交流牵引变电所间再生制动能量利用系统及工程运行分析

吕顺凯

0 引言

国家“十四五”规划和2035年远景目标纲要提出“深入推进工业、建筑、交通等领域低碳转型”，“制定2030年前碳排放达峰行动方案”，“锚定努力争取2060年前实现碳中和，采取更加有力的政策和措施”。加强再生制动能量利用技术研究与应用，是实现铁路节能增效、绿色低碳发展的重要举措。目前，应用于直流牵引供电系统的再生制动能量利用技术已趋于成熟[1]，但交流牵引供电系统在电压等级、拓扑结构和负荷特性等方面均与直流牵引供电系统存在较大差异，其相关技术与方案并不适用[2]。

针对交流牵引供电系统再生制动能量利用问题，已有文献提出行车组织优化、加装能量回馈装置、增设储能装置或变电所间转移利用装置等方案。行车组织优化需综合考虑运输组织、线路条件、牵引与再生功率匹配等复杂条件约束，难以达到最佳利用效果[3]。通过加装能量回馈装置，可将再生制动能量回馈至10 kV贯通线或380 V低压配电网，但存在能量潮流控制复杂和受端消纳能力有限等问题，应用于电力负荷需求较高且稳定的枢纽型牵引变电所，才能取得较好的利用效果，适用范围有限[4，5]。交流牵引供电系统的再生制动功率峰值高、波动性强，增设的储能装置需同时满足高功率和高能量的复合需求，导致系统构成较为复杂，成本较高，回收期较长[6，7]。在牵引变电所间增设能量转移利用装置，能够实现再生制动能量在牵引供电系统内部直接且高效利用，同时可减少向电网反送的功率，增强电网潮流的稳定性，效果较好[8，9]。

受地理条件影响，我国交流电气化铁路存在众多V型、反V型或L型等区段，再生制动能量可观且非常适合采用所间转移互用方案，但关于其关键技术研究与工程应用情况，至今鲜见相关文献报道。本文将对交流牵引变电所间再生制动能量利用系统设计及其控制策略进行深入研究，并通过示范工程应用对其节能功能和运行效果进行全面分析与验证。

1 系统构成

再生制动能量利用系统构成示意如图1所示，按功能划分，主要包括采集单元、控制单元、变流单元和保护单元等设备，分布于 2个牵引变电所（以下简称变电所）和1个分区所，具体说明如下：

图1 再生制动能量利用系统构成

（1）在1#和2#变电所各设置1台采集单元，接入牵引变压器高压侧及低压侧的电压互感器（PT1x代表PT11～PT13，PT2x代表PT21～PT23）和电流互感器的二次信号（CT1x代表CT11～CT13，CT2x代表CT21～CT23），计算并校验各所的实时功率P1和P2，再通过4G/5G无线专网或铁路光纤局域网等高速通信网络传输至控制单元。

（2）在1#和2#变电所之间的分区所安装控制单元、变流单元和保护单元等主体设备。控制单元按照预定策略，双向调控变流单元的输出功率；保护单元全面监测控制单元和变流单元的运行状态，实现故障导向安全；变流单元由隔离开关（QS1～QS2）、断路器（QF1～QF2）、支路电压互感器（PT1～PT2）、支路电流互感器（CT1～CT2）、变压器（T1～T2）及变流器机组等构成，并联接入两侧变电所的27.5 kV馈线电源。

2 工作原理及控制策略

2.1 工作原理

将单个变电所的工况划分为两类，即从电网获取能量的牵引工况和向电网反送能量的再生工况。与电网交互功率为零视为牵引和再生工况的特殊情形，则相邻两变电所的组合工况可简化为4种。4种组合工况下，再生制动能量利用系统对应的工作状态如下：

（1）工况1。当1#和2#变电所均处于牵引工况时，再生制动能量利用系统不工作。

（2）工况2。当1#变电所处于牵引工况，而2#变电所处于再生工况时，再生制动能量利用系统工作。在不改变2个变电所既有工况的前提下，将再生功率由2#变电所实时转移至1#变电所，从而同时减少1#变电所的牵引功率和2#变电所的再生功率。通过利用 2#变电所的再生制动能量，减少1#变电所的牵引电量。

（3）工况3。当1#变电所处于再生工况，而2#变电所处于牵引工况时，再生制动能量利用系统工作。在不改变2个变电所既有工况的前提下，将再生功率由1#变电所实时转移至2#变电所，从而同时减少1#变电所的再生功率和2#变电所的牵引功率。通过利用 1#变电所的再生制动能量，减少2#变电所的牵引电量。

