调节型网络化牵引供电系统拓扑结构研究

杨嘉琛，董志杰，周方圆，吴丽然

0 引言

电气化铁路能够综合利用能源，在减少对化石能源依赖、提高铁路运输能力、降低铁路运营成本及环境保护等方面，具有巨大的优越性和发展潜力。我国牵引供电系统采用25 kV单相工频交流供电制式，交流电力牵引供电铁路运输系统均采用架空接触网供电方式向列车供电[1]。由于牵引供电系统与公用电网间存在供电制式差异，为保证电网三相平衡，电气化铁路多采用轮换相序接入，并在相邻供电臂间设置电分相，而牵引变压器接线型式不同导致大多数牵引变电所出口处也需设置电分相[2]。交流牵引供电系统以牵引变电所和供电臂为单元独立运行，供电臂间功率不能融通，而电分相作为格式化供电的分界点，其结构中存在无电区，使列车运行工况和行驶速度均受到一定程度影响。列车运行时产生的再生制动能量仅能在供电臂内进行消纳，难以得到充分利用，牵引功率也无法在不同供电臂之间转移及相互支援，互联互通程度低，功率无法融通。电分相的存在使牵引供电系统形成了“井”字型格式化供电格局，即供电孤岛。因此，当前的交流电气化铁路存在如何实现电能的高效利用和铁路企业利益最大化等问题，牵引供电系统对能源的综合利用率仍存在较大优化空间。随着新能源技术快速发展，新能源接入牵引供电系统成为未来发展趋势，目前牵引供电系统架构难以满足新能源接入对渗透率、运行稳定性的要求。

解决上述问题需打破既有供电格式，构建新型牵引供电模式。新型牵引供电技术需实现供电臂之间功率融通，实现牵引侧功率（电能）的可传递、可控，为多牵引变电所按运行图对列车精准协同供电、高效率多能供应与应用提供依托，为新能源消纳提供便利的接入途径，推进能源技术与信息技术的深度融合，构建一体化、智能化的铁路牵引供电系统能源技术体系。

1 网络化牵引供电系统

1.1 网络化牵引供电系统架构

目前，国际铁路领域对交流电气化铁路网络化牵引供电系统的概念仍未提出，与之类似研究较少：仅日本铁路采用RPC 技术，实现了牵引变电所两侧供电臂功率融通[3]；德国采用自有的外部电源系统实现同相供电，但仍然按照供电臂为单元进行划分[4]；俄罗斯采用双边供电，两座牵引所之间为一个供电单元[5]。在国内，西南交通大学进行了同相供电技术研究[6]，并在成昆线眉山牵引变电所、温州S1 线市域铁路、山西中南部铁路沙峪牵引变电所等实现工程化应用[7]。虽然国内对交流电气化铁路网络化牵引供电相关研究同样处于起步阶段，但在电力系统和电力电子领域均发展了许多值得借鉴的技术。国家电网近年来进行了大规模的智能电网、能源互联网、微电网等先进技术研究[8]，并结合柔性电力电子技术发展实现了诸多工程应用。

结合目前牵引供电系统存在的诸多限制，需提出以智能、绿色、柔性为技术特征，运用柔性电力电子与人工智能技术，突出信息技术与电力电子技术紧密结合的网络化牵引供电系统，如图1 所示。从目标功能来看，网络化牵引供电系统应能实现使多座牵引变电所向列车协同供电，使二者间达到最优匹配关系，并通过“源-网-荷-储”协同的网络化、智能化、高能效等特点实现牵引网功率融通，进而实现牵引供电系统功率可控与可传递，改善供电品质，变革牵引供电系统能力配置原则，大幅提高供电能力与行车组织的适配性。

图1 基于三网融合的网络化牵引供电系统

1.2 网络化牵引供电系统运行模式

由于电气化铁路采用同相单边供电，当采用贯通同相供电时，需要首先解决负序和牵引变电所之间连通造成的电磁环网等问题。同时，电气化铁路牵引负荷存在波动性、再生制动能量间歇性、新能源接入的供电波动性，为了提高再生制动能量在相邻两座牵引变电所间吸收率、牵引供电系统能源自洽率、新能源在相邻两座牵引变电所间渗透率，降低牵引变电所的最大需量，提升整个牵引供电系统能源利用率，仅仅靠牵引变电所之间功率自然非受控潮流流动难以达到上述效果。因此，从能够控制的牵引变电所间潮流流动角度，可将网络化供电的形态分为不控型、半控型、全控型，基本拓扑结构如图2 所示。

图2 网络化牵引供电系统拓扑结构

本文以三相工频交流制式外部电源为前提，维持既有牵引供电系统单相工频25 kV 供电制式不变，针对我国目前单相交流制牵引供电系统中存在的供电孤岛问题进行网络化牵引供电系统拓扑结构研究。

