牽引供電系統(tǒng)貫通供電方案研究

董志杰，楊振龍，馬志遠(yuǎn)，許永堅，張 宇，楊嘉琛

0 引言

我國從20世紀(jì)50年代開始采取單相工頻供電制式后電氣化鐵路得到了快速發(fā)展[1，2]，目前全國電氣化鐵路里程已超過10萬km，電氣化率超過了73%。我國的電氣化鐵路一直采用單邊供電，通過設(shè)置電分相將供電臂進(jìn)行劃分，各供電臂之間電氣不連通，功率無法在各供電臂之間轉(zhuǎn)移，牽引變電所通過供電臂輪換相序降低對電力系統(tǒng)的負(fù)序影響。

為響應(yīng)“雙碳”目標(biāo)要求，提升清潔能源利用率，應(yīng)從降低牽引供電系統(tǒng)損耗，提高牽引供電系統(tǒng)能源利用率；降低化石能源在牽引供電系統(tǒng)比例，提高牽引供電系統(tǒng)新能源滲透率；降低再生能向電力系統(tǒng)返送率，提升在牽引供電系統(tǒng)內(nèi)部消納率幾個方面提出合理方案。通過電分相分割的供電臂難以滿足“雙碳”目標(biāo)的要求，急需提出一種新的貫通供電技術(shù)方案解決上述問題。

針對上述問題，國內(nèi)外專家學(xué)者開展了大量研究。一方面，貫通同相牽引供電系統(tǒng)可以進(jìn)一步降低牽引供電系統(tǒng)損耗，提高供電品質(zhì)[1，2]，主要研究同相供電系統(tǒng)的系統(tǒng)方案[3～5]、潮流計算方法[6]、經(jīng)濟(jì)性分析[7]、牽引網(wǎng)諧振特性[8]等，證明了貫通同相供電系統(tǒng)在可用的基礎(chǔ)上對于我國鐵路的適用性。另一方面，基于牽引負(fù)荷波動的強隨機(jī)性，研究利用電氣化鐵路再生制動能量[9，10]，主要研究再生電能利用裝置設(shè)置方案及控制算法等，并可為新能源接入預(yù)留接口。本文將針對接觸網(wǎng)貫通后對供電品質(zhì)產(chǎn)生的影響，找出劣化因素，提出一種新的接觸網(wǎng)貫通供電技術(shù)方案。

1 接觸網(wǎng)貫通對供電品質(zhì)的影響

接觸網(wǎng)貫通供電后將在接觸網(wǎng)損耗、短路電流、負(fù)序、網(wǎng)壓、電磁環(huán)流、再生能利用、載流能力、新能源消納、靈活供電等方面有別于目前的以供電臂為單元的供電模式，需要深入分析。

1.1 接觸網(wǎng)貫通對牽引供電系統(tǒng)損耗影響

為了分析接觸網(wǎng)貫通后對損耗的影響，以2座牽引變電所為例，分析帶回流直接供電方式下不同追蹤間隔時接觸網(wǎng)損耗變化情況，列車速度按照250 km/h，帶電電流取500 A，2座牽引變電所之間距離50 km，供電臂長度按照25 km進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。

表1 不同追蹤間隔下單雙邊供電接觸網(wǎng)損耗對比

從表1中可以看出，雙邊供電能夠降低牽引網(wǎng)損耗，隨著追蹤間隔加大，雙邊供電相對于單邊供電損耗降低。追蹤間隔越大，雙邊供電損耗降低越明顯。

1.2 接觸網(wǎng)貫通供電對短路電流影響

接觸網(wǎng)貫通供電后，接觸網(wǎng)上的短路電流會增大，不僅影響接地安全，也對設(shè)備承受短路電流的能力以及制造提出更高要求。圖1為3座牽引變電所牽引網(wǎng)貫通運行示意圖。按照每座牽引變電所之間距離50 km考慮，3座牽引變電所牽引變壓器容量相同，外部電源短路容量相同，表2中數(shù)據(jù)為不同情況下短路電流數(shù)值。

圖1 3座牽引變電所接觸網(wǎng)貫通示意圖

表2 不同工況下短路電流

從表2可以看出，接觸網(wǎng)貫通后短路電流增加最少60%以上。短路電流直接影響牽引變電所跨步電壓、接地引下線截面、鋼軌電位、貫通地線截面，對于既有運行項目將對接地系統(tǒng)產(chǎn)生較大的影響。

