調節型網絡化牽引供電系統拓撲結構研究

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，在減少對化石能源依賴、提高鐵路運輸能力、降低鐵路運營成本及環境保護等方面，具有巨大的優越性和發展潛力。我國牽引供電系統采用25 kV單相工頻交流供電制式，交流電力牽引供電鐵路運輸系統均采用架空接觸網供電方式向列車供電[1]。由于牽引供電系統與公用電網間存在供電制式差異，為保證電網三相平衡，電氣化鐵路多采用輪換相序接入，并在相鄰供電臂間設置電分相，而牽引變壓器接線型式不同導致大多數牽引變電所出口處也需設置電分相[2]。交流牽引供電系統以牽引變電所和供電臂為單元獨立運行，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，其結構中存在無電區，使列車運行工況和行駛速度均受到一定程度影響。列車運行時產生的再生制動能量僅能在供電臂內進行消納，難以得到充分利用，牽引功率也無法在不同供電臂之間轉移及相互支援，互聯互通程度低，功率無法融通。電分相的存在使牽引供電系統形成了“井”字型格式化供電格局，即供電孤島。因此，當前的交流電氣化鐵路存在如何實現電能的高效利用和鐵路企業利益最大化等問題，牽引供電系統對能源的綜合利用率仍存在較大優化空間。隨著新能源技術快速發展，新能源接入牽引供電系統成為未來發展趨勢，目前牽引供電系統架構難以滿足新能源接入對滲透率、運行穩定性的要求。

解決上述問題需打破既有供電格式，構建新型牽引供電模式。新型牽引供電技術需實現供電臂之間功率融通，實現牽引側功率（電能）的可傳遞、可控，為多牽引變電所按運行圖對列車精準協同供電、高效率多能供應與應用提供依托，為新能源消納提供便利的接入途徑，推進能源技術與信息技術的深度融合，構建一體化、智能化的鐵路牽引供電系統能源技術體系。

1 網絡化牽引供電系統

1.1 網絡化牽引供電系統架構

目前，國際鐵路領域對交流電氣化鐵路網絡化牽引供電系統的概念仍未提出，與之類似研究較少：僅日本鐵路采用RPC 技術，實現了牽引變電所兩側供電臂功率融通[3]；德國采用自有的外部電源系統實現同相供電，但仍然按照供電臂為單元進行劃分[4]；俄羅斯采用雙邊供電，兩座牽引所之間為一個供電單元[5]。在國內，西南交通大學進行了同相供電技術研究[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現工程化應用[7]。雖然國內對交流電氣化鐵路網絡化牽引供電相關研究同樣處于起步階段，但在電力系統和電力電子領域均發展了許多值得借鑒的技術。國家電網近年來進行了大規模的智能電網、能源互聯網、微電網等先進技術研究[8]，并結合柔性電力電子技術發展實現了諸多工程應用。

結合目前牽引供電系統存在的諸多限制，需提出以智能、綠色、柔性為技術特征，運用柔性電力電子與人工智能技術，突出信息技術與電力電子技術緊密結合的網絡化牽引供電系統，如圖1 所示。從目標功能來看，網絡化牽引供電系統應能實現使多座牽引變電所向列車協同供電，使二者間達到最優匹配關系，并通過“源-網-荷-儲”協同的網絡化、智能化、高能效等特點實現牽引網功率融通，進而實現牽引供電系統功率可控與可傳遞，改善供電品質，變革牽引供電系統能力配置原則，大幅提高供電能力與行車組織的適配性。

圖1 基于三網融合的網絡化牽引供電系統

1.2 網絡化牽引供電系統運行模式

由于電氣化鐵路采用同相單邊供電，當采用貫通同相供電時，需要首先解決負序和牽引變電所之間連通造成的電磁環網等問題。同時，電氣化鐵路牽引負荷存在波動性、再生制動能量間歇性、新能源接入的供電波動性，為了提高再生制動能量在相鄰兩座牽引變電所間吸收率、牽引供電系統能源自洽率、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，提升整個牽引供電系統能源利用率，僅僅靠牽引變電所之間功率自然非受控潮流流動難以達到上述效果。因此，從能夠控制的牽引變電所間潮流流動角度，可將網絡化供電的形態分為不控型、半控型、全控型，基本拓撲結構如圖2 所示。

