電氣化鐵路組合式同相供電經濟性分析*

王雅婷

(中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所， 北京 100081)

我國電氣化鐵路牽引供電系統采用單相工頻交流制。牽引負荷為單相負荷，對于三相電力系統來說是不平衡負載。為了減少單相負荷對電力系統三相不平衡的影響，牽引供電系統采用輪換接入電力系統三相的方式，即每個供電臂取用電力系統電壓相別是不同的(也稱換相連接)，異相分段供電導致了電分相的存在，嚴重影響了列車運行速度和運輸能力。目前解決電分相的方式主要包括自動過分相技術和同相供電技術。自動過分相技術主要包括地面自動過分相和車載自動過分相。自動過分相技術從本質上看是減少了列車通過電分相時的斷電時間，未從根本上解決電分相問題。目前國內對同相供電技術研究比較深入，技術方案多樣。同相供電不僅能夠解決牽引供電系統中電分相問題，而且同時可改善了電能質量問題[1-2]。文中主要針對組合式同相供電的經濟性進行研究，說明組合式同相供電對于異相分段牽引供電在經濟方面的優勢。

1 組合式同相供電技術

同相供電是指在全線上的不同牽引變電所采取相同相位供電的單相供電方式，貫通同相供電可最大程度的消除電分相。同相供電由于全線接觸網的供電頻率和相位相同，各牽引變電所不再輪換相序。由于單相牽引負荷在電力系統中引起的負序電流將會導致三相不平衡，因此須設置同相補償裝置，以消除負序電流，使三相電壓不平衡度滿足國標。同相供電的基本構成如圖1所示，如采用貫通式同相供電，也可取消牽引變電所之間的電分相。

取消變電所處電分相有多種方案，主要包括基于對稱補償同相供電方案、基于三相-兩相變壓器的有源補償方案、組合式同相供電方案、全交直交牽引變電所方案等。其中以組合式同相供電方案在技術和經濟方面均具有優勢。文中針對組合式同相供電方案進行分析。下面簡要介紹組合式同相供電原理。組合式同相供電分為單三相組合式同相供電和單相組合式同相供電。

圖1 同相供電系統示意圖

1.1 單三相同相供電技術

單三相組合式同相供電以牽引變電所的牽引變壓器接線方式中最簡捷、最經濟的單相牽引變壓器為基礎，配以適量的同相補償裝置，達到取消牽引變電所出口處電分相以消除供電瓶頸，治理負序以滿足三相電壓不平衡度(負序)限值的電能質量要求，實現牽引變電所接線方式和供電裝置容量的最佳匹配。單三相組合式同相供電原理圖如圖2所示。

圖2中，TT為單相牽引變壓器，CPT為YNd11接線方式的補償變壓器，CPD為同相補償裝置。單相牽引變壓器TT與YNd11接線補償變壓器等效于一臺次邊電壓相位垂直的平衡變壓器。牽引變壓器TT和補償變壓器CPT及其同相補償裝置CPD一道給牽引網供電。同相補償裝置中的交直交變流器，即通過直流儲能電容連接的背靠背靜止無功發生器(SVG)。正常時，牽引變壓器和補償變壓器及其同相補償裝置工作；同相補償裝置退出運行時，牽引變壓器可以單獨工作。當牽引負荷功率小于等于同相補償裝置容量的2倍時，負序電流得以完全補償，由此引起的三相電壓不平衡度為零；當牽引負荷功率大于同相補償裝置容量的2倍時，補償變壓器按同相補償裝置的容量供給，其余部分由牽引變壓器供給，同相補償裝置容量設置應使此時剩余負序電流引起的負序電壓滿足國標要求。同相補償裝置還具有無功補償的功能，可在牽引供電系統功率因數低時投入使用。

圖2 單三相組合式同相供電原理圖

1.2 單相組合式同相供電

單相組合式同相供電與單三相組合式同相供電在結構上的區別只在于高壓匹配變壓器采用了單相接線。高壓匹配變壓器和牽引變壓器的原邊構成了Scott接線平衡變壓器。單相組合式同相供電的原理圖如圖3所示。

圖3 單相組合式同相供電原理圖

圖3中TT為牽引變壓器， CPD為同相補償裝置，同相補償裝置由高壓匹配變壓器HMT、交直交變流器ADA、牽引匹配變壓器TMT組成。牽引變壓器TT計算容量大于同相補償裝置CPD的計算容量。

兩種方案各有特點：單三相組合式同相供電方案中高壓匹配變壓器可提供中性點，可實現大電流接地；YNd11接線可提供三相對稱電源；而單相組合式同相供電方案中變壓器容量利用率高，并且單相牽引變壓器和單相高壓匹配變壓器具有共箱布置的可能，可減少設備總數和占地等。

