牽引供電系統貫通供電方案研究

董志杰，楊振龍，馬志遠，許永堅，張 宇，楊嘉琛

0 引言

我國從20世紀50年代開始采取單相工頻供電制式后電氣化鐵路得到了快速發展[1，2]，目前全國電氣化鐵路里程已超過10萬km，電氣化率超過了73%。我國的電氣化鐵路一直采用單邊供電，通過設置電分相將供電臂進行劃分，各供電臂之間電氣不連通，功率無法在各供電臂之間轉移，牽引變電所通過供電臂輪換相序降低對電力系統的負序影響。

為響應“雙碳”目標要求，提升清潔能源利用率，應從降低牽引供電系統損耗，提高牽引供電系統能源利用率；降低化石能源在牽引供電系統比例，提高牽引供電系統新能源滲透率；降低再生能向電力系統返送率，提升在牽引供電系統內部消納率幾個方面提出合理方案。通過電分相分割的供電臂難以滿足“雙碳”目標的要求，急需提出一種新的貫通供電技術方案解決上述問題。

針對上述問題，國內外專家學者開展了大量研究。一方面，貫通同相牽引供電系統可以進一步降低牽引供電系統損耗，提高供電品質[1，2]，主要研究同相供電系統的系統方案[3～5]、潮流計算方法[6]、經濟性分析[7]、牽引網諧振特性[8]等，證明了貫通同相供電系統在可用的基礎上對于我國鐵路的適用性。另一方面，基于牽引負荷波動的強隨機性，研究利用電氣化鐵路再生制動能量[9，10]，主要研究再生電能利用裝置設置方案及控制算法等，并可為新能源接入預留接口。本文將針對接觸網貫通后對供電品質產生的影響，找出劣化因素，提出一種新的接觸網貫通供電技術方案。

1 接觸網貫通對供電品質的影響

接觸網貫通供電后將在接觸網損耗、短路電流、負序、網壓、電磁環流、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 接觸網貫通對牽引供電系統損耗影響

為了分析接觸網貫通后對損耗的影響，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接觸網損耗變化情況，列車速度按照250 km/h，帶電電流取500 A，2座牽引變電所之間距離50 km，供電臂長度按照25 km進行分析，結果見表1。

表1 不同追蹤間隔下單雙邊供電接觸網損耗對比

從表1中可以看出，雙邊供電能夠降低牽引網損耗，隨著追蹤間隔加大，雙邊供電相對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 接觸網貫通供電對短路電流影響

接觸網貫通供電后，接觸網上的短路電流會增大，不僅影響接地安全，也對設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貫通運行示意圖。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中數據為不同情況下短路電流數值。

圖1 3座牽引變電所接觸網貫通示意圖

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，對于既有運行項目將對接地系統產生較大的影響。

1.3 接觸網貫通供電對負序影響

我國對三相不平衡度標準有以下規定：若公共連接點連接有多個用戶，每個用戶引起該點負序電壓不平衡度允許值一般為1.3%，短時不超過2.6%。對于110 kV電源，短路容量一般為1 000～2 000 MV·A；對于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序容量，不同短路容量下為了抑制電磁環網影響，從同一個地方變電站允許接入變電所數量見表3。可以看出，負序是制約多所接觸網貫通運行的關鍵因素。

表3 不同短路容量下允許系統接入單相負荷

1.4 接觸網貫通供電對接觸網壓降、載流能力影響

接觸網貫通后列車取電將由線路上貫通的多個牽引變電所提供，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，供電臂長度按照25 km，帶回流直接供電方式不同追蹤間隔下接觸網網壓和載流能力計算結果見表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壓降小，能夠降低牽引網上的電能損失；從載流需求看，在追蹤間隔小于等于一個供電臂時，載流能力沒有大的改善，而當追蹤間隔大于一個供電臂時則效果明顯。

表4 接觸網貫通運行對接觸網壓降、載流能力影響

1.5 接觸網貫通對電磁環網電流影響

設計試驗驗證接觸網貫通供電后電磁環網對系統的影響。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座變電站間亦通過架空輸電線路連接，系統主要參數見表5。

表5 電磁環流對牽引供電系統影響的仿真試驗參數

接觸網貫通運行后需要考慮電磁環網影響。電氣化鐵路采用單相供電模式，當通過接觸網連通電力公司不同變電站后，將產生電磁環網，但又有別于電網自身合環運行時產生的電磁環網，其主要差異為：（1）牽引供電系統27.5 kV側接觸網貫通運行，折算到高壓側110/220 kV的阻抗大，產生的電磁環網電流較小；（2）牽引供電系統為單相牽引模式，無法通過接觸網傳輸三相電能，當電力公司出現N-1模式，潮流不能通過接觸網進行轉移；（3）通常鐵路運營方與電網公司是 2個獨立產權單位實體，通過用戶側雖然可以使三相電網與牽引供電系統形成電磁環網，但由于電氣化鐵路存在再生制動電能，將很難區分返送電力系統是電磁環網電流還是再生制動返送電流，將造成鐵路運營方的運營成本增加。

圖2和表6體現正常及故障等不同工況下電磁環網電流情況。從表6可以看出，當來自牽引變電所SS1、SS2的電源，即2座電網變電站的出口電壓相等時，基本可認為沒有電磁環網電流。當電網A、B相出現單相接地短路故障，可在短時間內產

