供電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究。

不控型網(wǎng)絡(luò)化供電即供電臂上的潮流根據(jù)相鄰變電所自主進(jìn)行分配，適用于特殊工況下網(wǎng)絡(luò)化供電。其主要缺點(diǎn)：受電網(wǎng)政策影響大，不滿足高速鐵路相鄰兩座牽引所外部電源不來(lái)自同一座上級(jí)變電站的要求，供電系統(tǒng)可靠性較低；受負(fù)序標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定局限，牽引變壓器的容量不宜過(guò)大，同時(shí)由于潮流不可控制，不宜平衡新能源、再生能、牽引負(fù)荷在所間的潮流流動(dòng)，難以實(shí)現(xiàn)再生能利用、節(jié)能、新能源滲透率等方面的控制策略；由于直接進(jìn)行了27.5 kV 側(cè)的連接，短路電流不可控制，短路電流較傳統(tǒng)供電方式有較大幅度增長(zhǎng)，需要對(duì)接地系統(tǒng)進(jìn)行重新校驗(yàn)和設(shè)計(jì)。

半控型網(wǎng)絡(luò)化供電即供電臂上潮流根據(jù)相鄰變電所可實(shí)現(xiàn)部分控制、部分兼顧清潔能源接入，但僅能通過(guò)一側(cè)變流設(shè)備進(jìn)行潮流控制，控制幅度和能力受容量限制較大，IGBT 能夠快速限制短路電流，供電臂一側(cè)可實(shí)現(xiàn)斷路器快速跳閘并縮短故障影響范圍，能夠利用現(xiàn)有的故障判斷方案。

全控型網(wǎng)絡(luò)化供電即供電臂上潮流可實(shí)現(xiàn)全部控制并兼顧清潔能源接入，但涉及電力電子器件壽命、大容量運(yùn)行可靠性因素影響，建議先行應(yīng)用在200 km/h 以下城際鐵路。

而從實(shí)現(xiàn)牽引功率融通的角度出發(fā)，既有牽引供電系統(tǒng)可從高壓側(cè)、變換側(cè)、低壓側(cè)三個(gè)角度進(jìn)行優(yōu)化。高壓側(cè)網(wǎng)絡(luò)化即各牽引所間高壓電源形成聯(lián)絡(luò)，如采用一對(duì)多供電方式，各變電所間外部電源手拉手；變換側(cè)網(wǎng)絡(luò)化即通過(guò)新型牽引變流裝置實(shí)現(xiàn)功率融通（如交直交變電所、電力電子變壓器等）；低壓側(cè)網(wǎng)絡(luò)化即牽引變電所間實(shí)現(xiàn)雙邊供電。由于我國(guó)牽引變電所外部電源主要由國(guó)家電網(wǎng)變電站提供，受政策因素影響較多，若直接在牽引網(wǎng)末端并聯(lián)會(huì)導(dǎo)致上級(jí)電網(wǎng)出現(xiàn)環(huán)形供電格局，引起電磁環(huán)網(wǎng)等問(wèn)題，因此高壓側(cè)、低壓側(cè)網(wǎng)絡(luò)化供電的實(shí)現(xiàn)需電力部門配合。

2 全控型牽引變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究

依據(jù)既有部分電氣化鐵路測(cè)試數(shù)據(jù)，繪制單邊供電與貫通供電模式下的饋線電流曲線如圖3 所示，可以看出，網(wǎng)絡(luò)化供電模式能夠降低供電區(qū)段內(nèi)的接觸網(wǎng)平均電流及損耗。結(jié)合牽引變電所供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（圖4），在理想狀態(tài)下，若L1產(chǎn)生的再生制動(dòng)能量能夠全部被L2吸收，則牽引變電所1可不輸出功率。由疊加定理可知，通過(guò)調(diào)節(jié)供電區(qū)間兩側(cè)變電所的出口電壓，能夠調(diào)節(jié)每座牽引變電所饋線電流值，實(shí)現(xiàn)所間牽引潮流控制目標(biāo)，如式（1）、式（2）所示。由于全控型的交直交變電所容量及投資較大，效率不及傳統(tǒng)的牽引變壓器，為了平衡負(fù)序和節(jié)能，需針對(duì)牽引變電所全控型網(wǎng)絡(luò)化供電開(kāi)展新的研究。

圖3 單邊供電/貫通供電模式饋線電流對(duì)比曲線

圖4 牽引變電所網(wǎng)絡(luò)化供電結(jié)構(gòu)