不控型网络化供电即供电臂上的潮流根据相邻变电所自主进行分配，适用于特殊工况下网络化供电。其主要缺点：受电网政策影响大，不满足高速铁路相邻两座牵引所外部电源不来自同一座上级变电站的要求，供电系统可靠性较低；受负序标准规定局限，牵引变压器的容量不宜过大，同时由于潮流不可控制，不宜平衡新能源、再生能、牵引负荷在所间的潮流流动，难以实现再生能利用、节能、新能源渗透率等方面的控制策略；由于直接进行了27.5 kV 侧的连接，短路电流不可控制，短路电流较传统供电方式有较大幅度增长，需要对接地系统进行重新校验和设计。

半控型网络化供电即供电臂上潮流根据相邻变电所可实现部分控制、部分兼顾清洁能源接入，但仅能通过一侧变流设备进行潮流控制，控制幅度和能力受容量限制较大，IGBT 能够快速限制短路电流，供电臂一侧可实现断路器快速跳闸并缩短故障影响范围，能够利用现有的故障判断方案。

全控型网络化供电即供电臂上潮流可实现全部控制并兼顾清洁能源接入，但涉及电力电子器件寿命、大容量运行可靠性因素影响，建议先行应用在200 km/h 以下城际铁路。

而从实现牵引功率融通的角度出发，既有牵引供电系统可从高压侧、变换侧、低压侧三个角度进行优化。高压侧网络化即各牵引所间高压电源形成联络，如采用一对多供电方式，各变电所间外部电源手拉手；变换侧网络化即通过新型牵引变流装置实现功率融通（如交直交变电所、电力电子变压器等）；低压侧网络化即牵引变电所间实现双边供电。由于我国牵引变电所外部电源主要由国家电网变电站提供，受政策因素影响较多，若直接在牵引网末端并联会导致上级电网出现环形供电格局，引起电磁环网等问题，因此高压侧、低压侧网络化供电的实现需电力部门配合。

2 全控型牵引变压器拓扑结构研究

依据既有部分电气化铁路测试数据，绘制单边供电与贯通供电模式下的馈线电流曲线如图3 所示，可以看出，网络化供电模式能够降低供电区段内的接触网平均电流及损耗。结合牵引变电所供电网络结构（图4），在理想状态下，若L1产生的再生制动能量能够全部被L2吸收，则牵引变电所1可不输出功率。由叠加定理可知，通过调节供电区间两侧变电所的出口电压，能够调节每座牵引变电所馈线电流值，实现所间牵引潮流控制目标，如式（1）、式（2）所示。由于全控型的交直交变电所容量及投资较大，效率不及传统的牵引变压器，为了平衡负序和节能，需针对牵引变电所全控型网络化供电开展新的研究。

图3 单边供电/贯通供电模式馈线电流对比曲线

图4 牵引变电所网络化供电结构

式中：U1、U2表示相邻两座牵引变电所的出口电压，I表示机车电流，I1、I2表示相邻两座牵引变电所提供电流，d1、d2表示列车与牵引所间供电臂距离，d表示两座牵引变电所之间距离，R表示线路单位阻抗。

本文从牵引变电所变换侧入手，通过内部拓扑结构研究实现网络化供电特性。对于不控型拓扑结构型式，变换侧仅作为电能传输通路，无法控制电能及为新能源提供通路。针对半控型和全控型拓扑结构型式，在变换侧引入电力电子变流设备能够实现潮流控制功能，并通过限制短路电流减小故障影响范围，但传输效率相对于不控型有所降低。

结合Scott 平衡牵引变压器主接线设置情况，本文基于PWM变流器提出串联调节型网络化供电拓扑结构，如图5 所示，包含外部电源接口模块、牵引变压器模块、PWM 变流器模块、输出控制模块等。该拓扑结构理论上可以适应任何速度等级线路，通过平衡变压器二次侧串联结构，能够降低PWM 变流器容量。牵引变电所输出电压由TP1 绕组、TP2 绕组与PWM 变流器叠加构成，电压相量如图5 所示，其中U1为Scott 变压器T 座输出电压，U2为串联变压器输出电压，可由交直交变流器调节电压U2的幅值及相位。

图5 基于PWM 变流器的串联调节型网络化供电拓扑

基于PWM变流器的串联调节型网络化供电拓扑结构能够接入任意电压等级，对电力系统的负序影响较小，在牵引变电所出口可不设置电分相，为牵引功率融通与潮流控制提供了通路，在限制短路电流与降低牵引网损耗方面均有一定提升。