圖2 網絡化牽引供電系統拓撲結構

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單相工頻25 kV 供電制式不變，針對我國目前單相交流制牽引供電系統中存在的供電孤島問題進行網絡化牽引供電系統拓撲結構研究。

不控型網絡化供電即供電臂上的潮流根據相鄰變電所自主進行分配，適用于特殊工況下網絡化供電。其主要缺點：受電網政策影響大，不滿足高速鐵路相鄰兩座牽引所外部電源不來自同一座上級變電站的要求，供電系統可靠性較低；受負序標準規定局限，牽引變壓器的容量不宜過大，同時由于潮流不可控制，不宜平衡新能源、再生能、牽引負荷在所間的潮流流動，難以實現再生能利用、節能、新能源滲透率等方面的控制策略；由于直接進行了27.5 kV 側的連接，短路電流不可控制，短路電流較傳統供電方式有較大幅度增長，需要對接地系統進行重新校驗和設計。

半控型網絡化供電即供電臂上潮流根據相鄰變電所可實現部分控制、部分兼顧清潔能源接入，但僅能通過一側變流設備進行潮流控制，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，供電臂一側可實現斷路器快速跳閘并縮短故障影響范圍，能夠利用現有的故障判斷方案。

全控型網絡化供電即供電臂上潮流可實現全部控制并兼顧清潔能源接入，但涉及電力電子器件壽命、大容量運行可靠性因素影響，建議先行應用在200 km/h 以下城際鐵路。

而從實現牽引功率融通的角度出發，既有牽引供電系統可從高壓側、變換側、低壓側三個角度進行優化。高壓側網絡化即各牽引所間高壓電源形成聯絡，如采用一對多供電方式，各變電所間外部電源手拉手；變換側網絡化即通過新型牽引變流裝置實現功率融通（如交直交變電所、電力電子變壓器等）；低壓側網絡化即牽引變電所間實現雙邊供電。由于我國牽引變電所外部電源主要由國家電網變電站提供，受政策因素影響較多，若直接在牽引網末端并聯會導致上級電網出現環形供電格局，引起電磁環網等問題，因此高壓側、低壓側網絡化供電的實現需電力部門配合。

2 全控型牽引變壓器拓撲結構研究

依據既有部分電氣化鐵路測試數據，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，網絡化供電模式能夠降低供電區段內的接觸網平均電流及損耗。結合牽引變電所供電網絡結構（圖4），在理想狀態下，若L1產生的再生制動能量能夠全部被L2吸收，則牽引變電所1可不輸出功率。由疊加定理可知，通過調節供電區間兩側變電所的出口電壓，能夠調節每座牽引變電所饋線電流值，實現所間牽引潮流控制目標，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，效率不及傳統的牽引變壓器，為了平衡負序和節能，需針對牽引變電所全控型網絡化供電開展新的研究。

圖3 單邊供電/貫通供電模式饋線電流對比曲線

圖4 牽引變電所網絡化供電結構

式中：U1、U2表示相鄰兩座牽引變電所的出口電壓，I表示機車電流，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入手，通過內部拓撲結構研究實現網絡化供電特性。對于不控型拓撲結構型式，變換側僅作為電能傳輸通路，無法控制電能及為新能源提供通路。針對半控型和全控型拓撲結構型式，在變換側引入電力電子變流設備能夠實現潮流控制功能，并通過限制短路電流減小故障影響范圍，但傳輸效率相對于不控型有所降低。

結合Scott 平衡牽引變壓器主接線設置情況，本文基于PWM變流器提出串聯調節型網絡化供電拓撲結構，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。該拓撲結構理論上可以適應任何速度等級線路，通過平衡變壓器二次側串聯結構，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為串聯變壓器輸出電壓，可由交直交變流器調節電壓U2的幅值及相位。

