貫通式同相供電系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

李銷鍵，解紹鋒，蔣 俊

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貫通式同相供電系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

李銷鍵，解紹鋒，蔣 俊

結(jié)合單三相組合式同相供電技術(shù)特點(diǎn)，基于既有異相牽引供電系統(tǒng)牽引負(fù)荷實(shí)測數(shù)據(jù)，對既有牽引供電線路進(jìn)行改造方案研究。分別對“只采用組合式同相供電技術(shù)而未全線貫通”及“采用組合式同相供電技術(shù)和新型雙邊供電技術(shù)使全線貫通”2種方案牽引變壓器和補(bǔ)償裝置的容量進(jìn)行計(jì)算和配置，分析并比較2種方案在安裝容量上的差異，以工程經(jīng)濟(jì)學(xué)中的投資回收期指標(biāo)討論分析采用貫通式同相供電技術(shù)對既有線路進(jìn)行改造的經(jīng)濟(jì)性，為貫通式同相供電系統(tǒng)工程推廣提供參考。

組合式同相供電技術(shù)；新型雙邊供電技術(shù)；貫通式同相供電系統(tǒng)；補(bǔ)償容量；工程經(jīng)濟(jì)性

0 引言

為了解決三相電壓不平衡問題及牽引供電系統(tǒng)電分相問題，同相供電技術(shù)受到了廣泛關(guān)注。大功率電子器件的發(fā)展和應(yīng)用減少了同相供電技術(shù)中補(bǔ)償裝置的建造成本，為同相供電技術(shù)的應(yīng)用提供了很好的基礎(chǔ)條件。文獻(xiàn)[1]提出了基于有功功率補(bǔ)償器（APC）的同相供電系統(tǒng)，并對同相供電的性能進(jìn)行了驗(yàn)證；文獻(xiàn)[2，3]對基于對稱式補(bǔ)償?shù)耐喙╇娂夹g(shù)作了詳細(xì)研究；文獻(xiàn)[4～6]將單相牽引變壓器與有源潮流控制器（PFC）相結(jié)合，提出了一種先進(jìn)的組合式同相牽引供電系統(tǒng)，并仿真驗(yàn)證了控制算法的有效性，同時(shí)提出了工程應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)方案；文獻(xiàn)[7]提出新一代牽引供電系統(tǒng)，即在同一電力系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)電氣化鐵路無分相的同相貫通供電系統(tǒng)。

由于近幾年對同相供電技術(shù)的研究才趨于成熟，對其工程化推廣和經(jīng)濟(jì)性的研究較少，本文主要評價(jià)貫通式同相供電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，為其工程應(yīng)用和推廣提供依據(jù)。

1 組合式同相牽引供電技術(shù)

組合式同相供電系統(tǒng)由牽引變壓器TT和同相補(bǔ)償裝置CPD組成（圖1）。同相補(bǔ)償裝置CPD由高壓匹配變壓器HMT、交直交變流器ADA、牽引匹配變壓器TMT以及交流電抗器L等構(gòu)成[7]。高壓匹配變壓器為YNd11接線，與單相牽引變壓器構(gòu)成平衡接線，其中連接交直交變流器的端口與牽引變壓器端口的電壓相位差為90°。

2 新型雙邊供電技術(shù)

雙邊供電是將分區(qū)所處分相中的斷路器合上，使2個(gè)相鄰牽引變電所的牽引網(wǎng)連通，2個(gè)變電所同時(shí)對處于變電所中間的牽引負(fù)荷供電。

采用雙邊供電后，牽引網(wǎng)成為電力系統(tǒng)的支路，電力系統(tǒng)負(fù)荷會(huì)在牽引網(wǎng)中形成較大的“均衡電流”，可能會(huì)影響電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，該雙邊供電方案不被電力系統(tǒng)接受。新型雙邊供電方案是在牽引變電所出口的牽引饋線處串聯(lián)電抗器，如圖2所示。

圖1 單三相組合式同相供電方案

圖2 新型雙邊供電系統(tǒng)

3 貫通式同相供電系統(tǒng)