1.3 接觸網(wǎng)貫通供電對負(fù)序影響

我國對三相不平衡度標(biāo)準(zhǔn)有以下規(guī)定：若公共連接點連接有多個用戶，每個用戶引起該點負(fù)序電壓不平衡度允許值一般為1.3%，短時不超過2.6%。對于110 kV電源，短路容量一般為1 000～2 000 MV·A；對于220 kV電源，短路容量一般大于5 000 MV·A。按照正常安裝容量校核負(fù)序容量，不同短路容量下為了抑制電磁環(huán)網(wǎng)影響，從同一個地方變電站允許接入變電所數(shù)量見表3?？梢钥闯?，負(fù)序是制約多所接觸網(wǎng)貫通運行的關(guān)鍵因素。

表3 不同短路容量下允許系統(tǒng)接入單相負(fù)荷

1.4 接觸網(wǎng)貫通供電對接觸網(wǎng)壓降、載流能力影響

接觸網(wǎng)貫通后列車取電將由線路上貫通的多個牽引變電所提供，有別于目前的單邊供電模式。以2座牽引變電所為例，列車速度按照250 km/h，帶電電流取500 A，2座牽引變電所之間距離按照50 km，供電臂長度按照25 km，帶回流直接供電方式不同追蹤間隔下接觸網(wǎng)網(wǎng)壓和載流能力計算結(jié)果見表4。

從表4可以看出，相同追蹤間隔下，雙邊供電比單邊供電的接觸網(wǎng)壓降小，能夠降低牽引網(wǎng)上的電能損失；從載流需求看，在追蹤間隔小于等于一個供電臂時，載流能力沒有大的改善，而當(dāng)追蹤間隔大于一個供電臂時則效果明顯。

表4 接觸網(wǎng)貫通運行對接觸網(wǎng)壓降、載流能力影響

1.5 接觸網(wǎng)貫通對電磁環(huán)網(wǎng)電流影響

設(shè)計試驗驗證接觸網(wǎng)貫通供電后電磁環(huán)網(wǎng)對系統(tǒng)的影響。在2座110 kV變電站分別為2座牽引變電所供電的情況下，2座變電站間亦通過架空輸電線路連接，系統(tǒng)主要參數(shù)見表5。

表5 電磁環(huán)流對牽引供電系統(tǒng)影響的仿真試驗參數(shù)

接觸網(wǎng)貫通運行后需要考慮電磁環(huán)網(wǎng)影響。電氣化鐵路采用單相供電模式，當(dāng)通過接觸網(wǎng)連通電力公司不同變電站后，將產(chǎn)生電磁環(huán)網(wǎng)，但又有別于電網(wǎng)自身合環(huán)運行時產(chǎn)生的電磁環(huán)網(wǎng)，其主要差異為：（1）牽引供電系統(tǒng)27.5 kV側(cè)接觸網(wǎng)貫通運行，折算到高壓側(cè)110/220 kV的阻抗大，產(chǎn)生的電磁環(huán)網(wǎng)電流較??；（2）牽引供電系統(tǒng)為單相牽引模式，無法通過接觸網(wǎng)傳輸三相電能，當(dāng)電力公司出現(xiàn)N-1模式，潮流不能通過接觸網(wǎng)進(jìn)行轉(zhuǎn)移；（3）通常鐵路運營方與電網(wǎng)公司是 2個獨立產(chǎn)權(quán)單位實體，通過用戶側(cè)雖然可以使三相電網(wǎng)與牽引供電系統(tǒng)形成電磁環(huán)網(wǎng)，但由于電氣化鐵路存在再生制動電能，將很難區(qū)分返送電力系統(tǒng)是電磁環(huán)網(wǎng)電流還是再生制動返送電流，將造成鐵路運營方的運營成本增加。

圖2和表6體現(xiàn)正常及故障等不同工況下電磁環(huán)網(wǎng)電流情況。從表6可以看出，當(dāng)來自牽引變電所SS1、SS2的電源，即2座電網(wǎng)變電站的出口電壓相等時，基本可認(rèn)為沒有電磁環(huán)網(wǎng)電流。當(dāng)電網(wǎng)A、B相出現(xiàn)單相接地短路故障，可在短時間內(nèi)產(chǎn)