1.3 組合式同相供電優勢

組合式同相供電的優勢包括：

(1) 傳統同相供電方案利用平衡變壓器的自有平衡變換能力，需要同相補償裝置的容量為牽引負荷容量的一半左右。而對組合式同相供電而言牽引負荷與同相補償裝置容量的關系為：牽引負荷計算容量=牽引變壓器TT計算容量+同相補償裝置CPD計算容量。所以組合式同向供電可以最大程度減少價格昂貴的同相補償裝置中交直交變流器的容量及其所占比重，有效減少同相供變電裝置的一次性投資。

(2) 牽引變壓器和同相補償裝置的新式組合，提高了牽引變電所運行的靈活性。補償變壓器或同相補償裝置退出運行時，牽引變壓器可以短時單獨工作，備用牽引變壓器亦可替代牽引變壓器工作，并可以取消牽引變電所出口處的電分相環節。

(3) 補償變壓器采用YNd11標準接線，便于制造，同時原邊可以實施大電流接地，次邊三相繞組還可提供三相對稱電源給所用電。

(4) 各種運行方式下均不影響鐵路運輸，安全可靠。若單相牽引變壓器失效，則投入備用變壓器；若同相補償裝置發生故障，單相牽引變壓器也能滿足短時鐵路運輸的供電要求。同相補償裝置配備完備的內部保護和系統保護，并能與既有牽引供電設備實現良好配合。

綜上所述，組合式同相供電方案擺脫了基于三相兩相牽引變壓器的同相供電方案在牽引供電需求和電能質量國家標準限制兩者間的捆綁式束縛，在取消變電所出口處的電分相的同時優化了系統方案，可以使單相牽引變壓器(主變)根據牽引負荷、同相補償裝置根據電壓不平衡度的電能質量要求自由發揮，達到牽引變壓器容量利用率最大化、同相補償裝置容量最小化等優化指標，適合高速鐵路、重載鐵路、長大坡道處電分相等情形。

2 經濟性分析

2.1 設備投資

傳統分段供電的設備投資主要有自動過分相裝置和綜合補償裝置。組合式同相供電的設備投資主要為同相補償裝置。

(1) 自動過分相裝置

現有的自動過分相裝置有3種技術方案： ①地面開關自動切換方案；②車上自動控制斷電方案；③柱上開關自動斷電方案[3-4]。國內主要采用地面自動過分相裝置和車載自動過分相裝置。目前平均一套地面自動過分相裝置的費用約為300萬元[5]。在采用車載自動過分相裝置的情況下，每輛機車的花費將增加10萬元。

(2) 異相分段供電的綜合補償裝置

近年來，SVC裝置的建造安裝等一次性投資約為150元/kVar，假設采用異相分段供電時，需要配備總容量為S1kVar的SVC裝置，則在SVC裝置上的一次性投資為：

X2=150S1(元)

(1)

(3) 組合式同相供電的同相補償裝置

同相補償裝置是組合式同相供電的主要投資，而交直交變流器是同相補償裝置中最昂貴的部分。同相補償裝置的建造安裝等一次性投資約為1 500元/kVar，若采用組合式同相供電，同相補償裝置的總容量為S2Var，則同相補償裝置上的一次性投資為：

X3=1 500S2(元)

(2)

根據上面對采取兩種供電方式的分析可知采用組合式同相供電增加的一次性投資為：

X3-X2-X1=1 500S2-150S1-X1(元)

(3)

2.2 組合式同相供電的運營經濟效益

(1) 節省固定容量電費

同相供電將異相供電牽引變電所出口處的兩側供電臂合為一個供電臂。所以牽引變電所的母線有效電流將會減小。因此同相供電減小了牽引變電所變壓器的容量。每個供電臂負荷一定的情況下牽引變壓器的安裝容量可適當降低。電力部門對鐵路實行兩部制電價，分為基本電價和電度電價?；倦妰r是根據牽引變電所變壓器的安裝容量確定的，所以安裝容量的大小就決定了電費多少。同相供電減少了變壓器的安裝容量，所以可以減少每年鐵路部門上交的基本電費。

采用組合式同相供電牽引變壓器的安裝容量可減少S3kVA。兩部制電價中的基本電價暫按25元/kVA月，則每年節省的固定容量電費為：

X4=12×25S3=300S3(元)

(4)

(2) 再生制動能量利用率

組合式同相供電取消了牽引變電所出口處的電分相，將異相分段供電的兩個供電臂合為一個供電臂，延長了供電臂長度，提高了再生制動電力機車和牽引機車在同一供電臂上的概率。大大提高了再生制動能量的利用率。組合式同相供電的再生制動能量利用率可到10%左右。再生制動能量利用率的提高對用電量有了很大的節省，若將組合式同相供電應用于繁忙的大運量線路段，再生制動能量的利用的經濟效益相當可觀。假設再生制動能量利用率提高產生的經濟效益為X5。