3.1 貫通式同相供電系統(tǒng)組成

貫通式同相供電系統(tǒng)由組合式同相供電系統(tǒng)結(jié)合新型雙邊供電技術(shù)組成，如圖3所示。組合式同相供電取消了牽引變電所的電分相，新型雙邊供電取消了異相供電分區(qū)所處的電分相，實(shí)現(xiàn)了牽引變電所之間的貫通供電。

圖3 貫通式同相供電系統(tǒng)

3.2 貫通式同相供電系統(tǒng)分析

當(dāng)牽引網(wǎng)為異相供電時(shí)，某一牽引變電所的負(fù)荷大小為P，理論上，貫通供電時(shí)每個(gè)牽引變電所容量平均（最小）值應(yīng)為

牽引變電所的P在實(shí)際中是不斷變化的，假設(shè)P的最大值為maxk，由于每個(gè)牽引變電所的負(fù)荷不可能同時(shí)達(dá)到最大值，因此在貫通式同相供電時(shí)，各變電所的容量應(yīng)滿足

式（2）說明貫通式同相供電時(shí)，牽引變電所的總?cè)萘勘犬愊喙╇姇r(shí)牽引變電所的總?cè)萘啃。泳哂薪?jīng)濟(jì)性[11]。

4 改造方案容量計(jì)算

對異相牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行同相供電改造，改造方案有2種，方案一“只采用組合式同相供電技術(shù)而未全線貫通”，方案二“采用組合式同相供電技術(shù)和新型雙邊供電技術(shù)使全線貫通”。本文采用某高鐵線路3個(gè)牽引變電所的饋線電流實(shí)測數(shù)據(jù)，取變壓器過負(fù)荷系數(shù)為2，計(jì)算出異相供電時(shí)3個(gè)牽引變電所的計(jì)算參數(shù)如表1所示，其中TT1a、TT1b代表牽引變電所1中兩供電臂，其他依此類推。

表1 牽引變電所異相供電時(shí)計(jì)算參數(shù)

計(jì)算方案一中牽引變電所的計(jì)算參數(shù)時(shí)，將2個(gè)供電臂饋線電流合二為一，即F=a+b。計(jì)算方案二中牽引變電所計(jì)算參數(shù)時(shí)，由于整個(gè)牽引網(wǎng)全線貫通，因此需要計(jì)算潮流的分配。根據(jù)文獻(xiàn)[12]將牽引變電所歸算到電力系統(tǒng)側(cè)后計(jì)算出分流系數(shù)如圖4，數(shù)值如表2。根據(jù)分流系數(shù)和饋線電流數(shù)據(jù)可計(jì)算貫通式同相供電系統(tǒng)的負(fù)荷數(shù)據(jù)。

圖4 分流系數(shù)示意圖

表2 分流系數(shù)值

電力系統(tǒng)短路容量為1 500 MV·A，根據(jù)文獻(xiàn)[7]中容量計(jì)算式，方案一和方案二計(jì)算參數(shù)如表3、表4所示，表中容量單位為MV·A，電流單位為A。

從表3和表4可以看出，方案二變壓器安裝容量小于既有異相供電系統(tǒng)變壓器安裝容量，符合本文3.2節(jié)中分析結(jié)論。采用方案二相較于方案一不僅可以減小補(bǔ)償裝置（CPD）的安裝容量，還可以減小牽引變壓器的安裝容量，更加適合工程應(yīng)用。

表3 組合式同相供電系統(tǒng)計(jì)算參數(shù)

表4 貫通式同相供電系統(tǒng)計(jì)算參數(shù)

5 貫通式同相供電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

在評估經(jīng)濟(jì)性時(shí)，新增費(fèi)用主要從設(shè)備投資成本、電費(fèi)和人力成本考慮，收益主要從節(jié)省固定容量和運(yùn)能提升2方面考慮。

5.1 節(jié)省固定容量電費(fèi)

目前我國對鐵路牽引供電系統(tǒng)大多采用兩部制電價(jià)法。收取基本電費(fèi)時(shí)，異相供電3個(gè)牽引變電所需要繳納固定電費(fèi)的容量為200 MV·A，采用貫通式同相供電系統(tǒng)需要繳納固定電費(fèi)的容量為150 MV·A，固定容量電費(fèi)按25元/（kV·A·月）計(jì)算，每年可節(jié)約固定電費(fèi)1 500萬元。