式中：U1、U2表示相鄰兩座牽引變電所的出口電壓，I表示機(jī)車電流，I1、I2表示相鄰兩座牽引變電所提供電流，d1、d2表示列車與牽引所間供電臂距離，d表示兩座牽引變電所之間距離，R表示線路單位阻抗。

本文從牽引變電所變換側(cè)入手，通過(guò)內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化供電特性。對(duì)于不控型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)型式，變換側(cè)僅作為電能傳輸通路，無(wú)法控制電能及為新能源提供通路。針對(duì)半控型和全控型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)型式，在變換側(cè)引入電力電子變流設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)潮流控制功能，并通過(guò)限制短路電流減小故障影響范圍，但傳輸效率相對(duì)于不控型有所降低。

結(jié)合Scott 平衡牽引變壓器主接線設(shè)置情況，本文基于PWM變流器提出串聯(lián)調(diào)節(jié)型網(wǎng)絡(luò)化供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖5 所示，包含外部電源接口模塊、牽引變壓器模塊、PWM 變流器模塊、輸出控制模塊等。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)理論上可以適應(yīng)任何速度等級(jí)線路，通過(guò)平衡變壓器二次側(cè)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，能夠降低PWM 變流器容量。牽引變電所輸出電壓由TP1 繞組、TP2 繞組與PWM 變流器疊加構(gòu)成，電壓相量如圖5 所示，其中U1為Scott 變壓器T 座輸出電壓，U2為串聯(lián)變壓器輸出電壓，可由交直交變流器調(diào)節(jié)電壓U2的幅值及相位。

圖5 基于PWM 變流器的串聯(lián)調(diào)節(jié)型網(wǎng)絡(luò)化供電拓?fù)?/p>

基于PWM變流器的串聯(lián)調(diào)節(jié)型網(wǎng)絡(luò)化供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠接入任意電壓等級(jí)，對(duì)電力系統(tǒng)的負(fù)序影響較小，在牽引變電所出口可不設(shè)置電分相，為牽引功率融通與潮流控制提供了通路，在限制短路電流與降低牽引網(wǎng)損耗方面均有一定提升。

3 串聯(lián)調(diào)節(jié)型網(wǎng)絡(luò)化供電系統(tǒng)潮流仿真分析

基于PWM變流器的串聯(lián)調(diào)節(jié)型網(wǎng)絡(luò)化供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)搭建牽引供電系統(tǒng)仿真模型，形成兩座牽引所區(qū)間供電格局，如圖6 所示。牽引變電所變壓器的輸出額定電壓為U1、U1'，設(shè)定為27.5 kV，空載時(shí)兩側(cè)電壓同相位；牽引變電所內(nèi)基于PWM 變流器結(jié)構(gòu)形成的調(diào)整電壓為U2、U2'，設(shè)置范圍為0～2 kV，電壓幅值及相位均可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)調(diào)節(jié)；兩座牽引變電所間供電臂內(nèi)機(jī)車負(fù)載等效為電流源。

圖6 基于PWM 變流器的串聯(lián)調(diào)節(jié)型網(wǎng)絡(luò)化供電系統(tǒng)模型

3.1 調(diào)節(jié)電壓U2 對(duì)牽引潮流影響分析

假設(shè)牽引變電所間供電臂長(zhǎng)度L1、L2均為25 km，機(jī)車負(fù)載功率Pload= 9.6 MW，牽引變壓器T座輸出電壓U1=U1'= 27.5 kV。通過(guò)調(diào)節(jié)兩座牽引變電所串聯(lián)調(diào)節(jié)模塊的輸出電壓幅值及相角，確定潮流最大分配比例，并將P1占總負(fù)荷Pload的比例P1/Pload作為評(píng)估潮流調(diào)節(jié)能力的指標(biāo)。利用遺傳算法求解出不同U2max下P1/Pload的調(diào)節(jié)范圍并繪制曲線，如圖7 所示。

圖7 系統(tǒng)牽引潮流調(diào)節(jié)范圍與PWM 模塊電壓關(guān)系曲線

由圖7 可以看出，牽引變電所輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍與U2max呈線性相關(guān)，且當(dāng)U2max≤1 750 V時(shí)，P1/Pload范圍已經(jīng)接近0～100%，即能夠通過(guò)串聯(lián)PWM 模塊實(shí)現(xiàn)牽引功率全范圍調(diào)節(jié)。