（4）工况4。当1#和2#变电所均处于再生工况时，再生制动能量利用系统不工作。

2.2 控制策略

变流器级控制策略研究与应用已经非常成熟，本文对此不再赘述，重点分析系统级控制策略。规定1#和2#变电所从公共电网取能为功率正方向；设定再生制动能量利用系统左侧输出有功功率为P3，向 1#牵引变电所输出功率为正方向；再生制动能量利用系统右侧输出有功功率为P4，向2#牵引变电所输出功率为正方向；因系统工作效率接近于1，为简化分析，暂不计及功率传输损耗，则P3= −P4。再生制动能量利用系统投入前后，2个变电所的瞬时总有功功率等效转换关系为

式中：P1＇和P2＇分别为再生制动能量利用系统投入之后1#和2#变电所的瞬时总有功功率。

设再生制动能量利用系统的额定功率为P5，转移预留阈值功率为P6。P6通常设定为数kW，远小于P5。将 4种组合工况下再生制动能量利用系统对应的潮流控制策略及转移前后各所功率对比进行整理，见表1。

表1 控制策略及转移前后各所功率对比

由表1可知，当1#和2#变电所均处于牵引或再生工况时，再生制动能量利用系统不进行变电所间有功转移，=且=；当1#和2#变电所分别处于牵引和再生工况时，再生制动能量利用系统进行变电所间有功功率转移，且转移之后，2个变电所与电网交互功率均减少，即＜且＜，实现再生制动能量在牵引供电系统内部的有效利用。4种工况下再生制动能量利用系统功率潮流控制示意如图2所示。

图2 再生制动能量系统功率潮流控制示意

3 工程设计及应用分析

基于现场调研、测试分析和仿真验证等前期技术研究工作，选取国内某线路的2个变电所及其之间的分区所进行工程化设计和典型示范应用。该线路的负荷类型为常规电铁负荷，客货混跑。

3.1 工程设计方案

采集单元安装于变电所的控制室内，其他主体设备均安装于分区所，控制单元和保护单元布置于控制室内；变流单元采用全户外安装方式，一次电源通过架空导线并联接入1#和2#变电所下行馈线。变流单元现场布置如图3所示。

图3 变流单元现场布置

变流单元额定容量为 2×9 MV·A，双向有功转移能力均为9 MW。变流单元工程设计如图4所示，隔离开关、断路器、电压互感器和电流互感器等均为常规设备，变压器和变流器机组采用特殊设计。变压器采用低压六分裂高阻抗变压器，利用其等效漏抗代替交流侧电感，降低系统占地面积和成本。变流器机组共由6重单相交直交变流器组成，采用标准化和模块化设计理念，将6重变流器两两组合成柜（第1和第2重为1#变流柜，第3和第4重为2#变流柜，第5和第6重为3#变流柜）。各重变流器独立接收控制单元的指令进行有功融通，不仅便于多重化扩展，同时也保障了系统的稳定性，当单重变流器故障时，系统不需全部退出，只需降额运行。

图4 变流单元工程设计

3.2 工程应用分析

3.2.1 控制策略验证

为验证控制策略的正确性和有效性，采用 A级功率分析仪，对系统试运行期间2个变电所的功率（与）和再生制动能量利用系统的输出功率（P3与P4）进行了168 h同步测试，并按照式（1）和式（2）对系统未投运时2个变电所的功率P1和P2进行数据还原。通过对全部数据逐项分析，确认控制策略正确、有效，能够依据2个变电所的实时工况，实现再生制动能量高效转移利用。本文选取4种组合工况下各2 min时长的同步数据进行展示与分析，系统输出功率及投运前后各所功率对比如图5所示。

分析图5（a）和图5（d）可知：当 1#和 2#变电所同时处于牵引工况或再生工况时，再生制动能量利用系统不工作，两侧输出功率P3和P4均为0，P1和完全重合，P2和完全重合，再生制动能量利用系统不改变 2个变电所的工况及功率的幅值。

分析图5（b）可知：当1#变电所处于牵引工况，而 2#变电所处于再生工况时，再生制动能量利用系统工作。P3＞0，P4＜0，系统将再生制动能量由2#变电所转移至1#变电所。通过有功转移，1#变电所从电网获取的牵引功率由P1降至，P1与之间的功率积分差值S1即为1#变电所在该时间段内的节能电量；同时，2#变电所向电网反送的再生功率由P2降至，P2与之间的功率积分差值S2即为2#变电所在该时间段内被利用的再生制动能量，因存在传输损耗，S2稍大于S1。在预留阈值附近波动但始终小于0，且由于阈值的存在，P4与P2接近但幅值稍小，2条曲线紧邻而不重合。投运前后，P1与均大于 0，P2与均小于 0，再生制动能量利用系统在保持 2个变电所既有工况的前提下，利用 2#变电所的再生制动能量，减少了1#变电所的牵引电量。