5.2 運(yùn)能提升的收益

鐵路牽引網(wǎng)的電分相取消后可以節(jié)約一定的運(yùn)行時(shí)間，如果在節(jié)約的時(shí)間內(nèi)增開列車，將有益于提升鐵路的運(yùn)能。以京滬高鐵為例，每日上下行發(fā)車數(shù)各為37列，每車過一次分相損失時(shí)間按2 s計(jì)算，那么在3個(gè)牽引變電所區(qū)間5個(gè)電分相節(jié)約的時(shí)間約為6.2 min，上下行可以各增發(fā)一列CRH380A系列列車。京滬高鐵運(yùn)營公里數(shù)為1 318 km，根據(jù)表5以90%上座率計(jì)算出京滬高鐵CRH380A列車每公里票價(jià)收益為201元，該供電區(qū)間運(yùn)營里程為152 km，則在該供電區(qū)間內(nèi)每年新增運(yùn)費(fèi)收益為2 230萬元。

表5 CRH380A參數(shù)

5.3 新增費(fèi)用分析

CRH380A系列編組列車額定功率為9.6 MW，運(yùn)行時(shí)消耗的功率按85%計(jì)算，每列車在152 km的路段內(nèi)帶電運(yùn)行的時(shí)間按照0.5 h計(jì)算，那么每年新增消耗的電能為

= 9.6×0.85×0.5×365×2 = 2 978.4 MW·h

按工業(yè)用電電費(fèi)平均值0.79 元/kW·h計(jì)算，則每年新增消耗電費(fèi)為235萬元。

同相供電裝置的電能損耗為10 MV·A，每小時(shí)耗能100 kW，每天考慮4 h的空窗期，3個(gè)牽引變電所同相供電裝置（CPD）一年電費(fèi)為167萬元。

上下行各增加一列列車，新增人工費(fèi)用按一年365萬元一列車計(jì)算，共730萬元。

5.4 改造成本分析

既有牽引變電所改造投資成本如表6，其中單相牽引變壓器可沿用既有變壓器，不需投入資金。

表6 改造投資成本 萬元

5.5 總體投資收益分析

綜上所述，可列出進(jìn)行貫通式同相供電系統(tǒng)改造后的經(jīng)濟(jì)損益表，如表7所示。

考慮資金時(shí)間價(jià)值為動(dòng)態(tài)投資，不考慮資金時(shí)間價(jià)值為靜態(tài)投資，收益分析時(shí)同時(shí)考慮動(dòng)態(tài)和靜態(tài)投資。評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)為：若方案的投資回收期小于或等于鐵路行業(yè)基準(zhǔn)投資期（16.7年），那么該方案可行。

表7 經(jīng)濟(jì)損益統(tǒng)計(jì)

若某項(xiàng)目投入使用達(dá)產(chǎn)后的年凈收益相等，或使用每年的平均收益計(jì)算，投資回收期表達(dá)式為

t=/（3）

式中，t為投資回收期（年）；為全部投資；為等額凈收益或年平均凈收益。

根據(jù)式（3）及表7可計(jì)算出在兩部制電價(jià)計(jì)費(fèi)的情況下靜態(tài)投資期為5.39年。

動(dòng)態(tài)投資期是指考慮資金的時(shí)間價(jià)值的條件下按設(shè)定的利率收回全部投資所需要的時(shí)間，當(dāng)用現(xiàn)金流表計(jì)算時(shí)，計(jì)算式為[13]

根據(jù)表7列出貼現(xiàn)現(xiàn)金流如表8，根據(jù)動(dòng)態(tài)投資回收期的計(jì)算式（4），可知?jiǎng)討B(tài)投資期為

靜、動(dòng)態(tài)投資期均小于鐵路行業(yè)基準(zhǔn)投資期16.7年，由此看出，貫通式同相供電技術(shù)適用于工程推廣應(yīng)用。