圖5 基于PWM 變流器的串聯調節型網絡化供電拓撲

基于PWM變流器的串聯調節型網絡化供電拓撲結構能夠接入任意電壓等級，對電力系統的負序影響較小，在牽引變電所出口可不設置電分相，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損耗方面均有一定提升。

3 串聯調節型網絡化供電系統潮流仿真分析

基于PWM變流器的串聯調節型網絡化供電拓撲結構搭建牽引供電系統仿真模型，形成兩座牽引所區間供電格局，如圖6 所示。牽引變電所變壓器的輸出額定電壓為U1、U1'，設定為27.5 kV，空載時兩側電壓同相位；牽引變電所內基于PWM 變流器結構形成的調整電壓為U2、U2'，設置范圍為0～2 kV，電壓幅值及相位均可實現主動調節；兩座牽引變電所間供電臂內機車負載等效為電流源。

圖6 基于PWM 變流器的串聯調節型網絡化供電系統模型

3.1 調節電壓U2 對牽引潮流影響分析

假設牽引變電所間供電臂長度L1、L2均為25 km，機車負載功率Pload= 9.6 MW，牽引變壓器T座輸出電壓U1=U1'= 27.5 kV。通過調節兩座牽引變電所串聯調節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占總負荷Pload的比例P1/Pload作為評估潮流調節能力的指標。利用遺傳算法求解出不同U2max下P1/Pload的調節范圍并繪制曲線，如圖7 所示。

圖7 系統牽引潮流調節范圍與PWM 模塊電壓關系曲線

由圖7 可以看出，牽引變電所輸出電壓的調節范圍與U2max呈線性相關，且當U2max≤1 750 V時，P1/Pload范圍已經接近0～100%，即能夠通過串聯PWM 模塊實現牽引功率全范圍調節。

3.2 不同負載條件影響分析

針對機車負載對系統潮流調節能力的影響，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可調節范圍，繪制出不同負載條件下的P1/Pload調節范圍，如圖8 所示。

由圖8 可以看出，不同負載下的負載潮流調節能力不同。總體上，當PWM 模塊輸出電壓在1 800 V 以內，均能夠在較大范圍調節牽引供電系統潮流分布，達到負荷均衡與再生電能調控目的。

圖8 基于不同負載條件下的牽引潮流調節范圍與PWM 模塊電壓關系曲線

3.3 典型工況仿真驗證

在牽引工況下，假設牽引變電所間供電臂長度L1、L2均為25 km，機車負載功率Pload= 9.6 MW，牽引變壓器T 座輸出電壓U1、U1'為27.5 kV。仿真結果如圖9 所示。在0.2 s 時，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，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 網絡化牽引供電系統電壓及電流曲線（牽引工況）

通過圖9 可以看出，牽引變電所1 向負載提供的電流相應增大，由此驗證了在牽引工況下，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。

在再生制動工況下，假設牽引變電所間供電臂長度L1、L2均為25 km，機車負載功率Pload= 9.6 MW，牽引變壓器T座輸出電壓U1、U1'為27.5 kV。仿真結果如圖10 所示。在0.2 s 時，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，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）。

通過圖10 可以看出，牽引變電所1 向負載提供的牽引電流相應減小，由此驗證了在再生制動工況下，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 網絡化牽引供電系統電壓及電流曲線（再生制動工況）

4 結論與展望

網絡化牽引供電系統能夠解決常規牽引供電技術發展中存在的供電格式化、供用電需求匹配等問題，實現牽引供電系統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，持續提升電能利用可靠性、高效性、經濟性，對我國電氣化鐵路的供電品質、節能降耗具有重要意義。

本文通過對牽引功率融通可行性及實現方式，從牽引變電所變換側入手，提出了基于PWM 變流器的調節型網絡化牽引供電拓撲結構，并通過計算與仿真驗證分析了PWM變流器輸出電壓幅值與相位實時調節牽引變電所間潮流分布，實現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。在后續研究工作中，網絡化牽引供電系統實現方案應結合供電臂內的負載動態特性與繼電保護配置等方面進行深入分析，在供電孤島解決的基礎上進一步優化信息孤島，提升網絡化供電綜合效能并優化工程化應用條件。