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(jiān)，張 宇，楊嘉琛

0 引言

我國(guó)從20世紀(jì)50年代開(kāi)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(guó)電氣化鐵路里程已超過(guò)10萬(wàn)km，電氣化率超過(guò)了73%。我國(guó)的電氣化鐵路一直采用單邊供電，通過(guò)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(wú)法在各供電臂之間轉(zhuǎn)移，牽引變電所通過(guò)供電臂輪換相序降低對(duì)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(gè)方面提出合理方案。通過(guò)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(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者開(kāi)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(jì)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(duì)于我國(guó)鐵路的適用性。另一方面，基于牽引負(fù)荷波動(dòng)的強(qiáng)隨機(jī)性，研究利用電氣化鐵路再生制動(dòng)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(duì)接觸網(wǎng)貫通后對(duì)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(duì)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(duì)牽引供電系統(tǒng)損耗影響

為了分析接觸網(wǎng)貫通后對(duì)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(shí)接觸網(wǎng)損耗變化情況，列車(chē)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(zhǎng)度按照25 km進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同追蹤間隔下單雙邊供電接觸網(wǎng)損耗對(duì)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(duì)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(duì)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(huì)增大，不僅影響接地安全，也對(duì)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(yùn)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(duì)于既有運(yùn)行項(xiàng)目將對(duì)接地系統(tǒng)產(chǎn)生較大的影響。

1.3 接觸網(wǎng)貫通供電對(duì)負(fù)序影響

我國(guó)對(duì)三相不平衡度標(biāo)準(zhǔn)有以下規(guī)定：若公共連接點(diǎn)連接有多個(gè)用戶(hù)，每個(gè)用戶(hù)引起該點(diǎn)負(fù)序電壓不平衡度允許值一般為1.3%，短時(shí)不超過(guò)2.6%。對(duì)于110 kV電源，短路容量一般為1 000～2 000 MV·A；對(duì)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(gè)地方變電站允許接入變電所數(shù)量見(jiàn)表3?？梢钥闯觯?fù)序是制約多所接觸網(wǎng)貫通運(yùn)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(duì)接觸網(wǎng)壓降、載流能力影響

接觸網(wǎng)貫通后列車(chē)取電將由線路上貫通的多個(gè)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(chē)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(zhǎng)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(jì)算結(jié)果見(jiàn)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(gè)供電臂時(shí)，載流能力沒(méi)有大的改善，而當(dāng)追蹤間隔大于一個(gè)供電臂時(shí)則效果明顯。

表4 接觸網(wǎng)貫通運(yùn)行對(duì)接觸網(wǎng)壓降、載流能力影響

1.5 接觸網(wǎng)貫通對(duì)電磁環(huán)網(wǎng)電流影響

設(shè)計(jì)試驗(yàn)驗(yàn)證接觸網(wǎng)貫通供電后電磁環(huán)網(wǎng)對(duì)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(guò)架空輸電線路連接，系統(tǒng)主要參數(shù)見(jiàn)表5。

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

接觸網(wǎng)貫通運(yùn)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(guò)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(yùn)行時(shí)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(yùn)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)電流較小；（2）牽引供電系統(tǒng)為單相牽引模式，無(wú)法通過(guò)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(guò)接觸網(wǎng)進(jìn)行轉(zhuǎn)移；（3）通常鐵路運(yùn)營(yíng)方與電網(wǎng)公司是 2個(gè)獨(dú)立產(chǎn)權(quán)單位實(shí)體，通過(guò)用戶(hù)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(dòng)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(dòng)返送電流，將造成鐵路運(yùn)營(yíng)方的運(yùn)營(yíng)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(lái)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(shí)，基本可認(rèn)為沒(méi)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(shí)間內(nèi)產(chǎn)

圖2 牽引網(wǎng)貫通運(yùn)行示意圖

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

1.6 接觸網(wǎng)貫通對(duì)再生能利用影響

電氣化鐵路的牽引變電所電費(fèi)采用代數(shù)和計(jì)費(fèi)方式，且計(jì)量方式、效果不受牽引供電系統(tǒng)是否貫通運(yùn)行的影響。接觸網(wǎng)貫通運(yùn)行僅僅實(shí)現(xiàn)了再生制動(dòng)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(yùn)行后，再生制動(dòng)功率傳遞將會(huì)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(dòng)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(yùn)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(méi)有負(fù)荷時(shí)，列車(chē)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(yùn)行后再生能利用是否提升與各供電臂內(nèi)列車(chē)運(yùn)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(yùn)行前后再生能對(duì)比。

圖3 兩座牽引變電所貫通運(yùn)行再生制動(dòng)能量利用示意圖

圖4 13 min追蹤間隔下?tīng)恳冸娝隹谔幗佑|網(wǎng)電流

圖5 18min追蹤間隔下?tīng)恳冸娝隹诮佑|網(wǎng)電流

從圖4、圖5中可以看出，接觸網(wǎng)貫通運(yùn)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(dòng)能量同行車(chē)之間吸收也不同。對(duì)運(yùn)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(duì)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(wèn)題。

1.7 接觸網(wǎng)貫通對(duì)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(wú)法快速消納新能源，將造成新能源通過(guò)牽引系統(tǒng)返送電力系統(tǒng)，因此接觸網(wǎng)貫通運(yùn)行將有利于新能源消納。同時(shí)由于功率需求在貫通接觸網(wǎng)上受變電所分布和列車(chē)運(yùn)行位置影響，時(shí)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(chē)負(fù)荷需求功率的傳輸網(wǎng)。由于通過(guò)牽引變電所向電力系統(tǒng)返送不計(jì)的計(jì)費(fèi)政策，自然潮流分配難以保障新能源與列車(chē)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(yùn)營(yíng)成本。

1.8 接觸網(wǎng)貫通對(duì)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(duì)于貫通運(yùn)行接觸網(wǎng)，當(dāng)接觸網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，由于雙邊或多邊供電，需要變革保護(hù)切除方式，同時(shí)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(guò)上文分析可以看出，接觸網(wǎng)貫通運(yùn)行后對(duì)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(yùn)營(yíng)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^(guò)在變電所內(nèi)加裝電力電子設(shè)備，解決、優(yōu)化上述問(wèn)題。電力電子設(shè)備具有以下優(yōu)勢(shì)：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(shí)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(zhǎng)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(shì)，提出一種接觸網(wǎng)貫通供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，見(jiàn)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(guò) 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(guò)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(yùn)行中控制 TP3的輸出電壓。通過(guò)這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)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(duì)表8中的供電品質(zhì)需要優(yōu)化的結(jié)果見(jiàn)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(yùn)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?，列車(chē)電流由相鄰的2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(guò)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(jiàn)圖8?？梢钥闯?，相對(duì)于圖4（b）貫通運(yùn)營(yíng)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(guò)以上仿真，驗(yàn)證了通過(guò)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(shí)調(diào)節(jié)潮流可以實(shí)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(yǔ)

本文分析了接觸網(wǎng)貫通供電對(duì)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(guò)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(xiàng)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(wèn)題的關(guān)鍵，提出一種規(guī)避劣勢(shì)，保留優(yōu)勢(shì)的貫通供電技術(shù)方案，并針對(duì)再生能利用率進(jìn)行潮流控制仿真驗(yàn)證，驗(yàn)證了所提方案的可行性和有效性。對(duì)于容量配置、潮流控制策略、保護(hù)控制問(wèn)題，將是下一步工程化實(shí)施需進(jìn)一步研究的內(nèi)容。