圖2 牽引網(wǎng)貫通運行示意圖

表6 牽引網(wǎng)貫通運行時電磁環(huán)網(wǎng)電流仿真結(jié)果

1.6 接觸網(wǎng)貫通對再生能利用影響

電氣化鐵路的牽引變電所電費采用代數(shù)和計費方式，且計量方式、效果不受牽引供電系統(tǒng)是否貫通運行的影響。接觸網(wǎng)貫通運行僅僅實現(xiàn)了再生制動功率在接觸網(wǎng)上貫通傳遞。2座牽引變電所接觸網(wǎng)貫通運行后，再生制動功率傳遞將會發(fā)生改變，工況不同將形成不同的效果。圖3和表7中顯示不同工況下再生制動能量的消納效果比較。

表7 不同追蹤間隔下剩余再生電能

圖3中PA、PB為供電臂上功率。貫通運行工況下，PA1和PB1牽引功率之和大于零，且PB1小于零，SS2牽引變電所沒有負(fù)荷時，列車產(chǎn)生的再生能量將有一部分自SS2向電力系統(tǒng)返送，降低再生能利用效果。從以上分析可以看出，接觸網(wǎng)貫通運行后再生能利用是否提升與各供電臂內(nèi)列車運行狀態(tài)相關(guān)。圖4、圖5所示為不同追蹤條件下接觸網(wǎng)貫通運行前后再生能對比。

圖3 兩座牽引變電所貫通運行再生制動能量利用示意圖

圖4 13 min追蹤間隔下牽引變電所出口處接觸網(wǎng)電流

圖5 18min追蹤間隔下牽引變電所出口接觸網(wǎng)電流

從圖4、圖5中可以看出，接觸網(wǎng)貫通運行后，由于牽引變電所潮流不可控，有的工況下負(fù)荷降低，有的工況下負(fù)荷加重，再生制動能量同行車之間吸收也不同。對運輸密度大的線路，接觸網(wǎng)貫通后改善再生能吸收、降低負(fù)荷情況不明顯。對于潮流不可控情況，存在著很難達(dá)到理想應(yīng)用情況的問題。

1.7 接觸網(wǎng)貫通對新能源消納影響

電氣化鐵路通常采用單邊供電模式，因接觸網(wǎng)上電分相隔離了相鄰供電臂的電氣功率傳輸，新能源接入牽引供電系統(tǒng)后，由于牽引負(fù)荷間歇性、新能源發(fā)電間歇性，依靠既有單邊供電模式難以快速消納新能源。此外，由于牽引供電系統(tǒng)與電網(wǎng)系統(tǒng)之間電氣連通，如果無法快速消納新能源，將造成新能源通過牽引系統(tǒng)返送電力系統(tǒng)，因此接觸網(wǎng)貫通運行將有利于新能源消納。同時由于功率需求在貫通接觸網(wǎng)上受變電所分布和列車運行位置影響，時間上呈現(xiàn)間歇性，空間上在變電所呈現(xiàn)多源性，幅值上呈現(xiàn)牽引再生交替特性，新能源間歇性負(fù)荷接入貫通接觸網(wǎng)上，接觸網(wǎng)將成為連接新能源與列車負(fù)荷需求功率的傳輸網(wǎng)。由于通過牽引變電所向電力系統(tǒng)返送不計的計費政策，自然潮流分配難以保障新能源與列車負(fù)荷需求良好匹配性，因此可控潮流將更有利于新能源消納，更利于降低運營成本。

1.8 接觸網(wǎng)貫通對靈活供電影響

電氣化鐵路單邊供電模式下故障查找和切除技術(shù)已經(jīng)非常成熟，故障影響范圍內(nèi)可快速切除。對于貫通運行接觸網(wǎng)，當(dāng)接觸網(wǎng)發(fā)生短路故障時，由于雙邊或多邊供電，需要變革保護(hù)切除方式，同時切除故障區(qū)段，故障影響范圍變大。

