智慧，袁勇，李劍，楊雪淞

（中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031）

雙邊供電模式下高速鐵路AT供電系統(tǒng)供電能力計(jì)算與分析

智慧，袁勇，李劍，楊雪淞

（中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031）

俄羅斯高鐵項(xiàng)目是“一帶一路”倡議的重要組成部分，與我國(guó)單邊供電模式不同，其牽引供電系統(tǒng)采用雙邊供電的AT供電方式。雙邊供電模式將直接影響牽引供電系統(tǒng)內(nèi)部的功率潮流分布和主要供電設(shè)備容量的選取。在構(gòu)建高速鐵路AT供電系統(tǒng)雙邊供電模式下?tīng)恳╇姺抡婺Ｐ偷幕A(chǔ)上，研究功率潮流分布特性，給出牽引變壓器容量分配、牽引網(wǎng)電壓損失、牽引網(wǎng)各導(dǎo)線電流分布和電能損失的計(jì)算結(jié)果并分析主要影響因素，為雙邊供電模式下的牽引供電方案設(shè)計(jì)提供重要基礎(chǔ)。

俄羅斯高速鐵路；AT供電；雙邊供電；建模；仿真

0 引言

作為“一帶一路”倡議的重要組成部分，俄羅斯高鐵項(xiàng)目采用400 km時(shí)速等級(jí)，是我國(guó)鐵路“走出去”項(xiàng)目中速度最高的鐵路，代表了我國(guó)在高速鐵路設(shè)計(jì)方面的國(guó)際領(lǐng)先水平。與我國(guó)普遍采用的單邊供電不同，俄羅斯高鐵牽引供電系統(tǒng)采用雙邊供電的AT供電方式。由于雙邊供電模式下?tīng)恳╇娤到y(tǒng)內(nèi)部的功率潮流分布與單邊供電模式下差異顯著，直接影響主要供電設(shè)備容量和導(dǎo)線載流能力的選取[1-2]。

我國(guó)電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)一直采用單邊供電方式，主要是由我國(guó)電力系統(tǒng)管理模式?jīng)Q定的。我國(guó)電力系統(tǒng)要求高壓環(huán)網(wǎng)、低壓解網(wǎng)、呈樹(shù)狀供電。隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，我國(guó)已形成以500 kV線路為骨架、省間220 kV線路為主干通道的輸變電網(wǎng)絡(luò)。隨著高速鐵路發(fā)展的需求及技術(shù)不斷進(jìn)步，電力系統(tǒng)管理模式也是可以打破的，為實(shí)行雙邊供電提供了條件[3]。

因此，構(gòu)建雙邊供電模式下高速鐵路牽引供電系統(tǒng)仿真模型，開(kāi)展?fàn)恳╇娔芰τ?jì)算與分析，為供電方案優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。

1 雙邊供電模式AT供電系統(tǒng)建模

目前包括俄羅斯在內(nèi)的前蘇聯(lián)國(guó)家電氣化鐵路主要采用雙邊供電模式，在外部電源供電條件允許的情況下，可有效提升牽引供電能力。典型的交流雙邊供電模式下的AT供電方式示意見(jiàn)圖1。

圖1 AT全并聯(lián)雙邊供電示意圖

作為牽引供電設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，基于“車(chē)-網(wǎng)”耦合交互仿真原理，采用OPEN TRACK和OPEN POWERNET軟件平臺(tái)，構(gòu)建牽引供電系統(tǒng)仿真模型。該軟件可以完成列車(chē)牽引仿真計(jì)算和牽引供電系統(tǒng)電力負(fù)荷計(jì)算功能，以牽引網(wǎng)絡(luò)阻抗計(jì)算為基礎(chǔ)，形成多節(jié)點(diǎn)等效網(wǎng)絡(luò)模型，結(jié)合時(shí)域潮流迭代計(jì)算方法，定量分析牽引供電網(wǎng)絡(luò)的功率潮流分布。OPEN軟件牽引供電系統(tǒng)仿真模型的輸入和輸出界面分別見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 OPEN軟件牽引供電系統(tǒng)仿真模型輸入界面