分析图5（c）可知：当1#变电所处于再生工况，而 2#变电所处于牵引工况时，再生制动能量利用系统工作。P4＞0，P3＜0，系统将再生制动能量由1#变电所转移至2#变电所。通过有功转移，2#变电所从电网获取的牵引功率由P2降至，P2与之间的功率积分差值S2即为2#变电所在该时间段内的节能电量；同时，1#变电所向电网反送的再生功率由P1降至，P1与之间的功率积分差值S1即为1#变电所在该时间段内被利用的再生制动能量，因存在传输损耗，S1稍大于S2。在预留阈值附近波动但始终小于0，且由于阈值的存在，P3与P1接近但幅值稍小，2条曲线紧邻而不重合。投运前后，P1与均小于 0，P2与均大于 0，再生制动能量利用系统在保持 2个变电所既有工况的前提下，利用 1#变电所的再生制动能量，减少了2#变电所的牵引电量。

图5 系统输出功率及投运前后2个变电所功率对比

3.2.2 节能电量计量

为准确、定量评估系统的节能效果，对比分析负荷统计法、基准能耗法和直接测量法等各种计量方案[10]如下：

（1）负荷统计法需汇总分析2个变电所各供电区间内全部机车的实时功率，再与2个变电所同一时刻的功率进行比较，进而计算出节能电量。由于线路运行机车众多且配属不同铁路局，数据同步获取难度较大，该方案可行性较差。

（2）基准能耗法需按照线路运量基数及其能耗，对比系统运行期间运量及电量的变化，剔除能耗调整量，从而确认节能电量。由于能耗调整量受到运量数据准确度、列车运行图、机车类型及数量、列车载重与速度、司机操控习惯、天气等多重复杂因素影响，无法准确评估，而且再生制动能量利用电量与牵引电量相比占比较小，节能效果不能有效体现，该方案难以实施。

（3）直接测量法通过高准确度多功能电表，计量再生制动能量利用系统向 2个变电所转移的有功电量，不受系统外界因素影响、简单直接、易于测算分析，具有普遍适用性，适合推广应用。

最终选取直接测量法作为再生制动能量利用系统的节能电量计量方案。

直接计量法方案如图6所示，将再生制动能量利用系统两支路27.5 kV高压并网点处电压互感器和电流互感器的二次信号分别接入2块0.5S级及以上等级的高准确度单相电表，能够在不计入系统损耗的基础上，准确计量通过再生制动能量系统向两侧变电所分别转移的电量，便于进一步分析。

图6 直接计量法方案

规定再生制动能量利用系统两支路27.5 kV高压并网电流指向变电所时为正方向，设定计量起止时间，通过电表1的正向电量增量W11，可测算出该时间段内由变电所2向变电所1转移的再生制动能量W12；通过电表2的正向电量增量W21，可测算出该时间段内由变电所1向变电所2转移的再生制动能量W22；进而可测算出再生制动能量系统在该时段内的总节电量Wz。各项电量之间的关系为

式中：K为换算系数，等于电压互感器变比与电流互感器变比的乘积。

按该计量方案对再生制动能量系统试运行期间的数据进行分析，日均节电14 500 kW·h，等效年节电量5 292.5 MW·h。按照0.6元/kW·h电费单价进行计算，每年可节省电费317.55万元。

4 结语

高效利用再生制动能量，可助力铁路节能减支和低碳发展。本文阐述交流牵引变电所间再生制动能量利用系统的构成，说明工作原理与控制策略，并对其工程设计及应用效果进行了分析，得出以下结论：

（1）再生制动能量利用系统并联接入2个牵引变电所馈线末端，且配置专用保护单元，安全性好；变流器机组采用多重化、标准化设计，可靠性高。依据典型示范工程运行数据进行测算，节能效果良好，经济效益显著，具有较好的推广价值及应用前景。

（2）提出的控制策略正确有效，在不改变 2个变电所既有工况的前提下，实现再生制动能量在相邻变电所间协同利用，简洁高效。同时，变电所间转移利用策略可同步减少 2个变电所与公共电网的交互功率，有助于电网的平稳运行。

（3）直接计量法独立性好，不受外界因素影响，便于测算分析，适用于节能效果定量评估。

随着储能技术的快速发展，储能装置的经济性和安全性预计大幅提升。本文所述变电所间再生制动能量利用系统在变流器机组直流侧预留了接口，便于储能和新能源装置接入。下一步将对结合所间转移和储能技术的复合利用方案进行研究及应用，进一步提升再生制动能量利用率。