2 接觸網(wǎng)貫通供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

通過上文分析可以看出，接觸網(wǎng)貫通運行后對供電品質(zhì)產(chǎn)生影響，選擇合適的接觸網(wǎng)貫通技術(shù)方案尤為重要。接觸網(wǎng)貫通后供電品質(zhì)需優(yōu)化內(nèi)容如表8所示。

表8 貫通供電與單邊供電相比需優(yōu)化的內(nèi)容

由表8可知，接觸網(wǎng)貫通運營方式下，需要在短路電流、電磁環(huán)網(wǎng)、負(fù)序、再生電能消納等方面進(jìn)行優(yōu)化，并需在此基礎(chǔ)上研究新能源消納方案?？梢酝ㄟ^在變電所內(nèi)加裝電力電子設(shè)備，解決、優(yōu)化上述問題。電力電子設(shè)備具有以下優(yōu)勢：使系統(tǒng)潮流可控，具有提升再生能利用等功能，能夠在空載工況下限制電磁環(huán)網(wǎng)電流；接觸網(wǎng)故障時限制短路電流；牽引、再生工況下平衡牽引變壓器兩臂負(fù)荷，降低負(fù)序；延長供電臂后，還有助于提高再生電能利用率，減少返送電網(wǎng)；直流側(cè)亦可為新能源接入預(yù)留接口。

結(jié)合電力電子設(shè)備優(yōu)勢，提出一種接觸網(wǎng)貫通供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，見圖6。圖中，TP1和TP2可以構(gòu)成平衡接線降低負(fù)序影響，通過 TP2次邊連接的交直交變換器可以限制短路電流，抑制電磁環(huán)網(wǎng)。27.5 kV電壓通過TP1和TP3變壓器二次側(cè)串聯(lián)而成，交直交變換器也可在運行中控制 TP3的輸出電壓。通過這種結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)不同變電站接入，具有靈活的接入性。

圖6 接觸網(wǎng)貫通供電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

針對表8中的供電品質(zhì)需要優(yōu)化的結(jié)果見表9。

表9 接觸網(wǎng)貫通供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)供電品質(zhì)優(yōu)化結(jié)果

3 接觸網(wǎng)貫通運行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真分析

圖7為接觸網(wǎng)貫通供電電流分布示意圖?？梢钥闯觯熊囯娏饔上噜彽?座牽引變電所共同供電。單線線路情況下，電壓與電流關(guān)系：

圖7 接觸網(wǎng)貫通供電電流分布示意圖

式中：L為2座牽引變電所間距離，I1和I2為兩座牽引所供電電流，R為線路阻抗，U1和U2為變電所出口電壓。

從式（1）可以看出，通過控制U1和U2之間電壓差可以調(diào)節(jié)I1和I2的分配關(guān)系，即可調(diào)節(jié)兩座牽引變電所SS1、SS2的出力。

將圖4（b）中再生電能部分消納進(jìn)行潮流控制，其再生能利用率見圖8。可以看出，相對于圖4（b）貫通運營情況下，返送再生電能已經(jīng)減少。

圖8 調(diào)整電壓提升再生能利用率

通過以上仿真，驗證了通過潮流控制調(diào)節(jié)再生能潮流，提升了再生能在牽引供電系統(tǒng)內(nèi)部的利用率。同時調(diào)節(jié)潮流可以實現(xiàn)潮流在變電所的分配，可以調(diào)節(jié)不同變電所負(fù)荷，降低峰值功率，并降低最大需量。

4 結(jié)語

本文分析了接觸網(wǎng)貫通供電對接觸網(wǎng)載流、損耗、短路電流、電磁環(huán)網(wǎng)等供電品質(zhì)的影響，經(jīng)過分析確定了接觸網(wǎng)貫通供電后在供電品質(zhì)方面需優(yōu)化的項目，發(fā)現(xiàn)負(fù)序改善、電磁環(huán)網(wǎng)可控、接觸網(wǎng)潮流控制是解決供電品質(zhì)問題的關(guān)鍵，提出一種規(guī)避劣勢，保留優(yōu)勢的貫通供電技術(shù)方案，并針對再生能利用率進(jìn)行潮流控制仿真驗證，驗證了所提方案的可行性和有效性。對于容量配置、潮流控制策略、保護(hù)控制問題，將是下一步工程化實施需進(jìn)一步研究的內(nèi)容。