圖3 OPEN軟件牽引供電系統(tǒng)仿真模型輸出界面

2 牽引供電系統(tǒng)能力計(jì)算與仿真

2.1 基礎(chǔ)參數(shù)

牽引供電系統(tǒng)采用2×25 kV工頻交流制的AT全并聯(lián)雙邊供電方式，假設(shè)2個(gè)牽引變電所間供電區(qū)間全長(zhǎng)約80 km，區(qū)間內(nèi)設(shè)5處AT所，且等間隔分布，牽引變電所采用220 kV進(jìn)線電源，系統(tǒng)短路容量為1 500 MVA；動(dòng)車(chē)組額定牽引功率25 MW，功率因數(shù)0.95（滯后），按照5 min追蹤間隔連續(xù)運(yùn)行。

2.2 動(dòng)車(chē)組牽引計(jì)算結(jié)果

動(dòng)車(chē)組單列車(chē)運(yùn)行時(shí)上、下行的功率分布、電流曲線等相關(guān)牽引計(jì)算參數(shù)是牽引供電系統(tǒng)計(jì)算的基礎(chǔ)，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4—圖7及表1。

圖4 上行列車(chē)功率分布

圖5 下行列車(chē)功率分布

圖6 上行列車(chē)電流曲線

圖7 下行列車(chē)電流曲線

表1 全線牽引計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

2.3 牽引供電系統(tǒng)仿真結(jié)果

根據(jù)上述設(shè)計(jì)輸入進(jìn)行仿真計(jì)算，形成牽引網(wǎng)電氣網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)潮流計(jì)算，以時(shí)間為單步進(jìn)行仿真，網(wǎng)絡(luò)中的牽引計(jì)算是通過(guò)多次迭代運(yùn)算的結(jié)果，以展現(xiàn)電流、電壓和功率的分布（見(jiàn)圖8—圖14）。

3 不同供電模式下?tīng)恳╇娔芰?duì)比分析

為了與單邊供電模式對(duì)比分析，在雙邊供電模式牽引供電系統(tǒng)仿真模型的基礎(chǔ)上，同時(shí)建立單邊供電模式下的牽引供電系統(tǒng)仿真模型[4-6]，除線路中心的AT所換為分區(qū)所外，其他數(shù)據(jù)一致。

與單邊供電模式不同，雙邊供電模式下動(dòng)車(chē)組可以從相鄰牽引變電所同時(shí)獲取能量，理論上對(duì)牽引網(wǎng)電壓改善作用和降低牽引網(wǎng)電能損失效果較為明顯。以典型不對(duì)稱(chēng)負(fù)荷工況為例，分析不同供電模式對(duì)供電能力的影響。假設(shè)上行線路按照追蹤間隔運(yùn)行3列車(chē)，下行線路運(yùn)行1列車(chē)，上、下行負(fù)荷不對(duì)稱(chēng)情況下功率的和電壓分布見(jiàn)表2及圖15、圖16。

可見(jiàn)，雙邊供電時(shí)供電區(qū)段內(nèi)接觸網(wǎng)最低電壓約為22.2 kV，滿(mǎn)足接觸網(wǎng)最低電壓的限值要求（≥20 kV）；而單邊供電時(shí)，供電區(qū)段內(nèi)接觸網(wǎng)最低電壓僅為19.0 kV。雙邊供電模式對(duì)改善接觸網(wǎng)電壓效果顯著，較單邊供電模式可適當(dāng)延長(zhǎng)供電臂長(zhǎng)度，對(duì)減少牽引變電所的數(shù)量意義較大。