(3) 提高運輸能力

組合式同相供電取消了不同牽引變電所之間和牽引變電所出口處的電分相，使列車不再斷電惰性通過分相區，保證了列車的高速運行。尤其是在大長坡的上行階段，避免了列車速度和牽引力的損失。有利于機車運行速度的提高和牽引力的發揮。節省了列車的運行時間，增加了列車的運行密度，提高了鐵路部門運輸線路的經濟效益。例如文獻[6]針對實例計算得到每年可產生的經濟效益為2 585萬元。但由于增加列車開行車輛受影響因素較多，文中暫不考慮這部分經濟效益。

2.3 回收年計算

每年組合式同相供電產生的經濟效益為：

X4+X5+X6=300S3+X5

(5)

則組合式同相供電的回收年為：

(年)

(6)

X1為自動過分相裝置的投資。

2.4 實例評估

本部分以實際線路為例，計算分別改造為組合式同相供電后，多出的一次性投資的回收年。由于某些數據無法收集，所以計算回收年時只考慮了同相供電裝置成本、自動過分相裝置成本、異相分段供電補償裝置成本、固定容量電費、再生能量等幾個重要的因素，其余的因素忽略未作考慮。

該線共設3個牽引變電所，原牽引變壓器容量和改造為組合式同相供電后的牽引變壓器容量見表1。

表1 兩種供電方案牽引變電所容量 MVA

根據計算，3個牽引變電所共需設置18 MVA的同相供電裝置。對組合式同相供電而言牽引負荷計算容量=牽引變壓器TT計算容量+同相補償裝置CPD計算容量。

同相供電裝置以1 500元/kVA計算[6]。牽引變電所基本電費以25元/kVA·月計算。

根據表格1可知，同相供電總計節省變壓器容量為17 MVA，安裝容量為39 MVA。根據式(4)可算出每年節省固定容量電費可達448.8萬元。根據式(2)可計算出同相供電裝置的一次性投資為2 700萬元。異相分段供電方案下自動過分相裝置費用總計900萬元。異相分段供電補償裝置為SVC，補償容量為9.2 MVA。

根據經驗牽引變電所能量反饋率約2.5%。按改造后總安裝容量39 MVA、平均負荷率25%、牽引變電所能量反饋率2.5%、反饋能量回收利用率80%、電度電費0.643元/kWh計，則可使3座變電所共減少電度電費110萬元/年。

根據前面的分析可知改造為同相供電后一次性投資增加費用為1 662萬元。而每年節省的電費總計為620萬元。根據式(6)可算出回收年為2.7年。即接近3年的時間便可收回其多支出的一次性成本。此后每年只在電費方面即可節省620萬元。經濟效益相當可觀。

3 結 論

在討論組合式同相供電經濟性時分為一次性投資和運營經濟效益兩個方面。組合式同相供電的一次性投資主要為同相供電裝置。從固定容量電費、運輸能力、再生制動能量利用率幾個方面分析了組合式同相供電的運營經濟效益：

(1) 組合式同相供電能最大限度減少同相供電裝置容量，降低設備一次性投資，縮短回收年。

(2) 通過實例計算結果說明，在不考慮運能增加產生的經濟效益情況下，同相供電設備投資回收年約為3年。

[1] 李群湛，賀建閩．牽引供電系統分析[M]．成都：西南交通大學出版社， 2012.

[2] 李群湛，賀建閩，解紹鋒．電氣化鐵路電能質量分析與控制[M]．成都：西南交通大學出版社， 2012.

[3] 謝興中．電力機車過分相問題的探討[J]．上海鐵道科技，2008 (1)： 1-3.

[4] 馬水平，路延安，鈕承新，等．電力機車自動過分相裝置的研究與應用[J]．電氣化鐵道，2004 (3)：15-17.

[5] 祁忠永．電氣化鐵路同相供電方案及經濟性分析[J]．電氣化鐵道，2013 (004)：23-26.

[6] 陳民武，李群湛，魏 光．新型同相牽引供電系統設計與評估[J]．中國鐵道科學, 2009，30(5)：76-82.

[7] 郭盡朝．同相供電技術在神朔鐵路的應用前景研究[J]．機車電傳動，2013 (4)：47-50.

[8] 陳民武．牽引供電系統優化設計與決策評估研究[D]．成都：西南交通大學，2009.

[9] 郭積晶．同相供電系統的損耗測量與分析[D]．成都：西南交通大學，2013.

[10] 方 華．同相牽引供電方案的綜合優選[D]．成都：西南交通大學， 2012.

[11] 周福林．同相供電系統結構與控制策略研究[D]．成都：西南交通大學， 2012.