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(huán)境保護等方面，具有巨大的優(yōu)越性和發(fā)展?jié)摿ΑＮ覈鵂恳╇娤到y(tǒng)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(tǒng)均采用架空接觸網(wǎng)供電方式向列車供電[1]。由于牽引供電系統(tǒng)與公用電網(wǎng)間存在供電制式差異，為保證電網(wǎng)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(shè)置電分相，而牽引變壓器接線型式不同導致大多數(shù)牽引變電所出口處也需設(shè)置電分相[2]。交流牽引供電系統(tǒng)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(jié)構(gòu)中存在無電區(qū)，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(chǎn)生的再生制動能量僅能在供電臂內(nèi)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(zhuǎn)移及相互支援，互聯(lián)互通程度低，功率無法融通。電分相的存在使牽引供電系統(tǒng)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(xiàn)電能的高效利用和鐵路企業(yè)利益最大化等問題，牽引供電系統(tǒng)對能源的綜合利用率仍存在較大優(yōu)化空間。隨著新能源技術(shù)快速發(fā)展，新能源接入牽引供電系統(tǒng)成為未來發(fā)展趨勢，目前牽引供電系統(tǒng)架構(gòu)難以滿足新能源接入對滲透率、運行穩(wěn)定性的要求。

解決上述問題需打破既有供電格式，構(gòu)建新型牽引供電模式。新型牽引供電技術(shù)需實現(xiàn)供電臂之間功率融通，實現(xiàn)牽引側(cè)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(xié)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(shù)與信息技術(shù)的深度融合，構(gòu)建一體化、智能化的鐵路牽引供電系統(tǒng)能源技術(shù)體系。

1 網(wǎng)絡(luò)化牽引供電系統(tǒng)

1.1 網(wǎng)絡(luò)化牽引供電系統(tǒng)架構(gòu)

目前，國際鐵路領(lǐng)域?qū)涣麟姎饣F路網(wǎng)絡(luò)化牽引供電系統(tǒng)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(shù)，實現(xiàn)了牽引變電所兩側(cè)供電臂功率融通[3]；德國采用自有的外部電源系統(tǒng)實現(xiàn)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(nèi)，西南交通大學進行了同相供電技術(shù)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(xiàn)工程化應用[7]。雖然國內(nèi)對交流電氣化鐵路網(wǎng)絡(luò)化牽引供電相關(guān)研究同樣處于起步階段，但在電力系統(tǒng)和電力電子領(lǐng)域均發(fā)展了許多值得借鑒的技術(shù)。國家電網(wǎng)近年來進行了大規(guī)模的智能電網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)、微電網(wǎng)等先進技術(shù)研究[8]，并結(jié)合柔性電力電子技術(shù)發(fā)展實現(xiàn)了諸多工程應用。

結(jié)合目前牽引供電系統(tǒng)存在的諸多限制，需提出以智能、綠色、柔性為技術(shù)特征，運用柔性電力電子與人工智能技術(shù)，突出信息技術(shù)與電力電子技術(shù)緊密結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)化牽引供電系統(tǒng)，如圖1 所示。從目標功能來看，網(wǎng)絡(luò)化牽引供電系統(tǒng)應能實現(xiàn)使多座牽引變電所向列車協(xié)同供電，使二者間達到最優(yōu)匹配關(guān)系，并通過“源-網(wǎng)-荷-儲”協(xié)同的網(wǎng)絡(luò)化、智能化、高能效等特點實現(xiàn)牽引網(wǎng)功率融通，進而實現(xiàn)牽引供電系統(tǒng)功率可控與可傳遞，改善供電品質(zhì)，變革牽引供電系統(tǒng)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(wǎng)融合的網(wǎng)絡(luò)化牽引供電系統(tǒng)

1.2 網(wǎng)絡(luò)化牽引供電系統(tǒng)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(huán)網(wǎng)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(tǒng)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(tǒng)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(wǎng)絡(luò)化供電的形態(tài)分為不控型、半控型、全控型，基本拓撲結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)化牽引供電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

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(tǒng)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(tǒng)中存在的供電孤島問題進行網(wǎng)絡(luò)化牽引供電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)研究。

不控型網(wǎng)絡(luò)化供電即供電臂上的潮流根據(jù)相鄰變電所自主進行分配，適用于特殊工況下網(wǎng)絡(luò)化供電。其主要缺點：受電網(wǎng)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(tǒng)可靠性較低；受負序標準規(guī)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(xiàn)再生能利用、節(jié)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(cè)的連接，短路電流不可控制，短路電流較傳統(tǒng)供電方式有較大幅度增長，需要對接地系統(tǒng)進行重新校驗和設(shè)計。

半控型網(wǎng)絡(luò)化供電即供電臂上潮流根據(jù)相鄰變電所可實現(xiàn)部分控制、部分兼顧清潔能源接入，但僅能通過一側(cè)變流設(shè)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(cè)可實現(xiàn)斷路器快速跳閘并縮短故障影響范圍，能夠利用現(xiàn)有的故障判斷方案。

全控型網(wǎng)絡(luò)化供電即供電臂上潮流可實現(xiàn)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(xiàn)牽引功率融通的角度出發(fā)，既有牽引供電系統(tǒng)可從高壓側(cè)、變換側(cè)、低壓側(cè)三個角度進行優(yōu)化。高壓側(cè)網(wǎng)絡(luò)化即各牽引所間高壓電源形成聯(lián)絡(luò)，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(cè)網(wǎng)絡(luò)化即通過新型牽引變流裝置實現(xiàn)功率融通（如交直交變電所、電力電子變壓器等）；低壓側(cè)網(wǎng)絡(luò)化即牽引變電所間實現(xiàn)雙邊供電。由于我國牽引變電所外部電源主要由國家電網(wǎng)變電站提供，受政策因素影響較多，若直接在牽引網(wǎng)末端并聯(lián)會導致上級電網(wǎng)出現(xiàn)環(huán)形供電格局，引起電磁環(huán)網(wǎng)等問題，因此高壓側(cè)、低壓側(cè)網(wǎng)絡(luò)化供電的實現(xiàn)需電力部門配合。