圖8 牽引變電所1供電臂牽引網(wǎng)各導(dǎo)線瞬時(shí)電流分布曲線

圖9 牽引變電所2供電臂牽引網(wǎng)各導(dǎo)線瞬時(shí)電流分布曲線

圖10 牽引變電所1供電臂牽引網(wǎng)各導(dǎo)線電流有效值分布曲線

圖11 牽引變電所2供電臂牽引網(wǎng)各導(dǎo)線電流有效值分布曲線

圖12 變電所間牽引網(wǎng)電壓水平分布曲線

圖13 牽引變電所1功率分布曲線

表2 不對(duì)稱(chēng)負(fù)荷下的牽引變電所功率分布

由表2可知，雙邊供電模型中各變電所提供的容量相對(duì)均衡，而在單邊供電模型中由于線路中心有分區(qū)所作為電氣隔離，導(dǎo)致在不對(duì)稱(chēng)排車(chē)情況下?tīng)恳冸娝?過(guò)負(fù)荷，而牽引變電所2容量利用不足，并且由于雙邊供電可以均衡牽引網(wǎng)各導(dǎo)線電流分布，故牽引網(wǎng)電能損失相對(duì)于單邊供電可降低約18%。

綜上所述，雙邊供電方案在任意時(shí)刻都可從兩側(cè)變壓器取流，可有效改善牽引網(wǎng)電流分布、提高牽引網(wǎng)電壓水平、降低牽引網(wǎng)電能損失、提高牽引網(wǎng)供電能力、延長(zhǎng)供電距離、減少牽引變電所設(shè)置數(shù)量，進(jìn)而減少50%接觸網(wǎng)電分相的設(shè)置數(shù)量，減小列車(chē)速度損失，增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性和安全性。

4 結(jié)論

（1）在OPEN TRACK和OPEN POWERNET仿真平臺(tái)的基礎(chǔ)上建立AT供電方式雙邊供電的仿真模型，通過(guò)仿真分析，得到雙邊供電下的電流、電壓、功率曲線。

圖14 牽引變電所2功率分布曲線

圖16 單邊供電時(shí)不對(duì)稱(chēng)負(fù)荷下的接觸網(wǎng)電壓分布

（2）高速鐵路采用AT供電方式時(shí)，在外部電源環(huán)流可包容的情況下，采用雙邊供電模式可進(jìn)一步提高供電能力，特別是對(duì)牽引網(wǎng)電壓有很好的改善作用，且牽引網(wǎng)電能損失也會(huì)減小，其主要原因是雙邊供電在任意時(shí)刻都可以從兩側(cè)變壓器取流，從而改變了牽引網(wǎng)中的電流分配。因此，基于“車(chē)-網(wǎng)”耦合的雙邊供電潮流分布計(jì)算與分析，將為我國(guó)高鐵“走出去”提供技術(shù)支持。

[1]李群湛，連級(jí)三，高仕斌. 高速鐵 路電氣化工程[M]. 成都：西南交通 大學(xué)出版社，2006.

[2]辛成山，張美娟．交流電氣化鐵 道雙邊供電研究[J]. 電氣化鐵道， 1998(3)：6-11．

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Calculation and Analysis of the Power Supply Capacity of the AT Power Supply System for High-Speed Railway under the Two-way Feeding Model

ZHI Hui，YUAN Yong，LI Jian，YANG Xuesong
（China Railway Eryuan Engineering Group Co Ltd，Chengdu Sichuan 610031，China）

The high-speed railway project in Russia is one of the most important projects for the Belt and Road initiative. Its power supply system is the two-way feeding AT system, which is different from that in China.The two-way feeding power supply system will decide the internal power fl ow distribution and the selection of the major devices. By building a model of the two-way feeding AT system, this paper studies its power fl ow distribution characteristics, calculates traction transformer capacity distribution, traction grid power loss, traction grid current distribution of each wire and energy loss, and analyzes the major in fl uencing factors. This research laid the foundation for the traction power supply system design under the two-way feeding model.

high-speed railway project in Russia；AT power supply；two-way feeding；model building；simulation

U223

A

1001-683X（2017）12-0066-06

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.12.066

智慧（1981—），女，高級(jí)工程師，碩士。 E-mail：38492233@qq.com

楊雪淞（1990—），男，助理工程師，碩士。 E-mail：972268017@qq.com

責(zé)任編輯 盧敏

2017-05-23

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