3 串联调节型网络化供电系统潮流仿真分析

基于PWM变流器的串联调节型网络化供电拓扑结构搭建牵引供电系统仿真模型，形成两座牵引所区间供电格局，如图6 所示。牵引变电所变压器的输出额定电压为U1、U1'，设定为27.5 kV，空载时两侧电压同相位；牵引变电所内基于PWM 变流器结构形成的调整电压为U2、U2'，设置范围为0～2 kV，电压幅值及相位均可实现主动调节；两座牵引变电所间供电臂内机车负载等效为电流源。

图6 基于PWM 变流器的串联调节型网络化供电系统模型

3.1 调节电压U2 对牵引潮流影响分析

假设牵引变电所间供电臂长度L1、L2均为25 km，机车负载功率Pload= 9.6 MW，牵引变压器T座输出电压U1=U1'= 27.5 kV。通过调节两座牵引变电所串联调节模块的输出电压幅值及相角，确定潮流最大分配比例，并将P1占总负荷Pload的比例P1/Pload作为评估潮流调节能力的指标。利用遗传算法求解出不同U2max下P1/Pload的调节范围并绘制曲线，如图7 所示。

图7 系统牵引潮流调节范围与PWM 模块电压关系曲线

由图7 可以看出，牵引变电所输出电压的调节范围与U2max呈线性相关，且当U2max≤1 750 V时，P1/Pload范围已经接近0～100%，即能够通过串联PWM 模块实现牵引功率全范围调节。

3.2 不同负载条件影响分析

针对机车负载对系统潮流调节能力的影响，将Pload由10 MW 分别增至20 MW 和30 MW，其余条件不变，利用相同方法求解出不同U2max下的P1/Pload可调节范围，绘制出不同负载条件下的P1/Pload调节范围，如图8 所示。

由图8 可以看出，不同负载下的负载潮流调节能力不同。总体上，当PWM 模块输出电压在1 800 V 以内，均能够在较大范围调节牵引供电系统潮流分布，达到负荷均衡与再生电能调控目的。

图8 基于不同负载条件下的牵引潮流调节范围与PWM 模块电压关系曲线

3.3 典型工况仿真验证

在牵引工况下，假设牵引变电所间供电臂长度L1、L2均为25 km，机车负载功率Pload= 9.6 MW，牵引变压器T 座输出电压U1、U1'为27.5 kV。仿真结果如图9 所示。在0.2 s 时，牵引变电所1 输出电压Uo增大，即U2输出峰值电压1 000 V（与U1同相位）；在0.3 s 时，牵引变电所2 输出电压Uo'减小，即U2'输出峰值电压500 V（与U1'反相位）。

图9 网络化牵引供电系统电压及电流曲线（牵引工况）

通过图9 可以看出，牵引变电所1 向负载提供的电流相应增大，由此验证了在牵引工况下，提高一座变电所输出电压，或减小其相邻变电所输出电压，可以增大本变电所向列车提供功率的比例。

在再生制动工况下，假设牵引变电所间供电臂长度L1、L2均为25 km，机车负载功率Pload= 9.6 MW，牵引变压器T座输出电压U1、U1'为27.5 kV。仿真结果如图10 所示。在0.2 s 时，牵引变电所1输出电压Uo增大，即U2输出峰值电压1 000 V（与U1同相位）；在0.3 s 时，牵引变电所2 输出电压Uo'减小，即U2'输出峰值电压500 V（与U1'反相位）。

通过图10 可以看出，牵引变电所1 向负载提供的牵引电流相应减小，由此验证了在再生制动工况下，提高一座牵引变电所输出电压，或减小其相邻变电所输出电压，能够减小本变电所向列车提供功率的比例。

图10 网络化牵引供电系统电压及电流曲线（再生制动工况）

4 结论与展望

网络化牵引供电系统能够解决常规牵引供电技术发展中存在的供电格式化、供用电需求匹配等问题，实现牵引供电系统供电臂之间功率可控与可传递性，提高牵引供电功率潮流控制能力，持续提升电能利用可靠性、高效性、经济性，对我国电气化铁路的供电品质、节能降耗具有重要意义。

本文通过对牵引功率融通可行性及实现方式，从牵引变电所变换侧入手，提出了基于PWM 变流器的调节型网络化牵引供电拓扑结构，并通过计算与仿真验证分析了PWM变流器输出电压幅值与相位实时调节牵引变电所间潮流分布，实现不同牵引变电所间功率输出比例控制，使相邻牵引变电所间具备功率融通条件。在后续研究工作中，网络化牵引供电系统实现方案应结合供电臂内的负载动态特性与继电保护配置等方面进行深入分析，在供电孤岛解决的基础上进一步优化信息孤岛，提升网络化供电综合效能并优化工程化应用条件。