2 全控型牽引變壓器拓撲結(jié)構(gòu)研究

依據(jù)既有部分電氣化鐵路測試數(shù)據(jù)，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(wǎng)絡(luò)化供電模式能夠降低供電區(qū)段內(nèi)的接觸網(wǎng)平均電流及損耗。結(jié)合牽引變電所供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（圖4），在理想狀態(tài)下，若L1產(chǎn)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(diào)節(jié)供電區(qū)間兩側(cè)變電所的出口電壓，能夠調(diào)節(jié)每座牽引變電所饋線電流值，實現(xiàn)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(tǒng)的牽引變壓器，為了平衡負序和節(jié)能，需針對牽引變電所全控型網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)化供電結(jié)構(gòu)

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(cè)入手，通過內(nèi)部拓撲結(jié)構(gòu)研究實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化供電特性。對于不控型拓撲結(jié)構(gòu)型式，變換側(cè)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(jié)構(gòu)型式，在變換側(cè)引入電力電子變流設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)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(jié)合Scott 平衡牽引變壓器主接線設(shè)置情況，本文基于PWM變流器提出串聯(lián)調(diào)節(jié)型網(wǎng)絡(luò)化供電拓撲結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(cè)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，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(gòu)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(lián)變壓器輸出電壓，可由交直交變流器調(diào)節(jié)電壓U2的幅值及相位。

圖5 基于PWM 變流器的串聯(lián)調(diào)節(jié)型網(wǎng)絡(luò)化供電拓撲

基于PWM變流器的串聯(lián)調(diào)節(jié)型網(wǎng)絡(luò)化供電拓撲結(jié)構(gòu)能夠接入任意電壓等級，對電力系統(tǒng)的負序影響較小，在牽引變電所出口可不設(shè)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(wǎng)損耗方面均有一定提升。

3 串聯(lián)調(diào)節(jié)型網(wǎng)絡(luò)化供電系統(tǒng)潮流仿真分析

基于PWM變流器的串聯(lián)調(diào)節(jié)型網(wǎng)絡(luò)化供電拓撲結(jié)構(gòu)搭建牽引供電系統(tǒng)仿真模型，形成兩座牽引所區(qū)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(shè)定為27.5 kV，空載時兩側(cè)電壓同相位；牽引變電所內(nèi)基于PWM 變流器結(jié)構(gòu)形成的調(diào)整電壓為U2、U2'，設(shè)置范圍為0～2 kV，電壓幅值及相位均可實現(xiàn)主動調(diào)節(jié)；兩座牽引變電所間供電臂內(nèi)機車負載等效為電流源。

圖6 基于PWM 變流器的串聯(lián)調(diào)節(jié)型網(wǎng)絡(luò)化供電系統(tǒng)模型

3.1 調(diào)節(jié)電壓U2 對牽引潮流影響分析

假設(shè)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(diào)節(jié)兩座牽引變電所串聯(lián)調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)能力的指標。利用遺傳算法求解出不同U2max下P1/Pload的調(diào)節(jié)范圍并繪制曲線，如圖7 所示。

圖7 系統(tǒng)牽引潮流調(diào)節(jié)范圍與PWM 模塊電壓關(guān)系曲線

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

3.2 不同負載條件影響分析

針對機車負載對系統(tǒng)潮流調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)范圍，繪制出不同負載條件下的P1/Pload調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)能力不同?？傮w上，當PWM 模塊輸出電壓在1 800 V 以內(nèi)，均能夠在較大范圍調(diào)節(jié)牽引供電系統(tǒng)潮流分布，達到負荷均衡與再生電能調(diào)控目的。

圖8 基于不同負載條件下的牽引潮流調(diào)節(jié)范圍與PWM 模塊電壓關(guān)系曲線

3.3 典型工況仿真驗證

在牽引工況下，假設(shè)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(jié)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(wǎng)絡(luò)化牽引供電系統(tǒng)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(shè)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(jié)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(wǎng)絡(luò)化牽引供電系統(tǒng)電壓及電流曲線（再生制動工況）

4 結(jié)論與展望

網(wǎng)絡(luò)化牽引供電系統(tǒng)能夠解決常規(guī)牽引供電技術(shù)發(fā)展中存在的供電格式化、供用電需求匹配等問題，實現(xiàn)牽引供電系統(tǒng)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(xù)提升電能利用可靠性、高效性、經(jīng)濟性，對我國電氣化鐵路的供電品質(zhì)、節(jié)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(xiàn)方式，從牽引變電所變換側(cè)入手，提出了基于PWM 變流器的調(diào)節(jié)型網(wǎng)絡(luò)化牽引供電拓撲結(jié)構(gòu)，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(diào)節(jié)牽引變電所間潮流分布，實現(xiàn)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(xù)研究工作中，網(wǎng)絡(luò)化牽引供電系統(tǒng)實現(xiàn)方案應結(jié)合供電臂內(nèi)的負載動態(tài)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(chǔ)上進一步優(yōu)化信息孤島，提升網(wǎng)絡(luò)化供電綜合效能并優(yōu)化工程化應用條件。