3.2 不同負(fù)載條件影響分析

針對(duì)機(jī)車負(fù)載對(duì)系統(tǒng)潮流調(diào)節(jié)能力的影響，將Pload由10 MW 分別增至20 MW 和30 MW，其余條件不變，利用相同方法求解出不同U2max下的P1/Pload可調(diào)節(jié)范圍，繪制出不同負(fù)載條件下的P1/Pload調(diào)節(jié)范圍，如圖8 所示。

由圖8 可以看出，不同負(fù)載下的負(fù)載潮流調(diào)節(jié)能力不同?？傮w上，當(dāng)PWM 模塊輸出電壓在1 800 V 以內(nèi)，均能夠在較大范圍調(diào)節(jié)牽引供電系統(tǒng)潮流分布，達(dá)到負(fù)荷均衡與再生電能調(diào)控目的。

圖8 基于不同負(fù)載條件下的牽引潮流調(diào)節(jié)范圍與PWM 模塊電壓關(guān)系曲線

3.3 典型工況仿真驗(yàn)證

在牽引工況下，假設(shè)牽引變電所間供電臂長(zhǎng)度L1、L2均為25 km，機(jī)車負(fù)載功率Pload= 9.6 MW，牽引變壓器T 座輸出電壓U1、U1'為27.5 kV。仿真結(jié)果如圖9 所示。在0.2 s 時(shí)，牽引變電所1 輸出電壓Uo增大，即U2輸出峰值電壓1 000 V（與U1同相位）；在0.3 s 時(shí)，牽引變電所2 輸出電壓Uo'減小，即U2'輸出峰值電壓500 V（與U1'反相位）。

圖9 網(wǎng)絡(luò)化牽引供電系統(tǒng)電壓及電流曲線（牽引工況）

通過(guò)圖9 可以看出，牽引變電所1 向負(fù)載提供的電流相應(yīng)增大，由此驗(yàn)證了在牽引工況下，提高一座變電所輸出電壓，或減小其相鄰變電所輸出電壓，可以增大本變電所向列車提供功率的比例。

在再生制動(dòng)工況下，假設(shè)牽引變電所間供電臂長(zhǎng)度L1、L2均為25 km，機(jī)車負(fù)載功率Pload= 9.6 MW，牽引變壓器T座輸出電壓U1、U1'為27.5 kV。仿真結(jié)果如圖10 所示。在0.2 s 時(shí)，牽引變電所1輸出電壓Uo增大，即U2輸出峰值電壓1 000 V（與U1同相位）；在0.3 s 時(shí)，牽引變電所2 輸出電壓Uo'減小，即U2'輸出峰值電壓500 V（與U1'反相位）。

通過(guò)圖10 可以看出，牽引變電所1 向負(fù)載提供的牽引電流相應(yīng)減小，由此驗(yàn)證了在再生制動(dòng)工況下，提高一座牽引變電所輸出電壓，或減小其相鄰變電所輸出電壓，能夠減小本變電所向列車提供功率的比例。

圖10 網(wǎng)絡(luò)化牽引供電系統(tǒng)電壓及電流曲線（再生制動(dòng)工況）

4 結(jié)論與展望

網(wǎng)絡(luò)化牽引供電系統(tǒng)能夠解決常規(guī)牽引供電技術(shù)發(fā)展中存在的供電格式化、供用電需求匹配等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)牽引供電系統(tǒng)供電臂之間功率可控與可傳遞性，提高牽引供電功率潮流控制能力，持續(xù)提升電能利用可靠性、高效性、經(jīng)濟(jì)性，對(duì)我國(guó)電氣化鐵路的供電品質(zhì)、節(jié)能降耗具有重要意義。

本文通過(guò)對(duì)牽引功率融通可行性及實(shí)現(xiàn)方式，從牽引變電所變換側(cè)入手，提出了基于PWM 變流器的調(diào)節(jié)型網(wǎng)絡(luò)化牽引供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并通過(guò)計(jì)算與仿真驗(yàn)證分析了PWM變流器輸出電壓幅值與相位實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)牽引變電所間潮流分布，實(shí)現(xiàn)不同牽引變電所間功率輸出比例控制，使相鄰牽引變電所間具備功率融通條件。在后續(xù)研究工作中，網(wǎng)絡(luò)化牽引供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案應(yīng)結(jié)合供電臂內(nèi)的負(fù)載動(dòng)態(tài)特性與繼電保護(hù)配置等方面進(jìn)行深入分析，在供電孤島解決的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化信息孤島，提升網(wǎng)絡(luò)化供電綜合效能并優(yōu)化工程化應(yīng)用條件。