表8 貼現(xiàn)現(xiàn)金流表

注：表中金額單位為萬元。

6 結(jié)語

通過對貫通式同相供電系統(tǒng)進(jìn)行分析，采用實(shí)例數(shù)據(jù)進(jìn)行容量參數(shù)計(jì)算得出：組合式同相供電方案和貫通式同相供電方案的牽引變壓器安裝容量均小于既有異相供電方式，貫通式同相供電方案不僅可以減小補(bǔ)償裝置（CPD）的安裝容量，還可以減小牽引變壓器的安裝容量；通過對貫通式同相供電系統(tǒng)的靜/動(dòng)態(tài)投資期進(jìn)行計(jì)算分析，其結(jié)果均小于鐵路基準(zhǔn)投資期，貫通式同相供電系統(tǒng)能在較短時(shí)間內(nèi)收回投資成本，適用于工程應(yīng)用推廣。

[1] Zeliang Shu,ShaofengXie, Qunzhan Li. Development and Implementation of a Prototype for Co-phase Traction Power Supply System[J]. Power and Energy Engineering Conference (APPEEC), 2010 Asia-Pacific.

[2] 張秀峰. 基于有源濾波器和AT供電方式的新型同相牽引供電系統(tǒng)[J]. 中國鐵道科學(xué)，2006，27（6）73-78.

[3] 張秀峰，李群湛. 基于有源濾波器的V_v接同相供電系統(tǒng)[J]. 中國鐵道科學(xué)，2006，27（2）：98-103.

[4] Chen M, Wen T, Jiang W, et al. Modelling and Simulation of New Traction Power Supply System in Electrified Railway[C] IEEE, International Conference on Intelligent Transportation Systems. IEEE, 2015:1345-1350.

[5] Chen M, Li Q, Roberts C, et al. Modelling and performance analysis of advanced combined co-phase traction power supply system in electrified railway[J]. Iet Generation Transmission & Distribution, 2016, 10(4):906-916.

[6] 李群湛，解紹鋒. 電氣化鐵路同相供電技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用[C]. 四川省博士專家論壇，2014.

[7] Li Q. New generation traction power supply system and its key technologies for electrified railways[J]. 現(xiàn)代交通學(xué)報(bào)（英文版），2015，23（1）：1-11.

[8] 李超. 同相供電系統(tǒng)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析[D]. 西南交通大學(xué)，2014.

[9] 郭盡朝. 同相供電技術(shù)在神朔鐵路的應(yīng)用前景研究[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2013（4）：47-50.

[10] 陳明亮. 組合式同相供電系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析[D]. 西南交通大學(xué)，2015.

[11] 李群湛，賀建閩，解紹鋒. 電氣化鐵路電能質(zhì)量分析與控制[M]. 成都：西南交通大學(xué)出版社，2011.

[12] 范紅靜. 電氣化鐵路雙邊供電系統(tǒng)性能分析[D]. 西南交通大學(xué)，2013.

[13] 于立君，郝利光. 工程經(jīng)濟(jì)學(xué)（第2版）[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：99-114.

[14] 蔡雨昌，解紹鋒，譚磊，等. 單-三相組合式同相供電牽引變電所可靠性評估[J]. 電氣化鐵道，2016，27（2）：10-15.

With connection of technical characteristics of single three phase combined type co-phase power supply system, and on the basis of existing tested data of traction loads of out phase traction power supply system, the researches are made for the scheme for reconstruction of existing traction power supply system line. The calculation and configuration are made for capacities of traction transformers and compensation devices by implementing two schemes of “adopting of combined type co-phase power supply technology without connecting through the whole line” and “adopting of combined type co-phase power supply technology and new type of bilateral power supply technology with connecting through the whole line”. Analysis and comparison are made for the differences between the two schemes in terms of installation capacity, and the analysis is still made for the economical efficiency for reconstruction of existing line by adopting of co-phase power supply, technology on the basis of the investment payback period indicator in the engineering economics, providing references for promoting and application of the through type co-phase power supply system.

Combined type co-phase power supply technology; new type bilateral power supply technology; through type co-phase power supply system; capacity for compensation; engineering economic efficiency

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.06.005

U223.6

A

1007-936X(2018)06-0024-05

2018-03-16

李銷鍵，蔣 俊.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，碩士研究生；

解紹鋒.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，教授。