圖2 牽引網貫通運行示意圖

表6 牽引網貫通運行時電磁環網電流仿真結果

1.6 接觸網貫通對再生能利用影響

電氣化鐵路的牽引變電所電費采用代數和計費方式，且計量方式、效果不受牽引供電系統是否貫通運行的影響。接觸網貫通運行僅僅實現了再生制動功率在接觸網上貫通傳遞。2座牽引變電所接觸網貫通運行后，再生制動功率傳遞將會發生改變，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牽引變電所沒有負荷時，列車產生的再生能量將有一部分自SS2向電力系統返送，降低再生能利用效果。從以上分析可以看出，接觸網貫通運行后再生能利用是否提升與各供電臂內列車運行狀態相關。圖4、圖5所示為不同追蹤條件下接觸網貫通運行前后再生能對比。

圖3 兩座牽引變電所貫通運行再生制動能量利用示意圖

圖4 13 min追蹤間隔下牽引變電所出口處接觸網電流

圖5 18min追蹤間隔下牽引變電所出口接觸網電流

從圖4、圖5中可以看出，接觸網貫通運行后，由于牽引變電所潮流不可控，有的工況下負荷降低，有的工況下負荷加重，再生制動能量同行車之間吸收也不同。對運輸密度大的線路，接觸網貫通后改善再生能吸收、降低負荷情況不明顯。對于潮流不可控情況，存在著很難達到理想應用情況的問題。

1.7 接觸網貫通對新能源消納影響

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后，由于牽引負荷間歇性、新能源發電間歇性，依靠既有單邊供電模式難以快速消納新能源。此外，由于牽引供電系統與電網系統之間電氣連通，如果無法快速消納新能源，將造成新能源通過牽引系統返送電力系統，因此接觸網貫通運行將有利于新能源消納。同時由于功率需求在貫通接觸網上受變電所分布和列車運行位置影響，時間上呈現間歇性，空間上在變電所呈現多源性，幅值上呈現牽引再生交替特性，新能源間歇性負荷接入貫通接觸網上，接觸網將成為連接新能源與列車負荷需求功率的傳輸網。由于通過牽引變電所向電力系統返送不計的計費政策，自然潮流分配難以保障新能源與列車負荷需求良好匹配性，因此可控潮流將更有利于新能源消納，更利于降低運營成本。

1.8 接觸網貫通對靈活供電影響

電氣化鐵路單邊供電模式下故障查找和切除技術已經非常成熟，故障影響范圍內可快速切除。對于貫通運行接觸網，當接觸網發生短路故障時，由于雙邊或多邊供電，需要變革保護切除方式，同時切除故障區段，故障影響范圍變大。

2 接觸網貫通供電拓撲結構

通過上文分析可以看出，接觸網貫通運行后對供電品質產生影響，選擇合適的接觸網貫通技術方案尤為重要。接觸網貫通后供電品質需優化內容如表8所示。

表8 貫通供電與單邊供電相比需優化的內容

由表8可知，接觸網貫通運營方式下，需要在短路電流、電磁環網、負序、再生電能消納等方面進行優化，并需在此基礎上研究新能源消納方案。可以通過在變電所內加裝電力電子設備，解決、優化上述問題。電力電子設備具有以下優勢：使系統潮流可控，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網電流；接觸網故障時限制短路電流；牽引、再生工況下平衡牽引變壓器兩臂負荷，降低負序；延長供電臂后，還有助于提高再生電能利用率，減少返送電網；直流側亦可為新能源接入預留接口。

結合電力電子設備優勢，提出一種接觸網貫通供電拓撲結構，見圖6。圖中，TP1和TP2可以構成平衡接線降低負序影響，通過 TP2次邊連接的交直交變換器可以限制短路電流，抑制電磁環網。27.5 kV電壓通過TP1和TP3變壓器二次側串聯而成，交直交變換器也可在運行中控制 TP3的輸出電壓。通過這種結構可以實現不同變電站接入，具有靈活的接入性。

圖6 接觸網貫通供電系統拓撲結構

針對表8中的供電品質需要優化的結果見表9。

表9 接觸網貫通供電拓撲結構供電品質優化結果

3 接觸網貫通運行拓撲結構仿真分析

圖7為接觸網貫通供電電流分布示意圖。可以看出，列車電流由相鄰的2座牽引變電所共同供電。單線線路情況下，電壓與電流關系：

圖7 接觸網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，通過控制U1和U2之間電壓差可以調節I1和I2的分配關系，即可調節兩座牽引變電所SS1、SS2的出力。

將圖4（b）中再生電能部分消納進行潮流控制，其再生能利用率見圖8。可以看出，相對于圖4（b）貫通運營情況下，返送再生電能已經減少。

圖8 調整電壓提升再生能利用率

通過以上仿真，驗證了通過潮流控制調節再生能潮流，提升了再生能在牽引供電系統內部的利用率。同時調節潮流可以實現潮流在變電所的分配，可以調節不同變電所負荷，降低峰值功率，并降低最大需量。

4 結語

本文分析了接觸網貫通供電對接觸網載流、損耗、短路電流、電磁環網等供電品質的影響，經過分析確定了接觸網貫通供電后在供電品質方面需優化的項目，發現負序改善、電磁環網可控、接觸網潮流控制是解決供電品質問題的關鍵，提出一種規避劣勢，保留優勢的貫通供電技術方案，并針對再生能利用率進行潮流控制仿真驗證，驗證了所提方案的可行性和有效性。對于容量配置、潮流控制策略、保護控制問題，將是下一步工程化實施需進一步研究的內容。